一種教學(xué)用采摘競(jìng)賽機(jī)器人

羅家寧 賀泉 張思豪 史穎剛 劉利 王轉(zhuǎn)衛(wèi)

摘要：針對(duì)中國(guó)機(jī)器人大賽采摘機(jī)器人子項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一種教學(xué)用采摘競(jìng)賽機(jī)器人。首先，根據(jù)競(jìng)賽要求，設(shè)計(jì)教學(xué)用采摘機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)，確定了四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電機(jī)布局及差速轉(zhuǎn)向的輪式結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)了四自由度串聯(lián)機(jī)械臂，二指回轉(zhuǎn)型機(jī)械爪和自動(dòng)卸載的儲(chǔ)物筐。以 STM32F103ZET6單片機(jī)為核心，搭載底盤控制模塊、顏色識(shí)別模塊和采摘機(jī)械臂模塊，構(gòu)建了采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)。根據(jù)比賽要求和流程，編寫了機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)子程序、顏色識(shí)別子程序、機(jī)械臂控制子程序以及系統(tǒng)整體流程。并搭建實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示該設(shè)計(jì)滿足競(jìng)賽基本要求，能夠?yàn)閷W(xué)生參加競(jìng)賽提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：教學(xué)機(jī)器人;機(jī)械系統(tǒng);控制系統(tǒng);程序設(shè)計(jì);視覺識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP242???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??????? 文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0131-04

A Picking Competition Robot for Teaching

Luo Jianing ，He Quan ，Zhang Sihao ，Shi Yinggang ※， Liu Li ，Wang Zhuanwei

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Northwest A&F University， Xianyang， Shaanxi 712100， China）

Abstract： Aiming at the picking robot sub project of China robot competition， a picking competition robot for teaching was designed. Firstly， according to the competition requirements， the mechanical system of the picking robot for teaching was designed， and the motor layout of four-wheel independent drive and the wheel structure of differential steering were determined. Four degree of freedom series manipulator， two finger rotary mechanical claw and automatic unloading storage basket were designed. Taking STM32F103ZET6 single chip microcomputer as the core， equipped with chassis control module， color recognition module and picking manipulator module， the control system of picking robot was constructed. According to the competition requirements and process， the robot basic motion subroutine， color recognition subroutine， manipulator control? subroutine? and the overall process of the? system were written. The results? show that the? design meets the basic requirements of the competition and can provide some reference for students to participate in the competition.

Key words： teaching robot; mechanical system; control system; program design; visual identity

0 引言

機(jī)器人競(jìng)賽是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的重要途徑，設(shè)計(jì)一款面向教學(xué)的采摘競(jìng)賽機(jī)器人，可以為各高校學(xué)生提供機(jī)器人課程系統(tǒng)學(xué)習(xí)與實(shí)訓(xùn)的機(jī)會(huì)，從而更好地理解采摘競(jìng)賽機(jī)器人，在實(shí)踐中掌握基本專業(yè)技能[1]。

果園采摘機(jī)器人競(jìng)賽是中國(guó)機(jī)器人大賽的子項(xiàng)目，比賽場(chǎng)地如圖1所示。起點(diǎn)區(qū)、終止區(qū)和儲(chǔ)存區(qū)均為矩形區(qū)域，可用于儲(chǔ)存收集果實(shí)[2]。本競(jìng)賽場(chǎng)地設(shè)有機(jī)器人行走引導(dǎo)線，機(jī)器人沿引導(dǎo)線從起點(diǎn)區(qū)出發(fā)，按采摘的難易度，依次經(jīng)過(guò) A區(qū)、B區(qū)、和 C區(qū)，最后到達(dá)終止區(qū)，完成自主循跡、語(yǔ)音播報(bào)、目標(biāo)識(shí)別、果實(shí)采摘、收集和運(yùn)輸?shù)裙δ堋Ｋ烧墓麑?shí)使用仿真模型，其中 A 區(qū)模擬基礎(chǔ)設(shè)備完備的場(chǎng)景，有6個(gè)成熟果實(shí)，在收獲地點(diǎn)有提示線;B 區(qū)模擬基礎(chǔ)設(shè)施不夠齊全或發(fā)生故障的場(chǎng)景，有4個(gè)成熟果實(shí)，2個(gè)未成熟果實(shí)，其中果實(shí)位置不確定，有行走引導(dǎo)線;C區(qū)模擬開放的果園，在果樹的6個(gè)不同位置隨機(jī)分布3個(gè)成熟果實(shí)與3個(gè)未成熟果實(shí)，無(wú)行走引導(dǎo)線，作業(yè)點(diǎn) C2、C3、C4、 C6有提示線。

分析采摘機(jī)器人的功能需求，機(jī)器人需要完成的任務(wù)有語(yǔ)音播報(bào)參賽隊(duì)伍信息以及采摘作業(yè)點(diǎn)的基本情況、沿導(dǎo)航線行走、識(shí)別果實(shí)成熟度、采摘并存儲(chǔ)成熟的果實(shí)等。因此，本設(shè)計(jì)中的采摘機(jī)器人需要包括底盤、機(jī)械臂、機(jī)械爪、儲(chǔ)物筐、語(yǔ)音模塊、平面定位系統(tǒng)和視覺識(shí)別系統(tǒng)。本文從機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和子程序設(shè)計(jì)3個(gè)方面對(duì)采摘競(jìng)賽機(jī)器人進(jìn)行搭建。

1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的采摘競(jìng)賽機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。教學(xué)機(jī)器人要求開放兼容，易于學(xué)習(xí)、創(chuàng)新，方便課程與競(jìng)賽，因此對(duì)整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、控制算法都采用模塊化設(shè)計(jì)，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固連接，硬件模塊易于插拔，性能穩(wěn)定可靠同時(shí)也便于裝卸維護(hù)。輪式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易控，能量利用效率高，因此機(jī)器人的移動(dòng)形式選用輪式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向方式選用差速轉(zhuǎn)向式[3]。機(jī)器人底板為長(zhǎng)300 mm、寬290 mm、厚3 mm的鋁板，鋁板下側(cè)固定車輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、各種控制元件和傳感器等;上側(cè)固定機(jī)械臂、機(jī)械爪、儲(chǔ)物筐、攝像頭、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、鋰電池和開關(guān)組等。車輪選用承重能力較好且抓地能力較強(qiáng)的海綿橡膠輪，直流電機(jī)采用 PID 調(diào)速，可獨(dú)立精準(zhǔn)地驅(qū)動(dòng)四個(gè)主動(dòng)輪;考慮到小車受力和工作情況，車輪電機(jī)選用霍爾編碼器直流減速電機(jī) GM37-520。

機(jī)械臂[4]采用四自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，臂長(zhǎng)分別為110 mm、90 mm、50 mm ，采用 U型、L 型等舵機(jī)金屬配件進(jìn)行連接。為減少旋轉(zhuǎn)次數(shù)且提高導(dǎo)航精度，機(jī)械臂底端設(shè)置有云臺(tái)[5]，考慮到機(jī)械臂的自重及受力情況，云臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)角度都較大的42步進(jìn)電機(jī);機(jī)械臂末端裝有二指回轉(zhuǎn)型機(jī)械爪，機(jī)械爪動(dòng)作時(shí)，右側(cè)手指由舵機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，左側(cè)手指通過(guò)輪齒嚙合進(jìn)行傳動(dòng);攝像頭裝在機(jī)械爪掌心位置;儲(chǔ)物筐采用6片輕質(zhì)亞克力板制成，用 L 型支架連接，上方保持開口狀態(tài)，前側(cè)設(shè)為檔物板，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)檔物板可以抬起，果實(shí)從筐中滑出，實(shí)現(xiàn)果實(shí)自動(dòng)傾倒;其余控制部件均通過(guò)泡棉膠帶黏在底盤空隙處。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采摘競(jìng)賽機(jī)器人的控制系統(tǒng)以 STM32F103ZET6芯片為主控制核心，控制系統(tǒng)如圖3所示。本設(shè)計(jì)中循跡傳感器采用 SEN1595，通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換與主控器進(jìn)行通訊，利用循跡預(yù)估算法，保證機(jī)器人沿引導(dǎo)線行走;采用增量式磁編碼器通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換，記錄車輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)瞬時(shí)位置，利用 PID 算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人穩(wěn)定行走;采用電子羅盤，通過(guò) IIC總線通訊，利用平面定位算法，實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人慣性導(dǎo)航控制;采用 OpenMV 攝像頭模塊，通過(guò)串口通訊，利用閾值分割算法，實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)械人視覺顏色識(shí)別。

比賽開始時(shí)，按下啟動(dòng)開關(guān)，機(jī)器人開始工作。主控制器向語(yǔ)音模塊發(fā)送低電平信號(hào)，開始播報(bào)參賽隊(duì)伍信息;播報(bào)結(jié)束后，機(jī)器人從起始區(qū)出發(fā)，開始沿導(dǎo)航線行走，行走過(guò)程中依靠增量式磁編碼器檢測(cè)機(jī)器人的行走姿態(tài)和速度信息，并時(shí)刻反饋至主控制器，計(jì)算當(dāng)前角度和速度偏差，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的行走姿態(tài)檢測(cè);循跡傳感器通過(guò)光敏電阻對(duì)不同顏色的反射光的強(qiáng)弱進(jìn)行對(duì)比，從而判斷車體和導(dǎo)航線的位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的循跡任務(wù);到達(dá)采摘位置時(shí)，光電開關(guān)檢測(cè)到植株信息并向主控制器發(fā)送低電平信號(hào)，機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng);機(jī)械臂開始采摘工作，機(jī)械臂的控制采用固定地點(diǎn)預(yù)設(shè)動(dòng)作組的方法進(jìn)行，通過(guò)上位機(jī)軟件在線編輯舵機(jī)動(dòng)作組，然后把編輯好的動(dòng)作組下載至舵機(jī)控制板中，便可實(shí)現(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行，最后由主控制器控制動(dòng)作組的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)果實(shí)采摘;機(jī)械臂到達(dá)指定位置后，機(jī)械爪掌心位置的攝像頭開始識(shí)別果實(shí)信息，視覺模塊[6]采用可編程攝像頭模塊 OpenMV ，其控制核心為 STM32F427，使用 Python編寫尋找色塊、邊緣檢測(cè)、模板匹配等核心算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)顏色、輪廓的識(shí)別，然后將識(shí)別結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送給主控制器，若為紅色則控制機(jī)械爪抓取果實(shí)并放入儲(chǔ)物筐，若為綠色則向下一個(gè)采摘位置行進(jìn)，繼續(xù)后續(xù)的采摘工作;完成所有任務(wù)后，機(jī)器人到達(dá)終止區(qū)，播報(bào)比賽結(jié)束，然后停止工作。

3 程序設(shè)計(jì)

按照競(jìng)賽規(guī)則，面向教學(xué)的采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)需完成機(jī)器人的行走控制、機(jī)械臂動(dòng)作控制和視覺識(shí)別3個(gè)子程序的流程規(guī)劃及程序編寫。

3.1 機(jī)器人行走子程序設(shè)計(jì)

底盤電機(jī)選用直流減速電動(dòng)機(jī) GM37-520，使用 TB6612FNG芯片將控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速和換向功能。為優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)速控制效果，降低重心偏移或摩擦力差異等造成的速度誤差，基于帶有編碼器反饋的閉環(huán)電機(jī)系統(tǒng)，采用比例積分微分的 PID 控制算法[7]。本設(shè)計(jì)選擇位置閉環(huán)控制，如圖4所示，通過(guò)編碼器脈沖累加，求得電機(jī)位置信息，將其與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較得到控制偏差，控制偏差的比例、積分、微分使其趨于0[8]。

其數(shù)學(xué)模型為：

式中：KP、KI、KD 分別為比例常數(shù)、積分常數(shù)、微分常數(shù)， EK 表示本次偏差，EK-1表示上一次偏差，SK 表示前 K 次偏差累積和，OUT表示輸出。SL，PL分別為目標(biāo)值和測(cè)量值。

在使用時(shí)，定時(shí)器1設(shè)置為 PWM 輸出模式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，定時(shí)器2～5設(shè)置為編碼器輸入模式，測(cè)量電機(jī)位置值，定時(shí)器6用于定時(shí)采樣，在中斷服務(wù)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)位置式 PID 控制，程序控制流程如圖5所示。

經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，最終確定在面向教學(xué)的采摘機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中，KP=60，KI=0.5，KD=0，即可滿足穩(wěn)定行走要求。

有循跡線時(shí)，利用前側(cè)兩路循跡傳感器進(jìn)行導(dǎo)航，如圖6所示。正常行走時(shí)，兩個(gè)傳感器值均為1，檢測(cè)到白色循跡線時(shí)變?yōu)榈碗娖?，若左側(cè)傳感器為0，代表車體右偏，機(jī)器人應(yīng)向左調(diào)整，反之亦然。當(dāng)光電開關(guān)檢測(cè)到果樹時(shí)，將停止信號(hào)發(fā)送給主控制板，進(jìn)行制動(dòng)。

無(wú)循跡線時(shí)，利用平面定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航模塊檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合算法、卡爾曼濾波算法，獲得機(jī)器人角度姿態(tài);編碼器測(cè)量車輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)瞬時(shí)位置，利用外部中斷記錄脈沖數(shù)，便可結(jié)合車輪直徑，推算機(jī)器人位置變化。因此，已知車輪直徑及目標(biāo)點(diǎn)位置坐標(biāo)，便可實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航移動(dòng)。

3.2 機(jī)械臂動(dòng)作控制子程序設(shè)計(jì)

機(jī)械臂的控制采用固定地點(diǎn)預(yù)設(shè)動(dòng)作組的方法進(jìn)行。通過(guò)上位機(jī)軟件在線編輯舵機(jī)動(dòng)作組，使機(jī)械臂完成競(jìng)賽要求的動(dòng)作;然后將編輯好的動(dòng)作組下載入舵機(jī)控制板中，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行;最后通過(guò)串口進(jìn)行舵機(jī)控制板與主控制器的通信，進(jìn)行動(dòng)作組的調(diào)用。

機(jī)械臂底端的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移，一個(gè)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)歩距角。本設(shè)計(jì)采用共陰極接法，DIR+輸入電機(jī)轉(zhuǎn)向設(shè)置信號(hào)，PUL+輸入脈沖信號(hào)，改變脈沖信號(hào)頻率，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，預(yù)設(shè)步數(shù)決定轉(zhuǎn)動(dòng)角度，流程如圖7所示。

3.3 顏色識(shí)別子程序設(shè)計(jì)

根據(jù)比賽規(guī)則，采摘機(jī)器人需辨別果實(shí)成熟度，本設(shè)計(jì)選擇 OpenMV攝像頭組，采用 LAB 閾值分割法進(jìn)行顏色識(shí)別，在其自帶的基于 Python語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境中完成編寫程序，視覺識(shí)別流程如圖8所示。

系統(tǒng)完成初始化及圖像預(yù)處理后，通過(guò) thresholds函數(shù)設(shè)置目標(biāo)顏色閾值，利用 find_max函數(shù)框選并標(biāo)記最大目標(biāo)色塊，將其閾值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，完成判斷，

將判斷結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送給 STM32主控板，以便其控制后續(xù)采摘?jiǎng)幼鳌?/p>

3.4 整體流程設(shè)計(jì)

A 、B 、C三個(gè)區(qū)難度依次增加：A 區(qū)利用灰度傳感器循線直行，根據(jù)作業(yè)提示線確定停車位置，調(diào)試動(dòng)作組進(jìn)行采摘;B 區(qū)循線直行，利用光電開關(guān)判斷果樹位置，識(shí)別果實(shí)成熟度，完成采摘;C區(qū)完成自主導(dǎo)航，利用融合編碼器與陀螺儀的定位系統(tǒng)，達(dá)到目標(biāo)作業(yè)位置，完成識(shí)別與采摘。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)競(jìng)賽要求，本文以 STM32單片機(jī)為主控制核心，設(shè)計(jì)了采摘機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)以及機(jī)器人行走程序、機(jī)械臂動(dòng)作控制程序和視覺識(shí)別3個(gè)子程序的流程規(guī)劃及程序編寫。采用語(yǔ)音模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人播報(bào)比賽隊(duì)伍及果實(shí)情況信息;采用OpenMV視覺識(shí)別模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)果實(shí)成熟度的確認(rèn);采用循跡傳感器、平面定位系統(tǒng)及慣性導(dǎo)航模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人準(zhǔn)確抵達(dá)采摘位置。通過(guò)多次試驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人可順利完成智能語(yǔ)音播報(bào)、自主循跡導(dǎo)航、采摘和存儲(chǔ)果實(shí)、檢測(cè)果實(shí)成熟度等功能。基于本科生參與度較高的果園采摘機(jī)器人競(jìng)賽，通過(guò)參考國(guó)內(nèi)外多種教學(xué)機(jī)器人及競(jìng)賽機(jī)器人研究現(xiàn)狀，完成了面向教學(xué)的采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)，機(jī)械系統(tǒng)搭建簡(jiǎn)便，對(duì)本科生參加競(jìng)賽具有一定的參考價(jià)值。在對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)試和整體運(yùn)行過(guò)程中能極大的提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]皆彥吉.果蔬采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀、問(wèn)題及對(duì)策[J].2018，45（9）：1.

[2]劉家春， 劉利.基于競(jìng)賽的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].2018，32（2）：6-11.

[3]徐濤， 申焱華.分布驅(qū)動(dòng)輪式車輛差動(dòng)轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)特性研究[J].2018，40（7）：812-819.

[4]孫龍，李長(zhǎng)勇.六自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和軌跡規(guī)劃研究[J].2021，42（3）：41-44.

[5] Wang G， Yu Y. Design of End-effector for Tomato Robotic Har? vesting[J].2016，49（6）：190-193.

[6]程祥云， 宋欣.果蔬采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)研究綜述[J].2019，60（3）：409-493.

[7]高妍，李昕宇.果園噴藥競(jìng)賽機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].2019， 16（16）：55-57.

[8]劉旭東.PID 控制策略在輪式機(jī)器人電子競(jìng)賽中的應(yīng)用[J].2014（9）：131-132.

第一作者簡(jiǎn)介：羅家寧（2000-），女，山西忻州人，大學(xué)本科，研究領(lǐng)域?yàn)閷Ｓ脵C(jī)械與設(shè)備、農(nóng)業(yè)機(jī)械化。

※通訊作者簡(jiǎn)介：史穎剛（1976-），男，山西隰縣人，副教授，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)、農(nóng)業(yè)電氣化。?? （編輯：刁少華）