基于stm32的物流機(jī)器人設(shè)計(jì)

王洪璽

（山東省淄博第四中學(xué)，山東淄博，255100）

0 引言

近幾年來，國內(nèi)物流機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的高速增長從根本上提升了物流體系的運(yùn)行效率，對中國制造業(yè)帶來深遠(yuǎn)影響。隨著物流行業(yè)的日益發(fā)展，物流搬運(yùn)市場對物流運(yùn)力的要求也日益增加，如果僅僅依靠人力來搬運(yùn)貨物，不僅工作效率低，而且人力成本大大增加，因此人力運(yùn)貨已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場的需求[1]。鑒于這樣一種現(xiàn)狀，本人在參加了Robomaster2018機(jī)器人夏令營的過程中，作為小組的嵌入式成員，對小組設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行延伸，從而設(shè)計(jì)得到一種集抓取、暫存、運(yùn)輸物資等多功能于一體的物流機(jī)器人，這款物流機(jī)器人在提升搬運(yùn)物資效率方面能夠發(fā)揮較大的作用。

1 系統(tǒng)概述

本文設(shè)計(jì)出一種車體靈巧、操作便捷、人機(jī)交互優(yōu)越的智能物流機(jī)器人。本機(jī)器人采用STM32F427芯片作為主芯片，以滿足多功能任務(wù)處理。機(jī)器人外接碰撞傳感器和陀螺儀，可增加紅外測距傳感器以擴(kuò)展自動對位功能，用來抓取、暫存、運(yùn)輸物資。相機(jī)圖傳模塊發(fā)送端的前視相機(jī)模組采集機(jī)器人前方1080P@60hz的圖像，采集到的圖像實(shí)時(shí)傳送到相機(jī)圖傳模塊接收端。通過HDMI可接入顯示器，顯示器可以顯示實(shí)時(shí)圖像，亦可通過視頻采集卡接入到計(jì)算機(jī)。機(jī)器人由車體、人機(jī)交互、感受系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成。操作人員通過人機(jī)互動界面，來根據(jù)現(xiàn)場情況做出相應(yīng)的操作。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 底盤設(shè)計(jì)

在實(shí)際物流物資運(yùn)送的過程中，需要對物流機(jī)器人下達(dá)多項(xiàng)指令，并完成多個(gè)動作。因此，物流機(jī)器人的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮應(yīng)滿足在平整路面靈活運(yùn)動。綜合以上所有技術(shù)要求，本設(shè)計(jì)車體底盤優(yōu)選麥克納姆輪全向移動平臺。

麥克納姆輪采用的是全方位移動方式，它是基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個(gè)機(jī)輪法向力上面。 依靠各自機(jī)輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個(gè)合力矢量從而保證了這個(gè)平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動，而不改變機(jī)輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時(shí)，各個(gè)小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動。

麥克納姆輪與普通輪子之前的區(qū)別主要在于：其圓周上分布有若干與輪子軸線呈45°夾角的輥?zhàn)樱谵D(zhuǎn)動過程中棍子可以一直與地面保持接觸。這些輥?zhàn)涌梢元?dú)立自由轉(zhuǎn)動，這樣一來，輪子只受地面對輥?zhàn)酉蛏系牧Γ佔(zhàn)优c輪子軸線呈45°夾角，因此輪子與地面的接觸力便不再是沿輪子的方向，而是與之呈45°角。由四個(gè)麥克納姆輪便可以組成不同的受力情況，從而使平臺可以實(shí)現(xiàn)平面上前后左右平移、原地旋轉(zhuǎn)三個(gè)自由度的移動[2]。

2.2 抓取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者團(tuán)隊(duì)對基于stm32的物流機(jī)器人進(jìn)行了精心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后得到基于stm32的物流機(jī)器人實(shí)拍圖如圖1所示。

2.2.1 抓取結(jié)構(gòu)

抓取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為：小機(jī)械臂夾取物塊兩個(gè)短邊后上升，大機(jī)械臂夾住物塊兩個(gè)長邊上升的物塊并且小機(jī)械臂松開，然后小機(jī)械臂進(jìn)行第二塊物塊夾取并重復(fù)上述動作。優(yōu)點(diǎn)：簡單方便，容易操作，可以儲存多個(gè)物塊。

圖1 基于stm32的物流機(jī)器人實(shí)拍圖

圖2 小機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，小機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是 可以使用氣壓或電機(jī)驅(qū)動，能夠平行夾取物品，運(yùn)行比較穩(wěn)定，效率也較高。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，大機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的的優(yōu)點(diǎn)是可以使用氣壓或電機(jī)驅(qū)動，能夠平行夾取物品，運(yùn)行比較穩(wěn)定，效率也較高。其缺點(diǎn)是存塊達(dá)到一定數(shù)量時(shí)會因?yàn)槟Σ亮Σ粔蚨禄?/p>

2.2.2 升降結(jié)構(gòu)

機(jī)器人采用絲桿升降的方式，絲杠升降有無背性，高剛性，高耐受性，傳動效率高等等優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)榻z桿的不易固定和3508減速比的原因，使絲桿的特性沒法完全表現(xiàn)出來。如圖4所示。

圖3 大機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖

圖4 升降結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人以STM32F427芯片為核心的控制板來實(shí)現(xiàn)功能。機(jī)器人主要由控制板、傳感器、圖傳模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等組成。其主要任務(wù)是：通過遙控器接收端讀取操作信號，通過速度式pid計(jì)算出電流，并通過can總線發(fā)送到到底盤電機(jī)電調(diào)。大小機(jī)械臂可由氣壓驅(qū)動，也可改裝為電機(jī)或舵機(jī)驅(qū)動。控制小機(jī)械臂升降的絲桿由頂部3508電機(jī)驅(qū)動，通過速度位置雙環(huán)pid實(shí)現(xiàn)精確控制。讀取各個(gè)傳感器數(shù)值并將其傳送回操作端。傳感器能夠測得車體傾角、前后障礙距離等。升降機(jī)械臂具有緊急剎車能力，為了防止操作小機(jī)械臂升降時(shí)過度操作導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞，在小機(jī)械臂合理的升降范圍的上下邊界各放置一個(gè)碰撞傳感器，以實(shí)現(xiàn)限位。

4 抓取任務(wù)流程

機(jī)器人抓取線程如圖5所示，先進(jìn)行初始化。初始化完成后進(jìn)入循環(huán)，周期延時(shí)為5ms。

通過與副板通信實(shí)現(xiàn)對相機(jī)俯仰的控制，控制電機(jī)驅(qū)動絲桿從而控制小機(jī)械臂的升降。在小 機(jī)械臂運(yùn)行到底部或頂部時(shí)，先停止升降以保護(hù)結(jié)構(gòu)，后通過判斷大小機(jī)械臂的狀態(tài)，自動判斷夾取、放置、呈遞或交接物資。具體判斷方法是：通過一個(gè)兩元素?cái)?shù)組分別存儲大小機(jī)械臂中的物資數(shù)量，在每一次機(jī)械臂操作時(shí)（包括自動操作和應(yīng)急操作）更新數(shù)組中對應(yīng)元素?cái)?shù)值。接下來，處理可能出現(xiàn)的應(yīng)急處理命令，最后以長為5ms的延時(shí)結(jié)束本次循環(huán)。

圖5 機(jī)器人抓取線程

5 小結(jié)

筆者基于STM32F427單片機(jī)及麥克納姆輪全向移動平臺的集抓取、暫存、運(yùn)輸物資等多功能于一體的物流機(jī)器人，其主特點(diǎn)是:可實(shí)現(xiàn)多功能任務(wù)同時(shí)處理、使用便捷、工作效率高。對于物流機(jī)器人的設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。相信在不久的將來，筆者可以研發(fā)一款智能物流機(jī)器人，通過攝像頭、激光雷達(dá)等硬件支持，通過導(dǎo)航算法，構(gòu)建機(jī)器人周圍環(huán)境的三維地圖，使機(jī)器人布置路徑更加靈活，調(diào)試更加容易。