貨物抓取機器人設計

陳德麟 韓沛宇

摘 ? 要：隨著我國物流行業的快速發展，貨物的流動性以及流量的大量增加都為倉儲行業帶來了巨大的挑戰。而貨物抓取機器人可以有效地利用工作環境的空間，改善貨物的搬運能力，有效地節約貨物裝卸搬運需要的作業時間。在文中從系統實現功能以及系統方案這兩個方面對貨物抓取機器人設計進行介紹，并分析了該貨物抓取機器人的特色，為貨物抓取機器人的設計提供借鑒。

關鍵詞：貨物抓取 ?STM32單片機 ?機械臂 ?PWM控制 ?數據傳輸模塊

中圖分類號：G64 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0081-02

1 ?立題意義

我國物流行業規模不斷擴大，貨物的流動性和流量的增加對現代倉儲行業提出了更高的要求。為實現高效率的貨品出入庫管理，越來越多的機器人設備開始應用于倉儲管理中[1]。

根據上述分析的機器人發展前景及物流行業未來發展方向，本文提出的設計一種具有手持終端控制和自動控制兩種控制方式的貨物抓取機器人具有很強的研究價值和實際意義。

2 ?研究內容

本項目設計一款貨物抓取機器人。該貨物抓取機器人設置成手持終端控制和自動控制兩種模式。該機器人以金屬底盤搭配四對負重輪作為運輸工具，采用外置高增益天線，能夠更好地接收到信號;能夠實時視頻WiFi控制，實現第一人稱視角及控制;使用調速系統，可以更好掌控小車速度;安裝的四自由度機械臂實現對目標貨物的精準抓取。

系統最終實現的主要功能如下：

（1）實時視頻WiFi控制功能，通過手機，電腦等通過WiFi連接機器人，在屏幕上實時觀看畫面以第一人稱視角控制機器人，以此來實現手持終端控制;

（2）路徑規劃功能，通過在電腦或手機上描繪路徑，機器人可以按照規劃好的路徑行進，以此來實現機器人的自動控制;

（3）機械臂抓取貨物功能，采用四自由度機械臂，模擬人體手臂設計，舵機有防卡死功能，與控制軟件界面同步控制，自由度多，具有很大的靈活性，控制起來更加方便;

（4）躲避障礙功能，機器人同規劃路徑運動時，通過傳感器采集信息并反饋給主控制板，主控制板發出信息使機器人避開障礙;

（5）云臺控制攝像頭功能，通過手機觸屏，可靈活地控制二自由度云臺上下左右帶動攝像頭轉動，可以更方便地觀察目標。

3 ?貨物抓取機器人系統實現方案

3.1 貨物抓取機器人系統硬件總體方案設計

貨物抓取機器人系統系統主要由STM32主控板、電源、電機驅動模塊、Robot-Eyes攝像頭、WiFi視頻數據傳輸模塊、二自由度視頻云臺和四自由度機械臂、金屬底盤組成。

STM32單片機作為控制核心，根據接收到的各模塊的數據信息，發送相應控制指令。

WiFi視頻數據傳輸模塊是利用無線技術進行無線傳輸的一種模塊，主要由發射器，接收器和控制器組成。

二自由度云臺是一種安裝、固定攝像裝置的支撐設備，用于攝像裝置與支撐物的連接，主要用于需要進行運動圖像捕捉的場合或環境，是采集方式更方便直接，在需要搖擺和擺動的機構中，如機械臂也利用云臺來實現可接觸范圍的延伸和擴展。

四自由度機械臂主體結構有四個自由度，主要由旋轉關節組成，具有與人的肩、肘、腕相對應的關節，更加接近于人的手臂。四自由度機械臂是本設計方案的重要研究對象。機械臂運行軌跡追蹤控制技術主要包括自適應控制，滑模變結構控制，魯棒自適應控制和模糊自適應控制[3]和經典PWM控制五大類。由于四自由度機械臂采用仿人類手臂設計，靈活度高，所以本設計方案對機械臂采用PWM控制，這種控制方法的優點是控制精度高。

電機驅動模塊：采用8路舵機組成。

電源采用12V鋰電池組，對機器人進行供電。

3.2 貨物抓取機器人軟件總體方案設計

貨物抓取機器人軟件設計是按照模塊化的思想完成的，采用C語言編寫。設計內容包括基于STM32單片機控制系統的主程序，電機驅動子程序、四自由度機械臂控制子程序，WiFi通訊子程序、手持終端控制子程序。

STM32單片機在處理傳感器采集的信息后，通過串口通信送達調用舵機控制器中的動作指令，舵機控制器控制四自由度機械臂對貨物進行抓取。

擬通過三個層面來實現上述功能：

（1）底層電機驅動層，以STM32單片機實現對小車的驅動控制。該層主要設計電機驅動控制子程序和四自由度機械臂子程序。電機驅動控制子程序可以采用PWM算法實現對機器人底盤運動的控制。四自由度機械臂子程序中運用PWM控制算法，使用PWM調速方式對各關節電機進行驅動，采用外環位置環與內環速率環的雙閉環控制結構，對各關節的運動方向，角度等進行控制，以此來對機械臂進行整體控制，實現對貨物的抓取。

（2）中層數據傳輸層，借助路由器平臺傳輸控制命令以及視頻傳遞。傳輸層是完成對控制命令的傳輸，是連接機器人和手機的橋梁，同時也負責視頻畫面的采集和編碼。該層主要設計WiFi通訊子程序。通過這個子程序可以實現數據的傳輸功能。

（3）頂層終端控制層，通過手持終端實現對機器人的控制。采用eclipse編寫Android程序，程序共兩個Activity界面：設置界面和主程序界面。設置界面中設置服務器端IP，控制口號和視頻傳輸端口號[4]。主程序界面中有前進/后退按鈕，按鈕用于向路由器端發送TCP數據，通過數據傳輸以實現對機器人的控制。

4 ?項目特色

本文設計的貨物抓取機器人，集實時視頻WiFi控制、四自由靈活抓取貨物機械臂、二自由度云臺搭載攝像頭于一體，可以設置手持終端控制和自動控制兩種控制方式對貨物進行抓取。STM32單片機，是一種較為先進的單片機，不僅可以用寄存器進行編程，還可以使用官方提供的庫文件進行編程。實時視頻WiFi控制可以通過手機視頻實時了解機器人位置并對機器人進行控制;選用四自由度機械臂，模仿人類手臂結構抓取貨物更牢固;采用二自由度云臺搭載攝像頭，可以更靈活地控制攝像頭來采集信息;8路舵機控制器對機器人進行驅動，機器人運動更加靈活且動力更加強勁，采用PWM控制技術對電機進行控制可以大大節省能量，具有很強的穩定性。綜上所述，該貨物抓取機器人的成本低，性價比高，操作方便快捷，可以大大節省人力資源，降低人力成本，同時提高工作效率，對物流行業發展乃至社會經濟發展起到一定的推進作用。

參考文獻

[1] 劉麗軍.基于單目視覺的倉儲物流機器人定位方法探討[J].電子制作，2018（12）：63-64.

[2] 王晴.應用單片機進行多自由度機械臂控制系統設計[J].邢臺職業技術學院學報，2018，35（3）：64-66.

[3] 宦婧，周偉祝，趙媛.基于智能感應的多自由度機械臂系統的設計實現[J].計算機與數字工程，2018，46（2）：397-401.

[4] 楊勇.DIY基于路由器控制的wifi視頻小車[J].電子世界，2018（23）：143-144.