一種物料搬運自動跟隨機器人裝置的設計*

陳少華 陳逸凡 林木泉

(閩南理工學院,福建泉州 362700)

0 引言

近年來,快遞物流行業發展迅猛,像菜鳥驛站,熊貓快收,媽媽驛站等物流服務站點等不斷涌現。一般中小型的站點多以站點與便利店相結合的方式,店內人員少,勞動壓力大。而使用物料搬運自動跟隨機器人裝置搬運貨物,可大大減少人工工作量。該裝置在一定程度上能夠代替人工操作,減輕站點的勞動壓力和支出費用。并且相對于大型的、難以靈巧運動的機械來說,裝備了麥克納姆輪的跟隨機器人可實現多角度多方位的移動[1],解決了站點復雜狹小的空間搬運轉向不靈活的問題。

1 方案設計(如圖1)

圖1 總體方案設計圖Fig.1 Schematic design drawing

主控采用STM32F103C8T6芯片,價格實惠,內部外設豐富,能夠處理大量傳感器采集的數據。人機交互部分使用串口屏以及手機App,用戶可以通過液晶屏幕或者手機App按鍵設置小車的運行模式、麥克納姆輪的速度、以及手動控制小車的運行等。傳感器部分使用的是OPENMV攝像頭模塊與超聲波測距模塊同時進行識別,攝像頭識別顏色的同時,超聲波模塊檢測人體位置,將人機之間的距離通過串口回傳給單片機,單片機處理串口數據后控制小車運作。

為了數據傳輸的穩定同時也兼顧低成本,本裝置全部連接都采用有線連接,考慮到需要實際運載物品,將主控板和驅動板都集成在一個小空間內,將攝像頭等傳感器全部裝載在小車外圈,保證足夠的空間進行裝載貨物。ESP32模塊作為網關作用,將本裝置通過WIFI接入服務器后使用AP P 進行遠程控制。該裝置主要運行在自動模式下,自動模式下運載貨物后實現對人員的自動跟隨。若有需求可改成手動操作。

2 實現原理

該裝置由兩個超聲波傳感器、一個OPENMV攝像頭,綁定成為一個車外傳感器部分。有四個麥克納姆輪、四個編碼電機、電機驅動板,構成跟隨機器人的運動部分。通過有線連接至車內主控板。

自動跟隨的原理:假設被跟隨的人員身上穿著印刷著矩形紅色色塊的工作服。首先從OPENMV攝像頭獲取圖像,截取一幀圖片,先對圖片進行預處理,調整圖片大小,對于圖片進行腐蝕和閉操作濾波處理,去除圖片中的圖像干擾點[2],對于圖片進行顏色和形狀識別,先對圖像進行形狀輪廓識別,將獲取到的輪廓,提取出需要的輪廓獲取輪廓的頂點坐標及長和高,根據這個獲取中心點建立坐標系,根據坐標系調整車輛的位置。再將對應的輪廓框選測量其像素點數量,根據像素點數量推算出距離與像素點間的關系,判斷車與人的距離[3]。而顏色識別是為確保不會出現相同形狀物體進行誤導,先將之前獲取的輪廓從多顏色RGB格式轉換成黑白二值化HSV格式完成閾值分割,設置對應的lower與upper的閾值范圍lower/upper之間的為白色,其余黑色,完成進行顏色識別,確保跟隨的精確度不易被干擾。超聲波模塊實現機器人與障礙物的感知,采用了兩個超聲波接收模塊,分別放置在機器兩旁, 以此來分辨左右方向上的障礙物,防止左右兩側障礙物對于機器運行時產生影響。當超聲波接收部分接收到返回的超聲波時,根據返回超聲波的時間來確認障礙物的距離[4],以此來保證機器準確避障。通過結合OPENMV攝像頭與超聲波模塊的協調工作,能夠達到機器自動跟隨精準避障。

手機App控制原理:基于ESP32模塊,通過wifi無線連接blinker云平臺,使用云平臺上提供的各種控件,組合成手機小車遙控器,小車遙控器使用時,手機將通過網絡發送給云平臺,云平臺接受解析功能后,將向esp32物聯網模塊發送一串json數據[5],通過解析json數據,解析出字符串進行判斷按下的按鍵功能。將對應的功能碼發送給單片機處理。

3 系統測試

設備整體結構如圖2所示。四輪都是麥克納姆輪,超聲波模塊位于搬運小車兩側,OPENMV位于小車正中央。

圖2 小車實物圖Fig.2 Schematic drawing of robot

小車觸摸屏幕的顯示示內容包括小車的速度,以及當前的控制模式。同時也可以通過串口屏上的觸摸按鍵進行模式的調整,以及小車運行速度的控制。手機屏幕的顯示內容包括當前的速度、控制模式和方向控制以及速度控制。在手動模式下可以通過多按鍵進行精細操作,可通過滑條進行速度控制。

表1 是在自動模式下的測試情況:

表1 自動跟隨模式測試結果Tab.1 Test results of automatic following mode

測試結果可知在自動模式下,該裝置基本能夠實現自動跟隨功能,但成功率無法達到100%,主要問題在于麥克納姆輪可能出現打滑以及人運動時超聲波識別可能出現距離誤差。在手動模式下,可提高跟隨的成功率。

4 結語

本文對物料搬運自動跟隨機器人裝置的工作原理進行了闡述,提出了一種基于攝像頭和超聲波的自動跟隨方案,且通過實驗測試結果表明,該方案能夠在一定的誤差內實現機器人的自動跟隨功能。后期可以在目前的基礎上實現手機App設置歸位,以及在結構上進行改進。