基于STM32的光電搬運機器人設計與試驗

趙嘉豪，葉梁杰，羅心韻，周子陽，王化明，索玉福

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

機器人自動化技術是當今自動化時代的一個標志[1]。在物流倉儲行業，搬運機器人的應用改變了人工分揀儲存的局面，大大提高了貨物倉儲的效率和速度。在眾多的工業機器人中，搬運機器人無疑是應用率最高的機器人之一[2]。搬運機器人運用于企業生產，不僅能提高效率，實現物流的集成化和自動化，而且把人從危險、頑劣、繁重的工作環境下解脫出來，顯現極大的優越性[3]。而基于ARM Cortex架構的STM32單片機融高性能、實時性、數字信號處理、低功耗、低電壓于一身，處理速度快，片上資源豐富，同時保持了高集成度和開發簡易的特點。

本文設計的光電式物料搬運機器人面向中國機器人大賽自動分揀項目場地及物料：場地由白底黑線構成，物料為5種不同顏色，且直徑及高度均為40 mm的中空圓柱形。該機器人采用STM32f407ZGT6作為主控器，采用灰度傳感器對路徑進行識別，利用顏色傳感器及激光對射傳感器完成對目標顏色及位置正確與否的判斷。創新性地采用線驅動式二自由度吊臂機械爪及環形物料存儲區，極大地提高了物料的搬運效率。能一次性攜帶多個物料的設計，方便了路徑規劃，為任務的完成節省出了大量時間。

1 總體設計

本文設計的光電搬運機器人整體裝配圖及總體設計框圖如圖1-圖2所示。

圖1 光電搬運機器人整體裝配圖

圖2 總體設計框圖

該光電搬運機器人設計主要分為機械及控制兩個部分。在開始工作前，機器人停留在出發區，當開始指令下達后，機器人按預定路徑規劃行進至物料存儲區，抓取物料并存儲至自身環形存儲區處，并按預定順序將物料放置在對應區域，完成比賽并記錄總時間。

2 機械結構設計

整個機械結構分為線驅動式吊臂機械爪、大容量回轉式物料存儲區及高速移動底盤。

2.1 吊臂機械爪設計

二自由度線驅動式吊臂機械爪結構如圖3所示。二自由度機械臂的應用使得物料抓取系統擁有極高的效率和可靠性。由于所需搬運物料為中空圓柱，利用這個特征，未選擇常規式從物料外部剪式抓取策略，而選擇采用從中間卡抓物料并垂直升降運輸策略。直接使抓取結構從常規的三自由度或更多精簡至二自由度，大大降低了編程難度并提升了抓取效率。

圖3 吊臂機械爪

根據工作空間的要求，參考實際競賽需求，確定吊臂機械爪的結構參數如表1所示。

表1 吊臂機械爪的結構參數 單位:mm

2.2 物料存儲設計

大容量回轉式物料存儲區如圖4所示。由5個周向環布的中空圓柱體組成，共能同時容納10枚物料，減少了機器人在物料堆放點和目標點往返次數，節約時間。

圖4 回轉式物料存儲區

用于抓取并儲存物料的二自由度機械臂及大容量儲存機構是機器人的核心部分。其結構較為簡單、堅固、性能好，允許其以很高的速度運行；直接夾持物料的夾持頭使用一根尼龍線進行牽引動作，對動力源的尺寸要求低，也方便夾持頭本體的外形優化以獲得更好的精確性，同時輔以可以一次性容納10枚物料的大容量回轉式物料儲存區，極大地節約了時間。

2.3 底盤設計

由于場地平整、簡潔，無需使用性能全面但體積較大的麥輪或全向輪，故而采用了常見的二輪差速轉向模式。為了使結構簡單和控制方便，兩個驅動單元選擇同樣型號的電動機，每臺電動機功率均為26 W，總功率為52 W，以解決車身左右受力不均的現象。常見的驅動電動機有直流電動機、交流異步電動機、永磁同步電動機和開關磁阻電動機等多種類型，本文選用直流無刷輪轂電動機。所謂輪轂電動機，就是將直流電動機直接安裝在驅動車輪(輪轂)里邊，有內轉子和外轉子兩種主要結構形式，內轉子結構需選用高速電動機并安裝減速裝置以降低車速，外轉子結構為直接驅動式，其省略了傳動裝置，節省了車身空間。

如圖5所示，底盤前部有一個很大的 V型缺口，可以將物料很好地引導定位，底板融合物料定位功能，使常規機械爪所需自由度減少，大大簡化了抓取流程，并加之物料整理爪，使物料能以最優角度置入卡槽，使之更易于被抓取。

圖5 光電搬運機器人底盤示意圖

3 控制系統設計

3.1 硬件設計

1)主控選擇

搬運機器人需具有豐富的模塊，對實時計算能力也有很高的要求[4]，這使得所使用的主控芯片需要具有較多的引腳接口以及性能較高的CPU。同時考慮到運算速度及對單片機多線程處理能力的要求，選用STM32f407ZGT6單片機為主控單元(圖6)。

圖6 STM32f407ZGT6原理圖

2)電機及驅動選擇

機器人所采用電機主要應用于機器人的移動及吊臂機械爪部分。對于底盤電機，由于機器人需要高速、高精度地移動，故對電機的轉速及轉速比有一定要求，且需加入PID閉環控制使移動準確，故選用帶光電編碼器的直流減速電機作為底盤電機。

吊臂機械爪采用直線驅動電機及云臺電機。對于直線驅動電機，由于對精度要求不高，故選用減速比 10 的減速電機即可。對于云臺電機，由于物料存儲區設置為回轉結構，故對單次轉動角度精度有極高要求，選用大疆GM6020直流無刷電機以滿足高精度需求。

驅動模塊利用芯片自帶的PWM輸出和定時器、計數器，并輔以A4950驅動模塊精確地控制機器人上的減速電機，電機驅動電路如圖7 所示。

圖7 A4950電機驅動原理圖

3)傳感器選擇

傳感器是機器人感知外界的重要組成部分，其性能的好壞決定了物料搬運機器人與外界進行人機交互的程度和功能的實現與否[5]。

根據大賽規則，小車可借助圖樣上的黑色軌跡進行移動定位。采用12個SEN0147灰度傳感器進行路徑循跡。前后各4個靠近車身中軸線的傳感器負責引導小車進行前進、后退；位于主動輪軸下的兩個以及側前方的兩個傳感器共同負責機器人在地圖中的定位。

同時機器人有兩個專門負責監控物料的傳感器，均位于底盤V形缺口頂點處。一個自制的激光對射傳感器通過物料對激光束的遮擋來檢測物料是否已處于正確的、可以供二自由度機械臂直接抓取的位置；一個TCS3200顏色傳感器用于檢測進入抓取位置物料的顏色，提供分類依據。

3.2 算法設計

在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱 PID調節[7]。

由于機器人主要動力部分均為直流編碼電機，PID 控制是不可或缺的。在有精確性需求的底盤電機及云臺電機上加入了PID算法，以得到更好的控制效果。但由于 PID 控制存在的一些缺點，后期會采用新的擬合算法來進一步提高控制效果。

1)循跡算法設計

硬件上采用的二輪差速轉向設計使得算法上僅需要控制兩個電機的轉速便可完成循跡任務。

底盤上的兩個驅動電機均以速度為控制對象，使用了PID算法進行速度控制。

任務執行中，為追求高效率完成任務需要沿圓弧進行運動。在算法中，針對圓弧運動進行了特殊設計。圓弧半徑已知且為常值，所以通過計算可以得出內外兩側電機轉速。公式如下：

(1)

(2)

式中：VN為內側電機理論轉速；VW為外側電機理論轉速；VX為機器人質心于軌跡線上移動的理論速度；R為路徑圓弧半徑；W為車身寬度(兩驅動輪間距)。

計算得出電機理論轉速后由PID控制進行速度控制，并根據底盤下的灰度傳感器返回數據進行修正。除此之外在圓弧部分運動時對兩側電機轉速比例要求較高，為此特設計了轉速比例同步算法。其目的是使得內外圈電機轉速比例趨于恒值，以此達到好的圓弧運動軌跡。

2)吊臂電機控制算法設計

吊臂在運行過程中需要較高的位置精度和盡可能快的運行速度，對此吊臂的算法設計中使用了位置加速度的雙重PID控制。

由位置環PID輸出理論吊臂運行速度并傳遞至速度環PID，速度環PID接收并計算后發出電機控制信號。

4 試驗與結果分析

抓取與放置物料的精準度及速度是保證搬運效率的關鍵。為保證抓取物料時的效率及穩定性，對機器人核心設計即二自由度線驅動式吊臂上直線驅動電機的PID參數進行了試驗整定。

試驗用參數如表2所示，實驗結果如圖8、圖9所示。

表2 試驗用PID參數

圖8 夾持爪末端位移變化曲線

圖9 夾持爪末端速度變化曲線

由Matlab對試驗數據進行處理分析，控制位置環和速度環的比例、微分參數后對比的位移曲線如圖8所示，速度變化曲線如圖9所示。

通過對比可以得出，第1組參數即當位置環和速度環均采用純比例調節的時候。系統出現超調問題比較嚴重。速度波動較大，故第1組參數不宜采用。

觀察后面3組的數據可以得出第2組參數即位置環采用比例控制，速度環采用比例微分控制時，相對有較好的效果。所得到的位移閉環控制系統的輸出曲線最為平滑，平衡位置處波動較小，能夠迅速歸于平衡態。速度閉環控制系統的輸出曲線震蕩更小，速度波動小，且位置超調現象減小，控制效果更加穩定。

綜合看，第2組參數性能最佳，但同時也有響應速度相對較慢的問題。但由于整體時間相差不大，故可采用第2組參數，即此吊臂系統設計位置環采用單獨的比例調節，速度環采用比例-微分調節控制效果最佳。

5 結語

本文針對機器人面向實際應用場景進行了設計、制造與試驗。采用STM32f407單片機做主控制器，創新性地以線驅動式二自由度吊臂作為物料抓取機構，輔以帶有物料定位功能的底盤、環形物料存儲區得以高效率地搬運物料。所設計機器人在比賽規定時間內快速完成復雜的搬運不同顏色物料的任務，并以“1′20″”的成績打破了“中國機器人大賽——光電車型搬運賽”的原有記錄。