一種用于參加大學生競賽的碼垛搬運起重機器人

陳潤林 郭蓉 翟俊杰 何啟華 姜超 張悅

（1.沈陽工業大學機械工程學院 遼寧沈陽 110870；2.沈陽工業大學電氣工程學院 遼寧沈陽 110870）

2021年3月，中國高等教育學會高校競賽評估與管理體系研究工作組發布了2020 全國普通高校大學生競賽排行榜。本輪大學生競賽排行榜根據獲獎貢獻、組織貢獻和研究貢獻3個方面相關數據進行排行，總計有57 項競賽項目列入排行榜。中國大學生起重機創意大賽是其中之一，通過設計機械結構、控制系統、編程等實踐，提高大學生科技創新能力［1-2］。

設計的起重機器人旨在參加第六屆中國大學生起重機創意大賽，基于機器視覺，識別特定圖形的形狀和顏色的算法、激光傳感器定位、雙平行四邊形機械臂設計并實現了能夠完成比賽要求的起重機器人［3-8］。

1 機械結構

起重機器人的整體建模如圖1所示。該機器人的底板正上方設有用于控制機器人機械臂旋轉的舵機DS3230，舵機DS3230 的正上方設有上頂板，舵機DS3230通過舵盤連接有小齒輪，小齒輪的外周嚙合有齒圈，齒圈與其上方的內圈絲孔外沉頭孔軸承XRU8022XUUCC0P5的內圈及內圈絲孔外沉頭孔軸承上方的機械臂底座通過螺栓連接，內圈絲孔外沉頭孔軸承的外圈與其下方的上頂板通過螺栓連接。機械臂大臂一端的兩側分別連接兩個舵機DS516，機械臂大臂的另一端連接機械臂小臂的一端，機械臂小臂的另一端通過機械爪座連接舵機DS3120，舵機DS3120 通過舵盤和與機械爪的爪根連接的舵機DS3120連接，起重機器人的實物如圖2所示。

圖1 起重機器人的整體建模圖

圖2 起重機器人的實物圖

2 控制部分

主控板采用RoboMaster 開發板C 型，主控芯片為STM32F427IIH6?？刂撇糠植捎肧TM32 單片機控制3個電機驅動底盤運動和5個舵機驅動機械臂運動［9-10］。電機采用RoboMaster M2006，搭配相應的C610 電調，其具有額定轉矩大、減速比小、相對轉速高的優點，采用CAN 總線控制。視覺部分由OpenMv 模塊提供，其是ov 攝像頭與STM32H7 的結合，與主板進行串口通信。因為其較高的開源性、封裝性，OpenMV模塊極其適用于視覺識別要求不高、環境較為固定的識別場合。OpenMV 模塊在本設計中完美地承擔了視覺任務，簡單、體積小、開源、準確性高是簡單視覺識別的不二選擇。使用時，RoboMaster 開發板C 型和RoboMaster 電調中心板兩對、兩個舵機DS3120、兩個舵機DS5160、1個舵機DS3230、3個電機M2006全自動控制。

2.1 底盤的控制

底盤運動由3個全向輪［8］控制底盤運動。其物理建模過程如下。假設輪子無打滑，建立如圖3所示的底盤坐標系和世界坐標系。

圖3 底盤坐標系和世界坐標系

圖3中，θ為機器人坐標系與世界坐標系之間的夾角；Φ為全向輪之間的夾角，本設計方案中Φ=120°；L為機器人中心到輪子理論中心的距離：

2.2 機械臂的控制

機械臂部分采用雙平行四邊形機械臂控制模型，其采用5 個舵機進行驅動。機械臂控制分析如圖4所示。

圖4 機械臂控制分析圖

本設計中，由于需要搬運物體位置一定，只需進行運動學反解即可做到抓取控制，經過運動學反解可得到：

由于其具有末端執行器始終平行于地面的優點，其經常用于碼垛機器人，其靈活度較高且因為雙平行四邊形的優點前臂和大臂的驅動舵機均在機械臂的底座上且不產生運動干涉，大大減少了機械臂的傾覆力矩，且雙平行四邊形機構承載能力較平常機械臂大，但因為其復雜的邏輯控制精度相對較低且穩定性較低，數字舵機的驅動使其不適合于重載高速的運動場合。

2.3 車體及機械臂運動軌跡規劃

在車輪與地面無相對滑動時，車體的運動位置精度可由編碼器采集車輪所轉圈數而得，但車體在場地的絕對位置無法得知，且無法保證車輪與地面無相對滑動。本設計中，采用3 個摩天L1保證車體位置。摩天激光采用串口信號與單片機進行通訊，可獲得激光發射器與障礙物（物體表面不包含鏡面反射）之間的距離。而本設計中，由兩組平行、一組垂直激光、垂直激光與兩組平行激光正交來獲得車體在場地中的位置，以及保證車體在場地中運動軌跡，且由激光可以減少車輪打滑帶來的累計誤差對行動的影響。由兩組平行激光作為車體運動的y軸，垂直激光作為車體運動的x軸，通過兩組平行激光對某一障礙物的距離比較，可判斷車體的運動學y軸某一瞬間和場地y軸的角度關系，由平行激光和垂直激光，可確定車體在某一瞬間的移動位置，由角度和距離，可得車體在場地平面的絕對位置，以達到運動軌跡的控制。

激光的本身精度高，其量程為40m，在量程距離的測距精度可達到1mm，且測距激光的成本低，3個激光的成本遠低于激光雷達等位置傳感器，且滿足本設計運用場合的精度需要，較其他位置傳感器而言，測距激光的運用簡單，精度不弱，適合本設計所運用場合。

但由于車體本身具有慣性，以及通信時間的考慮，具體車體運動精度在保證車體運動效率及流暢的情況下，低速運動狀態下（運動速度小于0.3m/s）車體運動精度可達到厘米級；高速運動狀態下（運動速度大于0.3m/s）車體的運動精度可達到3～5cm，不追求運動效率的情況下精度可達3mm以下。而本車適合承擔比賽場地、小場地的搬運任務，速度條件及精度條件完全適合。

由于機械臂需要知道自己的抓取方向及抓取位置，而機械臂的關節精度由數字舵機本身的精度決定，所以機械臂的抓取絕對精度則取決于機械臂相對于車體的位置關系精度，其由15 位多圈絕對式編碼器可知。15位編碼器可記錄刻度為215，其可通過CAN總線發布相關命令設置編碼器的零點和中點（即214）所在。多圈記憶使其具有掉電記憶能力，不需在此方面做額外供電，以保證電路安全。此編碼器具備掉電記憶功能，所以其可記錄某一時刻機械臂關于車體的旋轉精度，其可接受CAN 總線、RS485 等信號的通信，有體積小、重量輕、占用資源少、功耗低等優點，其線性度為1‰，即0.01°，將編碼器機械中點設置為與車體y軸同方向，即可保證機器人可得知自己的抓取方向和位置而做出相應的調整。

在使用絕對式編碼器時，機械臂的旋轉速度不易過大，否則易導致編碼及記錄不準，但本設計由于力臂過長，機械臂的旋轉速度本就不易過大，所以使用絕對式編碼器十分適合本設計，且經濟實惠，精度高。

在車體運動及抓取過程中，存在著對位置進行調整的過程車體的發車位置調整，由于通信頻率和激光測距的精度，存在調整死區。車體的調整移動速度不宜過快，否則存在搖擺、超限等問題。而且雖然兩平行激光距離較近，但由于車體本身結構所限，兩激光中間仍有距離。若兩激光中間存在物體，則會對車體的位置調整產生誤差，導致一定概率下車體難以調整到所需要的狀態，所以車體的調整需要多次進行。雖然降低了車體的移動效率，但是對車體的精度，完成任務的問題性具有較大的改善，且車輛起步應緩慢加速而不應過高的起步速度導致車輪丟裝或裝載物體慣性過大，導致影響車體的運動精度和機械臂的抓取精度。

機械臂則存在對準過程，如果使用絕對式編碼器對機械臂的旋轉進行控制，則會導致機械臂旋轉存在超限和死區，而將控制旋轉精度分為利用電機編碼器快速控制和用絕對式編碼器進行慢速校準兩個過程，則能解決上述問題，且有良好的控制精度。再將車體及機械臂校準同時進行配合校準，使整體任務精度進一步提高，完成車體任務精度的控制。至此，完成本設計對于場地抓取任務、搬運任務的控制要求及精度要求。

3 結語

本文首先對起重機器人的機械結構進行設計，然后對機器人底盤和機械臂的控制方案進行了分析。本機器人能很好地完成第六屆中國大學生起重機創意大賽的比賽任務，能夠一次性搬運并堆碼6 個相同的特侖蘇牛奶箱，提高了搬運和堆碼的效率，實用性較好；機械臂采用雙平行四邊形的結構，保證機械爪的軸線始終垂直于地面，保證了抓取的穩定性。