自动分拣机械臂智能移动机器人的设计研究

廖文龙 吴汉斌 熊鑫

【摘 要】时代的今天，智能科技产业飞速发展，我国已进入工业4.0的时代。智能制造已经成为生产制造业的发展方向，其核心是工业机器人。在工业生产中应用机器人可以提高产品的运输效率和降低工人的劳动强度。为工业机器人配备视觉引导系统可以大大提高机器人对外部世界的感知和识别处理能力，对实现工业的智能化具有十分重要的意义。本文以智能机器人为主题，给机器人加以机器视觉辅助，设计出可智能移动自动分拣依靠机械手臂搬运货物的机器人。

【关键词】移动机器人；机械臂；工业智能；机器视觉

一、研究目标

我国目前传统产业转型升级压力大，劳务成本开销大。为了减轻这种情况，通过研究具有良好经济效益的、制作成本低的机器人来代替一部分劳动者，减轻企业负担和降低工人劳动强度。本次研究基于图像处理的自动分拣机械臂，目标就是通过辅助配置OpenCv开源视觉库设计一个图像识别的机械臂，构建完整的一个机械臂自动分拣系统。使之可以在主控芯片和核心操控下，运用机械臂搬货货物到指定的地点，完成工作任务。

二、研究的主要内容

自动分拣智能移动机器人主要依靠机械臂进行分拣、搬运货物并送达到指定的位置。为实现这一完整功能，我们要学习研究的目标主要有学习机器人的控制、机器人对于机械臂的智能控制、图像识别与处理技术以及图像识别将信号传送至机器人进而控制机械臂的联动控制技术，联动控制部分目前准备采用嵌入式的方法处理。那么其主要内容可以分为以下4点：

（1）研究了解机械臂的机械特性，主要的关节连接及其工作方式，控制舵机及位置传感器的安装。

（2）机械臂的数学建模及控制程序的设计，研究机械臂的空间立体坐标到二维平面的转换算法及建模，通过程序设计实现机械臂的闭环控制。

（3）基于视觉的图像识别与抓取，究图像识别技术及常用的相关算法，机械臂能识别不同的物品并将不同的物品搬运到指定的位置。

（4）基于嵌入式平台对机械臂的联动控制系统进行试验、分析和研究。

三、国内外现状的调查研究

近些年来，智能工业机器人一直是科学家的研究重点和热点，将工业机器人与机械、电子、机器视觉、计算机、仿生物学、传感器和通信网络等多个学科领域相结合，使工业机器人的智能化程度更高，功能也更加丰富和强大，能更加灵活的完成复杂、多变的任务。同时，还要将多个工业机器人共同协动去完成特定的工作任务。此外，工业机器人还有可能向医疗器械等更加精密的方向发展，这就对工业机器人有了更高的要求。

智能分拣机器人的技术还体现在物流运输上。仓储物流机器人，以Amazon为代表的电商巨头功不可没。由于业务量的增长，用户对物流发货的速度要求更高，用机器人可以帮助电商巨头们减少订单处理的时间。此外，Amazon在2012年收购了Kiva Systems后已经在其全美的仓库中部署了1.5万台的机器人，每年节约成本将近10亿美元，这一示范效应也推动了近期仓储物流机器人的走高。中国对于智能机器人的发展也不甘落后，目前国内大的电商和快递公司都进行了智能分拣机器人的设计研究，如2017年初亮相山东临沂的申通快递机器人，如图1所示。

在国内外良好的研究土壤下，本项目团队也对智能分拣机器人进行了设计研究。

四、系统的整体设计

本设计主要从三个方向展开，机械臂机械框架的搭建、机械臂控制算法的建模与实现、基于视觉的图像识别与抓取技术。以STM32F103系列的32位单片机做为主控芯片，它具有强大的定时器，可以完成对机械臂的控制，具体的是用产生控制机械臂的PWM信号。该系列单片机目前最新型号的管脚数量已经达到144Pin，所以用来控制机械臂的相关伺服电机及传感器信号的采集绰绰有余。

在整个设计中，机械臂是一个一个执行机构，也是机械设计要求比较高的设计环节。机器臂具有两个部分：控制部分和直接进行工作的部分，控制系统通过编程，决定直接工作的機器臂部分。由于采用程序控制，所以很容易根据需要改变其工作方式和任务。设计的机械臂需要有一定的负重功能和抗损耗特性，在确保这些要求的前提下应尽量简化机械臂的结构复杂性。本项目机械臂主要由手部、手臂、立柱、机座几部分组成，因此机械结构设计较为复杂。本系统拟用的机械臂是一个四自由度机械臂，并在机械末端的机械手爪处安装压力传感器，用于检测机械臂用于抓取的物品的力度，从而感知物品是否已经抓稳。

在控制机械臂的运行轨迹方面，我们也做了一系列的优化设计。对关节轨迹的执行时间进行归一化处理，并在此基础上提出一种五阶关节运动轨迹插值算法，充分满足轨迹给定的约束条件，保证关节位置轨迹、速度轨迹和加速度轨迹的连续性。通过理论分析和仿真验证了关节轨迹的时间起点和执行时间对关节运动轨迹曲线的影响。在此基础上，以避免超调量、能耗最小、轨迹最平滑等指标作为优化目标，计算关节轨迹执行时间的最优解集。该方法保证了机械臂的运行效率和机械精度。机械臂的设计结构如图2所示。

五、实验与论证

我们以在棋盘上散落的棋子为例进行了实验验证。棋盘上的棋子包括象棋、五子棋和中国军旗，设定了三个不同的存放仓库。记录机器人分拣搬运棋子数量、速度和精度。本实验中共放置棋子30枚，其中各种棋子各10枚。结果显示，机器人的机械臂运转良好，抓取精度高，速度快，30枚棋子全部分拣无误并放置到各自设定的仓库中，所以时间为37分钟，符合设计原先预想的结果，证明了该机器人设计的行之有效和机器人机械臂的优化算法的有效性、可靠性。

六、总结

在本设计中，机械臂作为机器人的核心部件，其运行的速度和准确性直接决定了设计质量的好坏，对机器人机械臂的核心控制依赖于STM32F103系列的芯片，实现了对机器人机械臂的智能控制。未来的设计思路不但要对机械臂的结构做出更加合理优化的设计，还应考虑阵列机器人的分工合作的高效性。