全自动物料搬运机械手

施琦炜 史学强 班岚

摘要：本机器人采用了机器视觉与卷积神经网络的方案，完成了对自定义目标的识别定位，而机械臂算法实现了抓取，解决了传统传感器只能识别单一物体的难题;同时机器人具有动态路径规划功能，通过传感器对现实世界的感知来自主规划机器人的移动方向，机器人拥有自主设计的通信协议，可以通过无线方式对机器人下达命令;实验结果显示：机器人通过机器视觉与传感器的方案可以对周围环境进行感知，根据下达的任务来搜索、识别、定位、移动、抓取 。

关键词： 机器视觉;卷积神经网络;动态路径规划;无线通信;机械臂控制算法

1引言

在运输领域中，物料搬运机器人是目前使用最为广泛的机械设备。但现有的物料搬运车在识别、定位和抓取方面都存在一定的问题，本项目致力于研发一款小型的全自动智能物料搬运机械手，以电能为动力源，具有搬运效率高、操作简单、节省人力资源、减少环境污染等优点。能够根据接收的任务要求，对指定物料进行抓取、搬运、放置等操作。

2机械臂的抓取与放置角度控制

2.1手臂零点的标定

本机械臂使用OpenMV视觉识别，通过创建手臂的圆柱坐标对物料进行定位、抓取及放置。为了便于调试同时不缺失精度，手臂零点标定采用逆向示教的方法。首先使用机械手的夹持工件夹紧目标物料，通过调节机械臂的关节转角，使物料准确地到达目标抓取、放置位置，此时机械臂的工件坐标与目标位置的大地坐标相重合，此位置即为机械臂将要抓取、放置物料的最终位置。保持物料的位置不动，松开机械臂的夹持装置，操作机械臂的各关节，使其到达抓取、放置物料前的扫描位置，此时通过装在机械臂上的视觉镜头可以测出物料的中心点位于视觉模块中的二维坐标，通过调节参数，使得此时的位置标定为机械臂目标的（中心）零点。此零点的用途将用于机械臂识别到抓取物料的位置，当机械臂的视觉传感器识别到物料的位置与零点的位置重合或是相近时，说明此时坐标系三个参数中至少有一个参数达到预定值。

2.2物料的抓取

物料的抓取使用PID控制算法[1]。首先从OpenMV视觉传感器中获取到物料在视野中的二维坐标，将其与视觉传感器的零点坐标进做差比较，通过其差值的正负即可判断物料偏移的方向，其差值的大小即可用于PID控制的Proportional算法。使用Differential算法可以抑制其在目标位置左右震荡。当机械臂识别到的物料中心点位置接近于目标零点的一定范围之内后，当视觉传感器检测到的物料中心位置小于其允许的误差范围，即视为到达了目标位置，可进行下一步操作。

3视觉识别与控制

使用OpenMV拍摄图片时，将图像的RGB矩阵对物块颜色进行区分，区分后将图像的RGB矩阵进行灰度化。之后再对图像进行二值化，由于二值化过程受噪声影响较大，这里对二值化的图像使用了卷积算法[2]进行滤波 。

滤波后的图像特征明显，以图像左上角为原点，横轴为x轴建立二维坐标系，先逐行扫描每一个像素点，记录下来{突变值横坐标， 突变前的像素计数}，再使用相同方法进行逐列扫描，扫描完毕会有一个{突变值纵坐标，突变前的像素计数}的映射关系，无用值不作为参考依据。对剔除后的集合进加权平均处理会得出两个坐标，对这两个坐标进行运算即可得到一个中心坐标，这个中心坐标近似认为是圆的坐标。由于扫描圆环时镜头平面与圆环平面平行，可以认为图像中心加一个偏移参数就是圆环与机械臂抓的相对位置。

4移动与定位控制

本机械手移动控制和定位部分采用Arduino mega2560系列控制板

4.1电机移动控制

常规方向控制：由于mega2560驱动能力有限，采用类似于H桥驱动的方式来使用外接电源驱动电机，使用TB6112驱动模块，该模块只需要接入mega2560模拟端口输出PWM波即可对电机速度进行控制。

特殊移动控制：需要机器人的3×4傳感器系统，一侧压线停车使用每侧三个间隔相同的传感器判断是否压线。

中线停车使用移动方向相对侧两个传感器判断是否压线。

传感器判断在状态检测与切换作详细介绍。

4.2状态检测

由于任务的随机性，在状态检测与切换使用了路径规划，详细定义了以下状态：

目前只使用了16种状态，具有高度扩展性，任务具有线性关系，使用了简单的链表对整个比赛流程进行录入，由于任务的随机性，我们使用了二叉树对所有可能的任务进行了优化，使得机器人得知抓取顺序后可以自主规划状态以达到任务要求。

5结论

该机器人视觉方面实现了对特定物体的识别、追踪、抓取、移动控制方面可以根据实际情况进行动态路径规划。

参考文献：

[1]代迎. 面向机械臂的智能PID控制方法研究[D].沈阳理工大学，2016.

[2]郑睿刚，陈伟福，冯国灿.图卷积算法的研究进展[J].中山大学学报（自然科学版），2020，59（02）：1-14.

[3]张一琢. 共焦显微图像反卷积降噪与轮廓提取算法研究[D].哈尔滨工业大学，2014.

天津市高等学校大学生创新创业训练计划项目《基于Arduino的多维度全自动物料搬运机械手 》项目编号：202013898019

北京科技大学 天津学院 天津 301830