CN109048837B - 复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人及控制系统及分拣搬运方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人，包括底盘、行走装置、仓储装置、抓取装置、堆垛辅助装置、集中收集装置、循迹传感器组以及颜色传感器。本发明还公开了复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人的控制系统，包括主控制器、电源降压模块、行走驱动模块、光电自主导航模块、多组舵机驱动模块和颜色传感物料信息检测模块。另外本发明还公开了分拣搬运机器人的搬运方法。本发明的分拣搬运机器人行走路线准确、颜色识别准确率高，且针对物料分散与集中的情况具有很高的分拣搬运效率。

Description

复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人及控制系统及分拣搬运 方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人及控制系统及分拣搬运方法。

背景技术

在中小型中转仓库、流通加工仓库和特种仓库等运输任务集中繁重且工作目标复杂的仓储物流过程中，对货物的挑选、整理、分装、运输工作直接关系到上下游企业的物资活动效率，是使原材料区、生产加工区和供货物流区之间以及内部流动速度的关键要素，对提高企业个体劳动生产率具有重要作用，而此类工作需要大量人员的长时间重复性劳作，导致成本急剧上升。因此，一种适用于复杂目标下用以替代人工分拣运输的搬运机器人研制就显得尤为必要，其中，光电分拣搬运小车作为一种轮式分拣搬运机器人样机，可模拟并优化仓库中多重目标的复杂搬运及堆垛任务。

“中国工程机器人大赛暨国际公开赛”作为一个公益性、非营利赛事，目前由教育部高等学校创新方法教学指导委员会、国际工程机器人联盟等机构共同主办，从2011年发起设立，经过几年的发展，已经形成搬运工程、竞技工程、竞速工程、生物医学工程等面向工程应用、突出创新实践、在国内有一定影响力的机器人科技竞赛活动。

按照中国工程机器人大赛暨国际公开赛光电搬运赛项的规则，要求机器人整体结构的垂直投影区域小于200×300mm(若存在伸展结构，按最大幅度展开状况计算)。光电分拣搬运机器人需要完成下述功能，在给定场地的条件下，如图11所示，从下方倒T字形固定起点出发，沿着一定路径，将颜色不同但形状相同的物料分类搬运到指定目标区域。

整个搬运任务一共需搬运5种颜色不同的物料13个，物料形状为圆筒状。比赛开始前，在黑箱中放置5个颜色不同的物料，参赛选手依次将5个物料从黑箱中抽出，抽到的颜色顺序即定义为比赛时A、B、C、D、E处所放置物料的颜色。

比赛分为两个环节，第一环节为将内圈A、C、E三处的三个物料(内圈B、F处不放物料)搬运至外圈目的地的靶心位置，第二环节为将外圈F、G两处共10个物料搬运至外圈目的地的靶心位置。完成物料分拣搬运后，最终回到出发点。

记分规则如下，机器人完成搬运任务后，或者参赛选手进行人为干预或主动叫停后，每个物料的最外侧边缘所处的靶环环数即为该物料的得分，除13个物料的得分以外，若机器人最终返回出发点，加10分。比赛排名首先按照机器人获得的总分排序，总分相同的机器人按照时间快慢排序。

现有的分拣搬运机器人存在如下缺陷：

(1)由于运输地图路线情况的复杂性，面对复杂路线节点识别任务时，存在一定的错误率，无法准确地通过地面节点与边界判断自我姿态和计算行进目标；

(2)在竞赛规则设定的搬运任务中，A、C、E处的3块物料分散分布，F、G处的10块物料集中分布，整体兼具分散与集中特征，采用简易的一物一放搬运策略将产生大量重复多余路程；

(3)在存在多个物料种类的情况下，由于光照条件变化，光电颜色传感器对物料特征的检测准确率不足，无法较为准确地分辨物料种类，分拣工作存在发生错误的可能。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人，包括底盘、行走装置、仓储装置、抓取装置、堆垛辅助装置、集中收集装置、循迹传感器组以及颜色传感器；行走装置驱动机器人行走；仓储装置设置在底盘上，仓储装置包括可旋转的分拣盘；抓取装置被配置为夹取物料并在使物料在地面与分拣盘之间进行转移；堆垛辅助装置包括设置在底盘侧前方的弧形的压紧板、驱动压紧板内旋转动的第一转动机构及设置在底盘前端的堆垛挡块，堆垛挡块的前侧设有弧形凹面，压紧板内旋转动后与弧形凹面配合形成竖直的物料通道；集中收集装置包括设置在底盘前端的弧形挡板、可升降地设置弧形挡板前方的挡板以及驱动挡板升降的第二转动机构；循迹传感器组设置在底盘下方，对地面进行感应；颜色传感器被配置为对分拣盘上的物料进行识别。

根据本发明的另一方面，提供一种复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人的控制系统，包括主控制器，主控制器为STM32F103C8T6单片机；电源降压模块，电源降压模块包括LM2596T降压模块、ASM1117降压模块、5A75W大功率降压模块及低波纹降压模块，LM2596T降压模块的输出电压为5.5V，ASM1117降压模块的输出电压为3.3V，5A75W大功率降压模块的输出电压为5V，低波纹降压模块的输出电压为6V；行走驱动模块，行走驱动模块包括步进电机和LV8731V型细分器，步进电机的步距角为1.8°，LV8731V型驱动器的细分数为32；光电自主导航模块，光电自主导航模块包括6个SEN1595灰度传感器，灰度传感器与主控制器之间设为上拉输入；多组舵机驱动模块，包括两个MG90S型舵机、三个PDI-6221MG型舵机、两个ES08A II型舵机和一个PDI-6225MG-300型舵机；以及颜色传感物料信息检测模块，包括一个GY-33颜色传感器和一个RGB上位机，GY-33颜色传感器接入主控制器的USART1接口，RGB上位机接入主控制器的USART2接口。

根据本发明的另一个方面，提供一种复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人的分拣搬运方法，包括如下步骤：

(1)循迹传感器组导航，机器人在五个圆柱形筒料的站立区停止，挡板下降，将物料包围在弧形挡板和挡板围成的区域内，机器人转动180°，机器人再向前运动使其中一个物料贴着弧形挡板的中间位置，抓取装置在将物料抓取到分拣盘上，颜色传感器记录物料颜色，分拣盘转动一格。

(2)机器人后退，使物料、、沿着挡板排布，然后压紧板内旋转动将靠近压紧板的物料拨动到弧形挡板的中间位置，然后压紧板复位，抓取装置将弧形挡板中间位置的物料抓取到分拣盘上，颜色传感器记录物料颜色，分拣盘再次转动一格；

(3)机器人向前行走，推动物料，使物料沿着弧形挡板滚动到弧形挡板中间位置，抓取装置将弧形挡板的中间位置的物料抓取到分拣盘上，颜色传感器记录物料颜色，分拣盘再次转动一格；

(4)压紧板内旋转动将靠近压紧板的物料拨动到弧形挡板中间位置，抓取装置将弧形挡板中间位置的物料抓取到分拣盘上，颜色传感器记录物料颜色，分拣盘再次转动一格；

(5)机器人向前行走，推动物料使物料沿着弧形挡板滚动到弧形挡板的中间位置，抓取装置将弧形挡板的中间位置的物料抓取到分拣盘上，颜色传感器记录物料颜色，分拣盘再次转动一格；

(6)循迹传感器组导航下，机器人运动到物料堆垛区，压紧板内旋转动，握住地面物料，并与弧形凹面配合形成竖直的物料通道，颜色传感器识别物料，抓取装置将分拣盘上的与地面物料颜色相同的物料沿着物料通道叠加到地面物料上。

本实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人及控制系统及分拣搬运方法具有如下优点：

(1)针对复杂路线节点与边界识别问题，采用节点历史记录和防误判算法，较大程度地减少错误概率，进而准确判断当前方向和目标方向；

(2)针对物料分散与集中特征分布问题，利用5格式分拣转盘结构设计，采用仓储式搬运策略，第一环节收集A、C、E处物料并分拣，第二环节时为分两批次收集F、G处物料并分拣；

(3)针对由于光照条件变化引起的颜色特征识别偏差问题，采用白平衡算法，在新的环境工作前，运行白平衡程序，得到当前纯白色的RGB值，结合标准值得出校准系数，提高颜色识别准确率。

附图说明

图1为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人的示意图。

图2为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人的底面示意图。

图3为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人的分拣盘的俯视图。

图4为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人的仓储装置的爆炸图。

图5为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人的机械臂的分解示意图。

图6为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人的压紧板内旋状态下的俯视图(抓取装置未显示)。

图7为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人控制系统的结构示意图。

图8为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人控制系统的LM2596T降压模块的电路结构示意图。

图9为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人控制系统的ASM1117降压模块的电路结构示意图。

图10为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人控制系统的LV8731V细分驱动器外围电路示意图。

图11为中国工程机器人大赛暨国际公开赛光电搬运赛项的场地示意图。

图12为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人搬运和堆垛方法的步骤(1)中物料被包围在弧形挡板和挡板之间时的初始位置图。

图13为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人搬运和堆垛方法的步骤(1)中机器人转动180°后物料的相对位置示意图。

图14为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人搬运和堆垛方法的步骤(1)中机器人前进后物料的相对位置示意图。

图15为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人搬运和堆垛方法的步骤(2)中机器人后退后物料的相对位置示意图。

图16为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人搬运和堆垛方法的步骤(2)中压紧板内旋转动后物料的相对位置示意图。

图17为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人搬运和堆垛方法的步骤(3)中机器人前进后物料的相对位置示意图。

图18为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人搬运和堆垛方法的步骤(4)中压紧板内旋转动后物料的相对位置示意图。

图19为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人搬运和堆垛方法的步骤(5)中机器人前进后物料的相对位置示意图。

图20为本发明一实施方式的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人搬运和堆垛方法的步骤(6)中物料堆垛原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-20对本发明的实施例作进一步详细的说明。

如图1-3所示，复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人，包括底盘1、行走装置2、仓储装置3、抓取装置4、堆垛辅助装置5、集中收集装置6、循迹传感器组7以及颜色传感器8；

行走装置2设置在底盘1下方，行走装置2驱动机器人行走；

仓储装置3设置在底盘1上，仓储装置3包括可旋转的分拣盘31，分拣盘31上设有若干个轮辐状分布的隔板32，隔板32将分拣盘31分成若干物料存储区311；

抓取装置4被配置为夹取物料并在使物料在地面与分拣盘31之间进行转移；

堆垛辅助装置5包括设置在底盘1侧前方的弧形压紧板51、驱动压紧板51内旋转动的第一转动机构52及设置在底盘1前端的堆垛挡块53，堆垛挡块53的前端设有弧形凹面531，压紧板51内旋后与弧形凹面531配合形成竖直的物料通道54；

集中收集装置6包括设置在底盘1前端的弧形挡板61、可升降地设置弧形挡板61前方的挡板62、以及驱动挡板62升降的第二转动机构63；

循迹传感器组7设置在底盘1下方，对地面进行感应；

颜色传感器8被配置为对分拣盘31上的物料进行识别。

其中底盘1上安装行走装置2、仓储装置3、抓取装置4、堆垛辅助装置5、集中收集装置6、循迹传感器组7以及颜色传感器8。

按照竞赛规则，整个搬运任务一共需搬运5种颜色不同的物料，因此本实施方式设有5块隔板32，将分拣盘31分成5个存储区311。如图4所示，为了防止物料从分拣盘31的边缘掉落，在分拣盘31的边缘还设有挡环34。

堆垛辅助装置5辅助物料的堆垛。如图6所示，当机器人到达目标位置后，第一转动机构52驱动压紧板51内旋，压紧板51的弧面握住地面上的物料，然后抓取装置4将从分拣盘31上抓取的物料叠加于已放置完成的物料上方，保持了放料时的稳定性，防止物料倾倒。当压紧板51握住物料后，弧形的压紧板51与堆垛挡块53的弧形凹面531相对，并形成大致为圆柱形的物料通道54，物料从物料通道54中投放，保证了物料下落的稳定性和准确性。

集中收集装置6辅助多个物料的抓取。底盘1的前端设有圆弧形的缺口，缺口处固定弧形挡板61。抓取地面上集中放置的多个物料时，将这些物料锁定在弧形挡板61和挡板62之间。优选地，挡板62呈弯刀形。按照竞赛规则，物料为圆筒状，有五个物料集中摆放在F区和G区。弧形挡板61正前方且紧邻弧形挡板61的中间位置为抓取装置4的取料位置。通过机器人的前后移动，可以使围在弧形挡板61和挡板62之间的物料的位置重排。通过以下两种方式将物料移动到取料位置：一是当取料位置的物料被取走后，压紧板51内旋转动可以将其附近的物料拨到取料位置；二是压紧板51接触不到的物料可以通过机器人的向前移动完成，当机器人向前运动时，由于惯性和与地面的摩擦力，物料会贴着弧形挡板61滚动到取料位置。相比于一物一放搬运策略产生大量重复多余路程，本实施方式可以集中地将物料搬运到分拣盘31上，然后一次性运输，缩短了搬运路程，节约了搬运时间。

如图2所示，行走装置2包括设置在底盘1下方的两个承重轮21、两个步进电机22和一个牛眼轮23，承重轮21与步进电机22安装在底盘1的后端，步进电机22驱动承重轮21行走。承重轮21与步进电机22的输出轴连接。其中两个承重轮21对称地设置在底盘1的后端，牛眼轮23设置在底盘1的侧前端，承重轮21和牛眼轮23承接了整个机器人的重量，并形成三个稳定的支撑点，保持了机器人整体的稳定性。承重轮21的材质优选为铝合金，在强度能够达到要求的前提下，减轻了机器人的重量。牛眼轮23本身为万向轮，便于机器人调整运动方向。本实施方式采用步进电机22作为动力源，其好处在于，当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，步进电机驱动器就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，因此能够精确地控制步进电机的停止，进而精确控制机器人的停止位置，提高了机器人抓取和堆垛物料的精度。因此，当步进电机配以更精密的细分驱动器时，能进一步提高机器人的定位精度。

如图2所示，通过第一舵机33驱动分拣盘31转动，第一舵机33固定在底盘1的下方。如图4所示，在底盘1的下方设有两块中空垫板36和一块带槽垫板35。用螺栓将第一舵机33、带槽垫板35、中空垫板36及底盘1固定连接。第一舵机33的输出轴固定一个舵盘37，并向上穿过带槽垫板35和中空垫板36，舵盘37固定连接到分拣盘31的底面。

如图2所示，抓取装置4包括机械臂41和设置在机械臂41上的夹料组件42，夹料组件42包括第二舵机421、第三舵机422、第一夹取柱424和第二夹取柱425，第二舵机421和第三舵机422并列设置，第一夹取柱424与第二舵机421的输出轴连接，且第一夹取柱424相对于第二舵机421的输出轴偏置，第二夹取柱425与第三舵机422的输出轴连接，且第二夹取柱425相对于第三舵机422的输出轴偏置。抓取装置4能够夹取物料，并将物料从地面转移到分拣盘31，或者将分拣盘31上的物料转移到地面。抓取装置4所夹取的物料在地面的初始位置位于弧形挡板61的正前方。定义过物料中心与分拣盘31的中心轴的平面为α平面。在本实施方式中，物料沿着或大致沿着α平面移动。第二舵机421的输出轴和第三舵机422的输出轴平行或大致平行于α平面。如图1所示，第一夹取柱424通过第一小舵盘426与第二舵机421的输出轴连接，具体地，第一小舵盘426为短杆状，第一小舵盘426垂直于第二舵机421的输出轴设置，其一端固定到第二舵机421的输出轴，另一端与第一夹取柱424的端部连接。如图1所示，第二夹取柱425通过第二小舵盘427与第三舵机422的输出轴连接，具体地，第二小舵盘427为短杆状，第二小舵盘427垂直于第三舵机422的输出轴设置，其一端固定到第三舵机422的输出轴，另一端与第一夹取柱424的端部连接。第一夹取柱424和第二夹取柱425伸入到物料的圆筒内，在第二舵机421和第三舵机422的驱动下，第一夹取柱424和第二夹取柱425抻在圆筒物料的内壁，从而将物料抓起。第一夹取柱424和第二夹取柱425优选为具有柱状或杆状，比如圆柱体、三棱柱、四棱柱、五棱柱等。

如图1和图5所示，机械臂41包括第四舵机411、大臂412、第五舵机413、小臂414和第六舵机415，大臂412的下端与第四舵机411的输出轴连接，大臂412上设有第五舵机413，小臂414的一端与第五舵机413的输出轴连接，小臂414另一端设有第六舵机415，第六舵机415的输出轴与小臂414连接，第二舵机421和第三舵机422都与第六舵机415连接。底盘1上固定底座415，其中底座415包括垂直于底盘1且相对设置的侧板4151和横设在两个侧板4151上边缘的上盖板4152。上盖板4152上设有一个支架416，第四舵机411固定在支架416上。大臂412包括第一U形架4121和第二U形架4122，第一U形架4121和第二U形架4122连接形成H形结构。大臂412还包括设置在H形结构的四个侧面的加强板4123，加强板4123进一步加强了H形结构的稳定性。第一U形架4121的一个自由端与第四舵机411的输出轴连接，第四舵机411的输出轴垂直于α平面，使第四舵机411能够驱动大臂412在与α平面平行的平面内转动。在本实施方式中，小臂414为板条状。第二U形架4122的一个内侧壁安装有第五舵机413，小臂414的端部与第五舵机413的输出轴连接，第五舵机413驱动小臂414相对于大臂412转动。第五舵机413的输出轴垂直于于α平面，使小臂414在平行于α平面的平面上转动。第六舵机415的输出轴垂直于α平面。在本实施方式中，大臂412、小臂414、第六舵机415都能在与α平面平行的平面内转动，因此机械臂41具有三自由度。当第六舵机415工作时，由于第六舵机415的输出轴与机械臂41固定，因此第六舵机415本体会以其输出轴为转动轴而转动，此时第二舵机421、第三舵机422、第一夹取柱424和第二夹取柱425的姿态能够进行调整。在夹取和释放物料时，通过第六舵机415的转动，可以控制第一夹取柱424和第二夹取柱425呈竖直状态，使抓取的物料呈竖直状态，保证了抓料和放料的稳定性。

如图1所示，第一转动机构52包括第七舵机521和连杆522，第七舵机521固定在底盘1上，且第七舵机521的输出轴向上设置，连杆522与第七舵机521的输出轴垂直，连杆522的一端与第七舵机521的输出轴连接，连杆522的另一端与压紧板51连接。在本实施方式中，第七舵机521固定在底盘1的右前端。第七舵机521驱动连杆522转动，使压紧板51靠近堆垛挡块53，也就是内旋转动，进而实现了压紧板51握住物料并形成物料通道54的功能。

如图1所示，第二转动机构63包括第八舵机631，第八舵机631的输出轴朝向机器人的前方，挡板62与第八舵机631的输出轴垂直，第八舵机631驱动挡板62转动而实现挡板62的升降。在本实施方式中，第八舵机631设置在底盘1的左前方。底盘1上设置了向着机器人前方延伸的延长板632，第八舵机631固定在延长板632的前端。在需要集中上料时，第八舵机631驱动挡板62转动，将挡板62放下，使物料集中在挡板62与弧形挡板61所围成的区域内。

如图2所示，循迹传感器组7设置在底盘1的下方，循迹传感器组7包括六个灰度传感器，其中三个灰度传感器靠近底盘1中间设置，使机器人沿着地面上的黑色条带行走；两个灰度传感器分别靠近底盘1的两侧设置，记录机器人经过的交叉线路口个数；另外一个灰度传感器设置在底盘1的侧前方，用于识别比赛场地的内线圈和外线圈。本实施方式采用六只分散分布的灰度传感器的传回信号，计算方向并规划最短路径。

根据本发明的另一个方面，如图7所示，提供分拣搬运机器人控制系统，包括主控制器、电源降压模块Ⅰ、行走驱动模块Ⅱ、光电自主导航模块Ⅲ、多组舵机驱动模块Ⅳ和颜色传感物料信息检测模块Ⅴ。

主控制器用于给各个外围模块提供各种通信接口、数据处理运算和逻辑关系判断功能。根据本实施方式的机器人所需的小体积要求，包括控制系统外围设备的控制要求，选用了LQFP48贴片式封装的控制芯片STM32F103C8T6，在可以达到目标功能的前提下，最大限度减小了控制系统硬件体积，节约了成本。本实施方式采用STM32F103C8T6单片机，STM32F103C8T6单片机是一款高性能、低功耗32位CotexTM-M3内核单片机，采用精简指令集RISC，最高工作频率为72MHz，Flash存储器64kb，SRAM存储器20kb，具有3个通用定时器TIM2～TIM4、1个高级定时器TIM1、2路SPI接口、2路I2C接口、3路UART接口、1路USB接口、1路CAN接口、32个通用GPIO接口以及12位A/D转换通道10个。芯片工作电压2.0～3.6V，允许较宽的电压变化，工作温度-40℃～105℃，可适应高低温极端环境。芯片具有睡眠、停止和维持三种低功耗模式，可根据需求选择多种嵌入式低功耗方案，并且提供RTC和备份寄存器电源，安全可靠。芯片兼容串行线SWD调试方式和JTAG接口调试方式，可以方便地实现在线仿真，该功能在后期软件调试过程中发挥了极大地作用，帮助解决了很多难以察觉的程序BUG，对于一个复杂嵌入式软件系统的调试，在线仿真功能必不可少。

采用12V的3S航模锂电池作为主电源，再通过电源降压模块将12V的电压转换成6V、5V及3.3V的电压。STM32F103C8T6单片机的工作电压为3.3V，工作电流为20mA。行走装置2包括两个步进电机22，步进电机22的型号为MG42S1型步进电机，输入电压为12～25.2V，相电流为1.68A。步进电机22的细分器型号为LV8731V，电源电压范围为9～32V，逻辑输入电压为0～5.5V，耗散电流为5mA。12V的3S航模锂电池用于LV8731V细分器的VM端电源。循迹传感器组7包括6个SEN1595型灰度传感器，灰度传感器的工作电压4～6V，额定电流为5mA。颜色传感器8的型号为GY-33，工作电压为3～5V，工作电流为15mA。第四舵机411、第五舵机413和第六舵机415均为PDI-6221MG舵机，其输入电压为4.8～7V，快速持续工作电流为600mA。第一舵机33为PDI-6225MG-300舵机，其输入电压为4.8～6V，快速持续工作电流为600mA。第七舵机521和第八舵机631均为ES08A II舵机，其工作电压4.8～6V，快速持续工作电流200mA。第二舵机421和第三舵机422均为MG90S舵机，其工作电压为4.8～6V，快速持续工作电流为200mA。

根据各模块工作电压、工作电流要求，本实施方式的控制系统所需最高电压为12V，最大工作电流约为3A～5A，所以选用3S航模锂电池，容量1100mAh。电池组标称电压11.1V，实际满电电压12.6V，满足LV8731V细分器的驱动电压要求；标称电流负载25C，最大电流27.5A，满足多组舵机同时工作的电流要求；电池外形尺寸为95×55×35mm，体积较小，便于轮式移动机器人携带。电池电压经两个阻值为10：1的电阻分压为1/11后，接至STM32F103C8T6的ADC通道引脚PA6，用于监测电池电量。

电源降压模块Ⅰ包括LM2596T降压模块、ASM1117降压模块、5A75W大功率降压模块及低波纹降压模块。LM2596T降压模块、ASM1117降压模块、5A75W大功率降压模块及低波纹降压模块均能在市场上直接获得。

LM2596T降压模块将12V的电压转换为5V输出，用于供给灰度传感器、颜色传感器及部分引脚逻辑电平。如图8示意性地给出了LM2596T降压模块的电路结构图，包括一个LM2596T降压型开关稳压芯片及4个滤波电容(C29、C30、C31、C32)。

ASM1117降压模块将5V电压转换为3.3V输出，用于给STM32F103C8T6主控制器提供电源。如图9示意性地给出了AMS1117降压模块的电路结构图，包括AMS1117线性降压稳压芯片和4个滤波电容(C23、C24、C25、C26)。

对于系统中的4个9g舵机(2个ES08A II舵机，2个MG90S舵机)，采用单独稳压电源供能方案。该2款舵机工作电压均为4.8～6V，取额定工作电压5V，采用5A75W大功率降压模块，即输出电流5A、输出功率达到75W的降压芯片，从而使舵机能够获得较大的驱动扭矩和较快的反应速度，以提高夹取与运输物料时的稳定性。同时，避免舵机在发生堵转时，产生的瞬时大电流烧毁伺服控制芯片。

对于系统中的4个扭矩25KG的标准舵机(3个PDI-6221MG舵机，1个PDI-6225MG-300舵机)，同样采用单独稳压电源供能方案。改2款舵机工作电压均为4.8～7V，快速运动电流0.6A，堵转电流达3A，为保证臂部结构件的运动平稳性，取额定工作电压6V，并由波纹低的低波纹降压模块提供独立的转换电源。

行走驱动模块Ⅱ包括步进电机22及LV8731V型细分器，步进电机22为MG42S1步进电机。搬运机器人无需高速移动，但对于移动平稳性和定位精准度有较高要求。因此，本实施方式摒弃常用的以直流电机作为动力源的方案，采用MG42S1步进电机作为动力源驱动铝合金的承重轮21。MG42S1步进电机的步距角为1.8°。步进电机需要与专用的细分驱动器配合控制，以MG42S1为例，该步进电机的步距角为1.8°，即当细分器处于细分状态时，细分器每接收到x个方波脉冲，则使输出转轴旋转1.8°。当接收到200个方波周期时，输出转轴旋转一周。基于该控制原理，可利用STM32F103C8T6定时器通道的输出比较模式来自由控制，通过改变定时器通道输出方波信号的频率，即可直接控制步进电机的角位移、角加速度。具体转速计算公式如下：

其中，n_M为MG42S1输出轴转速(r/min)，fstep为输出比较模式的配置频率(Hz)，x为步进电机细分驱动的细分数。

本实施方式选用2相励磁微步电机驱动LV8731V，其内置1通道PWM电流控制H桥驱动，适用于驱动1个步进电机。系统共需2个步进电机，故需要2片LV8731V驱动。如图10示意性地给出了LV8731V细分驱动器外围电路示意图。

MD1、MD2均为低电平，LV8731V固定工作于2相励磁模式下。当STEP端产生两次上升沿跳变时，即形成一个信号周期后，步进电机转子则转动一个步距角，进入下一拍工作模式，如此往复循环。ST端与STM32F103C8T6的PB14连接，配置为推挽输出模式，控制步进电机启动与停止；FR端与STM32F103C8T6的PB13连接，配置为推挽输出模式，控制步进电机的旋转方向；STEP端与PB6连接，控制步进电机的转速，PB6为STM32F103C8T6内置TIM4的CH1，配置为输出比较模式，该引脚会按照配置的频率进行电平翻转，输出方波信号。

光电自主导航模块Ⅲ包括含有6个SEN1595型灰度传感器的循迹传感器组7。灰度传感器与主控制器之间的连接设为上拉输入。灰度传感器为光电反射式灰度传感器SEN1595，经高亮发光二极管送出，由光敏三极管接收反射光，利用黑色引导条带和浅色地面反射光强的差异来感知路况，适用于5mm～15mm近距离路况识别。SEN1595传感器主要由两部分组成，分别是高发射功率发光二极管和高灵敏度光敏三极管，发光二极管持续向路面发射光线，若光线照射在黑色引导条带上，则光被条带吸收，光敏三极管截止，光敏三极管集电极电压与电位器预置的门限电压通过电压比较器进行迟滞比较后，输出高电平给单片机，同时指示LED熄灭；若光线照射在浅色地面上，则被反射，光敏三极管接收到反射光后，饱和导通，经电压比较器进行迟滞比较后，输出低电平给单片机，同时指示LED点亮，单片机根据两路传感器输出端TTL电平信号的高低，判断小车的位置或方向。另外，可通过调节电位器改变电压比较器的门限电压，以调节探测距离。

本实施方式共使用了6只灰度传感器SEN1595，其中，三个灰度传感器靠近底盘1中间设置，为路径跟踪灰度传感器，宏定义为HD1、HD2、HD3；两个灰度传感器分别靠近底盘1的两侧设置，宏定义为HD0和HD4；另外一个灰度传感器设置在底盘1的侧前方，用于识别内圈和外圈线。灰度传感器主要相关函数有路径跟踪函数与扫线定点函数。路径跟踪函数仅利用了HD1～HD3，根据8种传回数据情况，决定如何纠正小车姿态，使小车始终跟随轨迹稳定前进；扫线定点函数利用了2个灰度传感器HD0和HD4，记录这2个灰度传感器由高跳变至低的次数，即为经过的交叉线路口个数。

多组舵机驱动模块Ⅳ包括3只PDI-6221MG舵机、1只PDI-6225MG-300舵机、2只ES08A II舵机和2只MG90S舵机。本实施方式的舵机控制精度高，提高了抓取装置4的控制精度。PDI-6225MG-300舵机是一种特殊舵机，伺服范围达300度，用于驱动中心分拣盘31的旋转，因为分拣盘31需要使每个物料都能够转到最前方的待处理工位，所以至少需要288°，普通的270°舵机与180°舵机不足以满足要求。在系统程序初始化阶段，需要配置TIM2和TIM3为PWM输出模式1，使能所用通道的预装载，通过配置TIM_Period和TIM_Prescaler使得输出的PWM信号频率为50Hz，具体频率计算公式如下：

由于舵机需要周期为20ms的PWM控制信号，所以取TIM_Period为2000-1，即1999，取TIM_Prescaler为720-1，即719。通过改变TIM_Puls即可控制舵机转角，TIM_Puls变化范围在50～250之间，若超出，很可能会永久损伤舵机，在调试时应当警惕。

颜色传感物料信息检测模块Ⅴ包括一个GY-33颜色传感器和一个RGB上位机，GY-33颜色传感器接入主控制器的USART1接口，RGB上位机接入主控制器的USART2接口。本实施方式的颜色传感器能够准确地识别物料的颜色。GY-33颜色传感器内部集成8×8光电二极管阵列，按16个一组分为4组，其中一组未覆盖滤光器，另外三组分别覆盖有红色、绿色和蓝色滤光器，这三组光电二极管负责采集待测光源的三原色光信号，并产生对应的三种光电流，电流信号经内部电流/频率转换电路处理后，分别转化为与三基色分量值相对应的变频率脉冲信号，输出给单片机；单片机计数器依次记录这三种脉冲信号在同一时长(10ms)内的脉冲个数，由于传感器对三原色的敏感性不同，对输出脉冲的频率值造成了一定误差，所以需将三种脉冲个数按照白平衡比例因子放大或缩小加以修正，得出准确的RGB值。白平衡比例因子通过以下方式得出：将白色的实测脉冲个数{a，b，c}，与标准RGB值{255，255，255}相除，所得三个比值{a/255，b/255，c/255}即为比例因子。当GY-33工作于AT指令模式时，两颗高亮LED补光，光线达到物料后被反射，反射光经过光电二极管阵列滤镜检测RGB分量值，根据RGB分量值识别出颜色，GY-33提供两种通信接口，USART通讯模式与I2C通讯模式，USART波特率有9600bps与115200bps两种通讯频率，白平衡数值可通过指令配置，并且掉电自动保存上一次的白平衡数值。此外，提供蓝色、深蓝色、绿色、黑色、白色、粉色、黄色、红色八种的快速识别。当颜色传感器读取完毕后，数据帧发送至STM32F103C8T6的USART3接口，在中断服务函数中，首先判断帧头是否与预设的通信协议一致，然后判断该帧数据属于色温、颜色、原始RGB或是白平衡后的RGB中的哪一种，直接获取颜色数据帧，从八种常用颜色标记位中判断是否与所测颜色相符合。完成识别流程后，将当前颜色代号按照当前分拣圆盘的位置存入相应数组的变量中，以待后续处理程序使用。

由于物料颜色识别与引导条带辨别是系统中的重要工作环节，且受光照强度影响，为了探究光照强度对系统的影响程度，对机器人进行了搬运成功率测试。本次测试地点选在夜间无自然光的室内，以12盏分散分布的Tube5日光灯作为照明光源，营造不同光照强度的工作环境，每隔4盏灯测试100次，实验任务设定为将五种物料分类运输至指定堆垛区，实验数据如表1所示。

表1

测试结果分析：当光照强度在4～12盏日光灯范围变化环境亮度时，系统工作成功率维持在97％以上，且对不同颜色的物料分拣搬运成功率无明显差别，均在较高水平小幅度跳动。总体而言，在不同强度的光照影响下，颜色传感器能够通过白平衡参数调节准确辨别黑色、白色、红色、绿色和蓝色物料，灰度传感器稳定辨识引导条带，搬运机器人整体工作稳定，系统可靠性较强。

本发明的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人及控制系统具有如下优点：

(1)针对复杂路线节点与边界识别问题，较大程度地减少错误概率，进而准确判断当前方向和目标方向；

(2)针对物料分散与集中特征分布问题，利用5格式分拣转盘结构设计，采用仓储式搬运策略，第一环节收集A、C、E处物料并分拣，第二环节时为分两批次收集F、G处物料并分拣；

(3)针对由于光照条件变化引起的颜色特征识别偏差问题，采用白平衡算法，在新的环境工作前，运行白平衡程序，得到当前纯白色的RGB值，结合标准值得出校准系数，提高颜色识别准确率。

根据本发明的另一方面，提供一种复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人的分拣搬运方法，为了便于说明，将五个物料分别标记为100、200、300、400、500，图12-19示意性地显示了将五个物料搬运到分拣盘31上的原理，图20示意性地显示了将物料堆垛到地面已有物料上的原理。本方法包括如下步骤：

(1)如图12所示，由循迹传感器组7导航，机器人在五个物料放置区停止，挡板62下降，将物料包围在弧形挡板61和挡板62围成的区域内。然后机器人转动180°，相应地五个物料在地面被拖动并且相对位置发生了改变，图13示意性显示了机器人转动180°后物料的相对位置。转动180°后，机器人再向前运动使其中一个物料100贴着弧形挡板61中间位置，图14示意性地显示了机器人前进后的物料相对位置。抓取装置4在将物料100抓取到分拣盘31上，由颜色传感器8记录物料100的颜色，分拣盘31转动一格。

(2)机器人后退，使物料200、400、500沿着挡板62排布，图15示意性地显示了机器人后退后剩余物料的相对位置。然后压紧板51内旋转动将靠近压紧板51的物料200拨动到弧形挡板61中间位置，图16示意性地显示了压紧板51内旋转动后物料的相对位置。然后压紧板51复位，抓取装置4将弧形挡板61中间位置的物料200抓取到分拣盘31上，颜色传感器8记录物料200的颜色，分拣盘31再次转动一格；

(3)机器人向前行走，推动剩余物料，使物料300沿着弧形挡板61滚动到弧形挡板61中间位置，图17示意性地显示了此时物料的相对位置。抓取装置4将弧形挡板61中间位置的物料300抓取到分拣盘31上，颜色传感器8记录物料300的颜色，分拣盘31再次转动一格；

(4)压紧板51内旋转动将靠近压紧板51的物料400拨动到弧形挡板61中间位置，图18示意性地显示了此时剩余物料的相对位置。抓取装置4将弧形挡板61中间位置的物料400抓取到分拣盘31上，颜色传感器8记录物料颜色，分拣盘31再次转动一格；

(5)机器人向前行走，推动物料500，使物料500沿着弧形挡板61滚动到弧形挡板61的中间位置，图19示意性地显示了此时剩余物料的相对位置。抓取装置4将弧形挡板61中间位置的物料500抓取到分拣盘31上，颜色传感器8记录物料颜色，分拣盘31再次转动一格；

(6)如图20所示，循迹传感器组7导航下，机器人运动到物料堆垛区，压紧板51内旋转动，握住地面物料600，并与弧形凹面531配合形成竖直的物料通道54，分拣盘31转动使分拣盘31上与地面物料600颜色相同的物料转动到分拣盘31的前端，抓取装置4将分拣盘31上与地面物料600颜色相同的物料沿着物料通道54叠加到地面物料600上。

本发明的搬运和堆垛方法能够集中搬运，提高了机器人的搬运效率；压紧板51与弧形凹面531配合形成的竖直物料通道54提高了堆垛的准确性和稳定性。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人，其特征在于，包括底盘(1)、行走装置(2)、仓储装置(3)、抓取装置(4)、堆垛辅助装置(5)、集中收集装置(6)、循迹传感器组(7)以及颜色传感器(8)；

所述行走装置(2)驱动机器人行走；

所述仓储装置(3)设置在所述底盘(1)上，所述仓储装置(3)包括可旋转的分拣盘(31)，所述分拣盘(31)上设有若干个轮辐状分布的隔板(32)，所述隔板(32)将所述分拣盘(31)分成若干物料存储区(311)；

所述抓取装置(4)被配置为夹取物料并在使物料在地面与所述分拣盘(31)之间进行转移；

所述堆垛辅助装置(5)包括设置在所述底盘(1)侧前方的弧形的压紧板(51)、驱动所述压紧板(51)内旋转动的第一转动机构(52)及设置在所述底盘(1)前端的堆垛挡块(53)，所述堆垛挡块(53)的前侧设有弧形凹面(531)，所述压紧板(51)内旋转动后与所述弧形凹面(531)配合形成竖直的物料通道(54)；

所述集中收集装置(6)包括设置在所述底盘(1)前端的弧形挡板(61)、可升降地设置在所述弧形挡板(61)前方的挡板(62)以及驱动所述挡板(62)升降的第二转动机构(63)；

所述循迹传感器组(7)设置在所述底盘(1)下方，对地面进行感应；

所述颜色传感器(8)被配置为对所述分拣盘(31)上的物料进行识别。

2.根据权利要求1所述的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人，其特征在于，所述行走装置(2)包括设置在所述底盘(1)下方的两个承重轮(21)、两个步进电机(22)和一个牛眼轮(23)，所述承重轮(21)与所述步进电机(22)安装在所述底盘(1)的后端，所述步进电机(22)驱动所述承重轮(21)行走。

3.根据权利要求1所述的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人，其特征在于，通过第一舵机(33)驱动所述分拣盘(31)转动，所述第一舵机(33)固定在所述底盘(1)的下方。

4.根据权利要求1所述的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人，其特征在于，所述抓取装置(4)包括机械臂(41)和设置在所述机械臂(41)上的夹料组件(42)，所述夹料组件(42)包括第二舵机(421)、第三舵机(422)、第一夹取柱(424)和第二夹取柱(425)，所述第二舵机(421)和第三舵机(422)并列设置，所述第一夹取柱(424)与所述第二舵机(421)的输出轴连接，且所述第一夹取柱(424)相对于所述第二舵机(421)的输出轴偏置，所述第二夹取柱(425)与所述第三舵机(422)的输出轴连接，且所述第二夹取柱(425)相对于所述第三舵机(422)的输出轴偏置。

5.根据权利要求4所述的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人，其特征在于，所述机械臂(41)包括第四舵机(411)、大臂(412)、第五舵机(413)、小臂(414)和第六舵机(415)，所述大臂(412)的下端与所述第四舵机(411)的输出轴连接，所述大臂(412)上设有第五舵机(413)，所述小臂(414)的一端与所述第五舵机(413)的输出轴连接，所述小臂(414)另一端设有所述第六舵机(415)，所述第六舵机(415)的输出轴与所述小臂(414)连接，所述第二舵机(421)和第三舵机(422)都与所述第六舵机(415)连接。

6.根据权利要求1所述的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人，其特征在于，所述第一转动机构(52)包括第七舵机(521)和连杆(522)，所述第七舵机(521)固定在所述底盘(1)上，且所述第七舵机(521)的输出轴向上设置，所述连杆(522)与所述第七舵机(521)的输出轴垂直，所述连杆(522)的一端与所述第七舵机(521)的输出轴连接，所述连杆(522)的另一端与所述压紧板(51)连接。

7.根据权利要求1所述的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人，其特征在于，所述第二转动机构(63)包括第八舵机(631)，所述第八舵机(631)的输出轴朝向机器人的前方，所述挡板(62)与所述第八舵机(631)的输出轴垂直，所述第八舵机(631)驱动所述挡板(62)转动而实现挡板(62)的升降。

8.根据权利要求1所述的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人，其特征在于，所述循迹传感器组(7)设置在所述底盘(1)的下方，所述循迹传感器组(7)包括六个灰度传感器，其中三个灰度传感器靠近所述底盘(1)中间设置，两个灰度传感器分别靠近所述底盘(1)的两侧设置，另外一个灰度传感器设置在所述底盘(1)的侧前方。

9.权利要求1-8任一项所述的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人的控制系统，其特征在于，包括：主控制器、电源降压模块Ⅰ、行走驱动模块Ⅱ、光电自主导航模块Ⅲ、多组舵机驱动模块Ⅳ和颜色传感物料信息检测模块Ⅴ；

所述主控制器为STM32F103C8T6单片机；

所述电源降压模块Ⅰ包括LM2596T降压模块、ASM1117降压模块、5A75W大功率降压模块及低波纹降压模块，所述LM2596T降压模块的输出电压为5V，所述ASM1117降压模块的输出电压为3.3V，所述5A75W大功率降压模块的输出电压为5V，所述低波纹降压模块的输出电压为6V；

所述行走驱动模块Ⅱ包括步进电机(22)和LV8731V型细分器，所述步进电机(22)的型号为MG42S1，所述步进电机(22)的步距角为1.8°，所述LV8731V型细分 器的细分数为32；

所述光电自主导航模块Ⅲ包括6个SEN1595灰度传感器，灰度传感器与主控制器之间的连接设为上拉输入；

所述多组舵机驱动模块Ⅳ包括两个MG90S型舵机、三个PDI-6221MG型舵机、两个ES08AII型舵机和一个PDI-6225MG-300型舵机；

所述颜色传感物料信息检测模块Ⅴ，包括一个GY-33颜色传感器和一个RGB上位机，GY-33颜色传感器接入主控制器的USART1接口，RGB上位机接入主控制器的USART2接口。

10.权利要求1-8任一项所述的复杂竞赛任务中的分拣搬运机器人的分拣搬运方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)由循迹传感器组(7)导航，机器人在五个圆柱形筒料的站立区停止，挡板(62)下降，将物料包围在弧形挡板(61)和挡板(62)围成的区域内，机器人转动180°，机器人再向前运动使其中一个物料(100)贴着弧形挡板(61)的中间位置，抓取装置(4)在将物料(100)抓取到分拣盘(31)上，颜色传感器(8)记录物料(100)颜色，分拣盘(31)转动一格；

(2)机器人后退，使物料(200、400、500)沿着挡板(62)排布，然后压紧板(51)内旋转动将靠近压紧板(51)的物料(200)拨动到弧形挡板(61)的中间位置，然后压紧板(51)复位，抓取装置(4)将弧形挡板(61)中间位置的物料(200)抓取到分拣盘(31)上，颜色传感器(8)记录物料(200)颜色，分拣盘(31)再次转动一格；

(3)机器人向前行走，推动物料(300)，使物料(300)沿着弧形挡板(61)滚动到弧形挡板(61)中间位置，抓取装置(4)将弧形挡板(61)的中间位置的物料(300)抓取到分拣盘(31)上，颜色传感器(8)记录物料(300)颜色，分拣盘(31)再次转动一格；

(4)压紧板(51)内旋转动将靠近压紧板(51)的物料(400)拨动到弧形挡板(61)中间位置，抓取装置(4)将弧形挡板(61)中间位置的物料(400)抓取到分拣盘(31)上，颜色传感器(8)记录物料(400)颜色，分拣盘(31)再次转动一格；

(5)机器人向前行走，推动物料(500)使物料沿着弧形挡板(61)滚动到弧形挡板(61)的中间位置，抓取装置(4)将弧形挡板(61)的中间位置的物料(500)抓取到分拣盘(31)上，颜色传感器(8)记录物料(500)颜色，分拣盘(31)再次转动一格；

(6)循迹传感器组(7)导航下，机器人运动到物料堆垛区，压紧板(51)内旋转动，握住地面物料(600)，并与弧形凹面(531)配合形成竖直的物料通道(54)，分拣盘(31)转动使分拣盘(31)上与地面物料(600)颜色相同的物料转动到分拣盘(31)的前端，抓取装置(4)将分拣盘(31)上与地面物料(600)颜色相同的物料沿着物料通道(54)叠加到地面物料(600)上。

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