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摘要：本文将从基于单目视觉的智能物料分拣机器人的设计整体思路角度出发，介绍整体的设计要求和方案，同时介绍其设计的主要机械结构，进而分析对控制系统的设计方式，以期为有关部门提供可靠参考。
关键词：单目视觉；智能；物料分拣机器人；智能设计；机器人设计
引言：当今工业已经进入信息化、自动化以及智能化时代，人工控制已经逐渐被自动控制所取代。智能机器人在工业日常生产中的应用能够最大限度地帮助企业解决劳动力不足、成本过高等问题，以及提升生产率。在当今自动化生产中，物料分拣机器人有着十分重要的作用，有关部门需要对其予以高度关注。
1设计整体思路
1.1总体设计要求
（1）整体机器人的总质量应低于5kg。
（2）确保所设计的机器人尺寸低于400㎜×400㎜×500㎜（长×宽×高）规格，并且保证其能够变形、伸缩，不能对物料进行储存[1]。
（3）测试场地的尺寸应当为2400㎜×2400㎜，在四周设立100㎜高的黑色围墙。测试场地内应当包含出发点（白色，规格尺寸是400㎜×400㎜）、投放物料区（黄色，规格尺寸是300㎜×300㎜）、物料区（15％灰度的灰色，场地中除了存储区，其余区域结尾物料区）以及存储区（绿色，规格尺寸是400㎜×400㎜）。
（4）投放物料的装置需要从两侧把50颗物料投放于投放区中，使得物料可以随机地滚进物料区中，采用的物料主要是彩色磨砂乒乓球，有篮球、红球各25颗。
1.2总体设计方案
有关部门设计参与测试的智能物料分拣机器人，主要有三大组成部分，分别为：单片机控制与图像识别系统、执行机构以及传动-驱动系统。其中，传动-驱动系统主要包含舵机、直流减速电机；执行机构包含了机械爪、四轮驱动系统以及机械臂等。此机器人三维建模示意图，如图1所示：
图 1 智能物料分拣机器人三维建模示意图
图中各数字代表：1为数字舵机，2为机械爪，3为直流电机，4为挡板，5为车身底盘，6为滚珠轴承，7为锂电池，8为电路板，9为碳纤维。
2设计机械结构
此机器人的机械结构主要含有摄像头、抓取以及行走装置。其中，摄像头主要是借助图像识别系统在测试中用于识别、跟踪以及定位小球；抓取装置主要为夹持机构、机械臂机构等可伸缩铰链结构；行走装置主要为轮式机构，该机构能够同时控制4个轮子的差速，进而使该机器人能够全面运动。
2.1设计行走装置
常见行走装置运动的模式包含了轮式、履带式以及多足式：
（1）轮式：该结构较为简单，拥有便于控制、运动灵活、稳定性佳、速度快和振动小等优势，加之四轮驱动直线行走的能力较为良好，使得该系统效率高、驱动力大。
（2）履带式：具有较低的底盘运动速度，常被用到重型机械。
（3）多足式：此系统多被用在特种机器人的设计当中，有着较复杂的运动控制。
对上述模式进行综合分析，本次设计测试采用的行走装置模式为四轮驱动轮式。
2.2设计抓取装置
2.2.1夹持机构
此机构的作用为夹持乒乓球，设计原则为稳定、简单和实用，重点采用的结构为“包夹式”。以1:1的齿数齿轮运动副经由螺栓与包夹零件进行连接，随后借助对小舵机进行驱动，使其转动进行夹持。由于图像识别的定位有5-10㎜误差，所以为了使手爪抓取范围相应增大，设计94㎜的宽度。
2.2.2机械臂机构
设计采用的机械臂样式为关节式的球面坐标系，主要组成部分包含多个连接件、滚珠轴承转盘、小臂和大臂。该结构工作区域较大，且相对灵活。设计过程中，为了使机械臂旋转产生的惯性力降低，采用的主要机械臂材料为碳纤维，其重量较轻，刚度较强，使得整体机械臂重量被有效降低[2]。
3设计控制系统
3.1设计硬件
此系统中的硬件组成模块应当包含电机驱动模块、抓控模块、视觉感知模块、单片机控制器、姿态感知模块、显示模块以及电源模块等。
3.1.1电机驱动模块设计
对此机器人动力源进行设计时，应当考虑其控制方式、行走装置、底盘结构、工作电压、传感器模块以及整体质量等多重因素，选择最合理的直流减速电机作为驱动电机。因为运用了四轮驱动，为了对直流电机有效驱动、提升驱动效率，可以采用内含H桥大电流高电压全桥式的驱动器，这也可以大幅度减少体积，使得在额定范围中不会使芯片发热。此电路能够以方便、简单的形式有效控制直流减速电机，使得硬件电路结构得以被充分简化。
3.1.2抓控模块设计
设计采用了四个舵机，同时使用符合机器人性能的单片机控制信号。选择的单片机应当可以借助硬件计数对信号进行控制和改变，不仅不会受到外部环境的过多干扰，还可以可靠地工作，并且经由对四个舵机进行控制，使得相应机械手可以进行抓取控制。与传统的模拟舵机相对比，具有更快的反应，更加柔和、迅速的减速以及加速，最终确保数字舵机能够提供更好的固定力以及精准度。
3.1.3视觉感知模块设计
结合机器人特性以及测试要求，设计人员应当选取合适的摄像头来动态采集图像，并且在相应屏幕当中对图像中特定的乒乓球颜色进行实时识别和显示，进而在所选颜色周边画框。主要是把摄像头中的信息数据显示到相应屏幕中，以便识别屏幕中像素点颜色。
3.2总体控制程序设计计划
在设计控制程序时，应按照机器人的测试流程、现场状况编写程序。此程序中应当包含路径规划算法、定位算法与颜色识别以及增量式PID控制算法等。最主要的计划思路应当为：机器人在从出发点出发后，按照编写路径程序到达指定位置，用摄像机扫描机器人的四周，在检测到相应物料之后识别其位置以及颜色，运用机械臂对目标进行抓取和搬运，随后把物料搬到存储区。
通过以上设计，在实际测试过程中，此机器人可以对物料进行快速搬运，其颜色识别较为精准，分拣顺利，同时其系统保持了一定的可靠、稳定性，实现了预期的测试目标，参考价值极高。
结论：总体而言，有别于传统借助光电传感器对物料进行识别、定位，基于单目视觉的智能物料分拣机器人对物料识别、定位稳定性以及效率极高。在实际应用中也证明，此类机器人有着可靠、稳定的结构，合理的控制程序，在仓库、工厂中的应用帮助工人减缓压力、提升效率，节约企业成本，现实作用极大。
参考文献：
[1]左怀山.浅谈基于视觉分析的工业分拣机器人的发展[J].山东工业技术,2018(05):215.
[2]陈恳. 基于机器视觉的物料分拣工业机器人关键技术研究[D].深圳大学,2017.
论文作者:李峰屹
论文发表刊物:《科技新时代》2019年9期
论文发表时间:2019/11/20
标签：物料论文; 机器人论文; 舵机论文; 机械论文; 模块论文; 结构论文; 装置论文; 《科技新时代》2019年9期论文;