机器人搬运工程技术报告.docx

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机器人搬运工程技术报告

2015中国工程机器人大赛暨国际公开赛（RoboWork）

机器人搬运工程

技术报告

参赛学校：

华北电力大学

队伍名称：

冲队

参赛队员：

黄瑞托吴秋淑李梦

带队教师：

房静

二〇一五年七月

关于技术报告使用授权的说明

本人完全了解2015中国工程机器人大赛暨国际公开赛（RoboWork）关于保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：

参赛作品着作权归参赛者本人和比赛组委会共同所有，比赛组委会可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛机器人的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。

参赛队员签名：

带队教师签名：

日期：

引言

本文设计的搬运机器人以STM32单片机系统为核心控制单元，通过RPR220光电传感器识别并反馈赛道信息，通过两个PARALLAX舵机以及万能算法控制搬运机器人的运动角度、方向及转速，通过控制钩子的升降实现物料的抓取与放置。

将循迹模块、光电管模块、取物模块等功能模块集于一体，算法采用比例控制思想进行编程，通过对控制器的C语言编程，能够灵活地实现物料的搬运。

实验结果表明，该系统设计方案确实可行。

关键字：

STM32；RPR220；PARALLAX；C语言

ABSTRACT

InthispaperwewilldesignaHandlingrobotsystembasedonSTM32SCMordertorecognizeandfeedbacktheinformationofracingtrack,RPR220sensorhasbeenemployedinour,controllingtheangle,directionandspeedisjusttakinggoodadvanceofthetwoPARALLAXstringenginesanduniversalthesametime,throughcontrollingtheriseandfallofthehookthatismadeofsteelwirewemanagetoconductthetaskoftheobjects’fetchandmoduleoftracking,sensorandfetchingaresetinabody,whichhasadoptedtheideologyofproportion,itisflexibleforoursimpledesigntorealizethecarryofobjectsviaCprogramminglanguageoftheexperimentalresultsindicatethatourdesignschemeoftheHandlingrobotsystemistrulyfeasible.

Keywords：

STM32；RPR220；PARALLAX；C

绪论

机器人在搬运领域有极其重要的应用，然而研发能实际应用的机器人是有相当难度的，尤其是研发搬运领域实际应用的机器人。

国内外生产竞赛用机器人的企业很多。

美国Surveyor公司生产了一种名为SRV-1的履带式移动机器人，该机器人自带了数码摄像头和无线通讯等功能，机身小巧，可用于研究、教育等领域。

目前国内有几十家，例如上海未来伙伴机器人有限公司成立于1996年，其竞赛机器人产品包括：

灭火机器人，足球机器人，擂台赛机器人等。

国内很多高校近年来也开展了对于竞赛机器人的研究，电子科技大学万永伦介绍了一种竞赛全自动机器人，该机器人采用步进电机作为行走机构，钓鱼竿式的访求控制系统，主要用于参加首届全国大学生机器人电视大赛“抢攀珠穆朗玛峰”的比赛项目。

清华大学、南开大学、天津大学等也都在搬运机器人方面有所研究。

目前中国正在建立上海、昆山、天津、沈阳、哈尔滨、青岛、广州、芜湖、常州、厦门十大机器人产业园，大力发展机器人产业。

搬运机器人项目是中国机器人大赛2011年新增的比赛项目，目前没有一个公共的硬件平台，由于厂家生产的竞赛机器人成本较高，国内对于竞赛用搬运机器人的研究比较少，因此有必要开发出一款能够满足比赛要求、低成本、可扩展的机器人。

本技术报告主要包括机械系统、硬件系统、软件系统等，详尽地阐述了我们的设计方案及思想，具体体现在硬件电路的创新设计、硬件结构的独特设计以及控制算法的优化设计。

我们小组的创新之处主要在于算法及硬件结构。

在此过程中，我们付出了很多努力，这份技术报告正是凝聚了我们的智慧、汗水，是我们团队共同努力的成果。

在准备2015中国工程机器人大赛暨国际公开赛（RoboWork）机器人搬运组的比赛过程中，我们小组成员涉猎到自动控制原理、单片机原理与控制、机械原理、机械设计、电子技术、模电技术、汽车机械、传感器技术、计算机等多个学科、多种领域，几个月的努力，培养了我们电路设计、机械设计、软件编程、系统调试等诸多方面的能力，锻炼了我们将知识融合贯通、动手实践操作的能力，让我们深刻体会到了坚持不懈、吃苦耐劳的宝贵品质的重要性，这对我们今后的生活、学习、工作都会起着潜移默化的作用。

INTRODUCTION

Whatisknownisthatrobothasextremelyimportantapplicationintheareasof,itisdifficulttoinventrobotwhichcanpossesspracticalapplication,especiallyintheareasof,domesticandforeignproductionofthecompetitionwithalotofrobotsarebecomingmoreandissaidthatoneAmericancompanynamedSurveyorhashadproductioninasortoftrackedmobilerobotcalledSRV-1thatcomeswiththefunctionofadigitalcameraandwirelesskindofrobotscanbehavecompactbody,whichcanbeusedforresearch,educationandotherfields.

Therearedozensofdomesticthatmayproductcompetitionrobotsincludingfirefightingrobot,soccerrobot,contestrobotandsoexample,ShanghaiFuturePartnerRobotCo.,LtdwasestablishedincollegesanduniversitiesinChinahavealsocarriedouttheresearchonthecompetitionrobotinrecentisknown,WanYonglunoftheUniversityofElectronicScienceandtechnologyhasintroductedakindofcompetitionrobotwhichissortofrobotcanusesteppingmotorasawalkingmechanism,whichtakesgoodadvantageofsearchforcontrolsystemoffishingrodtype,mainlyusedtoparticipateinthefirstnationalcollegerobotTVcontestprojectcalled‘grabtheMountQomolangma’.TsinghuaUniversity,NankaiUniversity,TianjinUniversityandotheruniversitieshavebeenstudiedinthehandlingpresent,ChinaisbuildingtenrobotindustrialparksinShanghai,Kunshan,Tianjin,Shenyang,Harbin,Qingdao,Guangzhou,Wuhu,ChangzhouandXiamen.ThereisnodoubtthatChinaisvigorouslydevelopingtheroboticsindustry.

HandlingrobotprojectisthenewgameProjectintheChineserobotcompetitionin2011,whichhashadnopublichardwareplatformintherecentresearchforhandlingrobotforthecompetitionismuchfewerbecauseofmanufacturerproductionofhighercostofcompetitionthatcase,itisnecessarytoinventavarietyofrobotthatcansatisfytherequirementsofthegame,lowcost,andbeextended.

Thistechnicalreportdescribingthedesignschemeandideaofourdesignindetailmainlyincludesmechanicalsystem,hardwaresystem,softwaresystem,uniquedesignofthehardwarecircuit,theuniquedesignofthehardwarestructure,andtheoptimaldesignofthecontrolalgorithmareteam'sinnovationliesinthealgorithmandhardwarethisprocess,wepayalotoftechnicalreportistogatherourwisdom,sweat,whichistheresultofourteamworktogether.

InthecourseofpreparationforChinaengineeringrobotcompetitionandinternationalopenRoboWorkofhandlingrobotgroupin2015,ourteammembershaveavarietyofdisciplinesandfieldsofautomaticcontrolprinciple,theprincipleofsinglechipmicrocomputerandcontrol,mechanicalprinciple,mechanicaldesign,electronictechnology,electronictechnology,automotivemachinery,sensortechnologyandhavetheabilityofthecircuitdesign,mechanicaldesign,softwareprogramming,systemdebuggingandsoon,andtomergetheknowledgeandthepracticeoperationafterseveralmonthsofhardwork,deeplyrealizingtheimportanceofperseveranceandhardworkofthevaluablequality,whichwillbeasubtleroleofourfuturelife,studyandwork.

1系统总体设计

系统概述

系统的总体概述为：

搬运机器人先通过光电传感器先采集场地信息并记录，然后机器人开始基于STM32内置算法分析轨迹并进行相应路线运行，机器人搬运物块ACE到指定颜色位置完成第一环节后进行第二个环节10个物块的搬运。

搬运机器人根据光电传感器反馈的数据准确停在指定物块位置，钩子抓取物块后，搬运机器人将物块送到指定位置通过光电传感器反馈数据松开钩子放下物块。

运送物块过程中，搬运机器人通过尾部三个光电传感器实现精确转弯并通过PWM输出控制机器人沿着赛道行进。

运送物块两个环节结束后，机器人沿线返回起点位置。

根据系统的基本要求，我们设计了系统结构图，如图所示。

在满足比赛要求的情况下，力求系统的简单高效稳定，因而在设计过程中尽量简化硬件结构,同时减少因硬件而引发的问题。

图为RPR220光电传感器结构图，图为RPR220光电传感器硬件分布图，图为RPR220光电传感器硬件实物图，图为取物舵机结构图，图为取物舵机硬件分布图，图为取物舵机硬件实物图。

信息采集、反馈

占空比信息占空比信息

图系统结构图

图光电传感器结构图图光电传感器硬件分布图

图光电传感器硬件实物图

图取物舵机结构图

图取物舵机硬件分布图

图取物舵机硬件实物图

整体布局

本组搬运机器人整体布局有如下几个特点：

（1）采用八个RPR220光电传感器。

如图和为两个前瞻，可以提前检测到黑线；③④⑤⑥⑦⑧六个RPR220光电传感器用来巡线，其中③④⑤三个RPR220光电传感器起主要巡线的作用，⑥⑦⑧三个RPR220光电传感器起辅助巡线的作用；⑥⑦⑧三个RPR220光电传感器用来转弯，其中RPR220光电传感器⑦起主要转弯的作用，⑥⑧两个RPR220光电传感器起辅助转弯的作用。

（2）采用三个钩子，三个钩子包含了七个小钩子。

如图，钩子1,2共用一个舵机1，钩子3,4共用一个舵机3，钩子5,6,7共用一个舵机2。

在进行物料分拣搬运的第一个环节时，只用到了钩子2,4；在进行物料分拣搬运的第二个环节时，钩子1,2,3,4,5,6,7同时使用。

采用三个钩子能够使得物料搬运过程中更加稳定可靠，最后放置时更加接近目标区的中心。

下面将详细介绍我们小组钩子使用情况：

①如图，在进行物料分拣搬运的第一个环节时，需要从暗箱中放置的5种不同颜色的物料随机抽取3种颜色物料，依次放置在场地上标示为A、C、E的位置，机器人将这三个物料分拣搬运到对应的颜色区域。

在这一环节，我们小组只使用了钩子2,4。

当钩子2和钩子4上都处于升起状态（即未钩住物料）时，我们小组的搬运机器人会先使用右边的钩子（即钩子4）将所要放置的物料钩起，当遇到前面有障碍物（即物料）时，会用左边的钩子（即钩子2）将障碍物（即物料）钩起，带着两个物料一起行进，直到将的右边钩子钩住的物料放置好才去将左边钩子钩住的物料放置好；若未遇到前方有障碍物（即物料），则直接将右边钩子钩住的物料放置好。

图是右边的钩子4钩住物料时的分布图；图是当右边钩子4钩住物料并且遇到前方障碍物时将处于升起状态的左边钩子2降下的情况分布图；图是当右边钩子4钩住物料并且遇到前方障碍物时采用左边钩子2将障碍物钩住的情况分布图。

②如图，在进行物料分拣搬运的第二个环节时，需要将F（图）、G两个储料区的共计10个物块取出分拣搬运至对应颜色区域（如绿色物料搬运到绿色目标区，以此类推）。

在这一环节，我们小组使用了所有的钩子。

我们小组的钩子2和钩子5同时钩住一个物料，钩子4和钩子6同时钩住一个物料，钩子1,3,7各负责钩住一个物料。

我们可以看到，钩子1和钩子2是连贯的，即钩子1或钩子2只要有一个升起或降下，都会带动另一个的升起或降下。

钩子2和钩子5之所以需要同时钩住一个物料，是因为当钩子1升起从而放下钩子1所钩住的物料时，钩子2也将随着钩子1的升起而升起，这样的话，钩子2和钩子5共同钩住的物料将变成由钩子5单独钩住，这就做到了一次只放一个物料的目标，且放置好一个物料的同时并不影响其他物料的放置。

同样地，钩子4和钩子6同时钩住一个物料的道理如上面所述。

图是钩子将要降下之前将五个物料集拢在一起的图；图是钩子全部落下时各个钩子钩住物料的分布图。

图F区的五个物料图

图钩子将要降下之前将五个物料集拢在一起图

图钩子全部落下时各个钩子钩住物料分布图

图右边的钩子4钩住物料分布图

图当右边钩子4钩住物料并且遇到前方障碍物时

将处于升起状态的左边钩子2降下的情况分布图

图当右边钩子4钩住物料并且遇到前方障碍物时

采用左边钩子2将障碍物钩住情况分布图

图整体布局图

2机械系统设计与实现

万向轮

万向轮就是所谓的活动脚轮。

最大的优点就是它的结构允许水平360度旋转；同时，万向轮的使用大大减少了摩擦。

万向轮实物图

舵机

我们组采用了两种舵机分别用于轮子和钩子。

轮子上所采用的舵机型号为PARALLAXContinuousRotationServo；钩子所采用的的舵机型号为TowerProMicroServo9gSG90。

以下将详细介绍我们小组所使用的这两种舵机。

（1）PARALLAXContinuousRotationServo的最高转速可达50转每分（电压6伏特时）。

以下将对PARALLAXContinuousRotationServo性能及使用进行详尽介绍。

PARALLAXContinuousRotationServo舵机电路图

PARALLAXContinuousRotationServo舵机3Pin

PARALLAXContinuousRotationServo舵机转动分析

PARALLAXContinuousRotationServo舵机转速与脉冲宽度的关系图

（2）如图，TowerProMicroServo9gSG90舵机有三根引出线：

VCC（电源线），GND（地线），CONTROL（控制线）。

VCC，GND为舵机的电源线，CONTROL为舵机控制信号的输入线。

控制信号为50Hz的PWM波形（矩形波），不同的脉宽（占空比）对应舵机不同的方位角。

改变脉宽即可改变舵机的方位角。

在没有过载且控制信号持续稳定的条件下，舵机的方位角严格保持不变。

此控制信号适合所有类型的舵机。

需要注意的是尽管也可以用延时函数来实现PWM波，但舵机运行可能不平稳，而且若PWM波的频率偏离50Hz过大，舵机会出现震颤甚至会无法启动舵机！

需要说明的是，因程序脉宽调整的原理，脉宽的可能取值是离散的，只能得到一些特定位置，但对于普通的执行机构，是能够满足要求的。

需要注意的是，给舵机供电电源应提供足够的功率，控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms（即频率为50Hz）。

当方波的脉冲宽度改变时，舵机的转轴角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比，如图。

图TowerProMicroServo9gSG90舵机三根引出线图

图TowerProMicroServo9gSG90舵机内部电路图

图舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系图

铜柱

铜柱主要起到支撑的作用。

本技术报告中之所以会提到铜柱，是因为我们小组在ALIENTEKMiniSTM32开发板的四周加了很高的铜柱之后，有效节省了结构的使用空间，更重要的一点便是，在我们小组进行调试时，可以将小车倒置，如图，确保了ALIENTEKMiniSTM32开发板的安全，方便了我们的调试。

图将搬运机器人倒置图

3硬件系统设计及实现

我们主要从系统的稳定性、可靠性、高效性、实用性、简洁性、美观性等方面来考虑硬件的整体设计。

从最初的设定到最终的敲定，我们小组经过了很长一段时间的分析讨论及经历才有了如下的硬件设计。

硬件设计

RPR220传感器

本小组使用的是RPR220光电传感器。

RPR220传感器原理：

RPR220传感器是由红外发射管和红外接收管构成的，其外部包裹着黑色塑料。

当搬运机器人行进时，红外发射管会发射光，而黑线和白线反射光的强弱程度不同，白线比黑线反射能力更强，进而红外接收管会吸收由黑线或白线反射回来的光，形成了一定的电流，如图，电流通过18kΩ的电阻会形成一定的电压，我们小组经过反复实践检验，设定了一个阈值，从而将电压数值转变成二值数值，即当电压值大于阈值时，我们设为值1；当电压值小于阈值时，我们设为值0。

结合RPR220传感器的原理，我们使用了八个RPR220传感器。

如图，前两个是前瞻，能够提前检测到黑线；中间三个是巡线用的，其间隔是略大于黑线宽度；尾部三个是转弯用的，同时又是辅助巡线用的，这三个中中间那个传感器⑦对转弯起很多的作用，而左右两个传感器⑥和⑧是辅助转弯用的。

我们小组所设计的传感器有如下优点：

（1）中间三个是巡线用的，其间隔是略大于黑线宽度，其很大的优势便是有效防止搬运机器人走丢或误判。

因为如果用作巡线的传感器之间的间隔小于等于黑线宽度，一旦走偏了一点点，就会检测不到路线了，这就造成了走偏；同样地，若用作巡线的传感器之间的间隔比黑线宽度大很多，就会很容易出现误判，又因为它是要检测黑白线的，所以小车在巡线过程中很有可能会歪歪扭扭前行；虽然我们小组用作巡线的传感器之间的间隔略大于黑线宽度，但实际上在巡线过程中仍然是压着黑线行进的，并没有想象中的会歪歪扭扭而不稳定的巡线。

（2）事实上，我们小组所使用的巡线传感器一共有六个，中间的③④⑤三个RPR220光电传感器起主要巡线的作用，尾部的⑥⑦⑧三个RPR220光电传感器起辅助巡线的作用。

这就使得我们的搬运机器人能够稳定地巡线，即使走偏了一点点，它也能够及时纠正过来并继续巡线行进。

（3）采用了三个用作转弯的传感器，其中位于尾部中间的传感器⑦起主要转弯的作用，左右两个传感器⑥和⑧是辅助转弯用的。

我们由一开始的用作转弯的一个传感器改进成了三个传感器，这就使得我们的搬运机器人在转弯过程中更加灵活、敏捷。

而位于尾部的三个传感器又具有辅助巡线的作用，如果在行进过程中偏了一点点，可以及时采集、反馈信息并及时纠正。

ALIENT