一种具有示教作用的喷涂机器人的设计

陈金宇 黎梓恒 吴国洪 曾志彬

（1.东莞理工学院机械工程学院，广东东莞523000；2.东莞市横沥模具科技产业发展有限公司，广东东莞523000）

0 引言

随着科技的发展，机器人技术的应用不断被拓展[1]。户外运动如篮球、羽毛球都是热门的运动，由于诸多外力因素影响，户外篮球场或羽毛球场的实线会随时间推移发生模糊程度变大的情况。目前的场线修复主要采用纯手工涂装或非自动的机械涂装方式[2]，非自动的机械涂装方式虽比纯手工涂装效率高、精度好，但相对于采用机器人自动涂装的方式，这两者均表现为耗费更多的人力，耗时长，效率低，精度低。

针对以上不足，本文提出了一种喷涂机器人的设计方案，以应用于基础设施的维护。本文将从机构设计方面与软件系统搭建方面进行阐述。

1 硬件平台设计

本文所设计的机器人结构如图1所示，机器人高度约为0.5 m。机器人的动力部分为两个直流电机驱动机器人的移动，42步进电机驱动球阀的开关，云台电机驱动Openmv摄像头的旋转。直流电机通过联轴器和带轴的法兰连接轮子，直流电机的转速即轮子的转速；直流电机通过电机固定件连接载板，左右两边对称设置，构成一种两轮移动平台。42步进电机通过联轴器连接球阀，通过电机固定件连接载板。云台电机安装在云台电机座里，进一步地，通过两个云台电机卡件分别连接载板与相机座。

图1 硬件结构设计图

机器人的传感器部分包括Openmv摄像头、陀螺仪和激光测距模块。Openmv摄像头设置在相机座的下方，用于采集球场白实线的图像；陀螺仪共计两个，其一设置在stm32平衡车主板上，用于实时采集机器人的倾角信息，并反馈给stm32平衡车主板，进一步地控制直流电机进而调整机器人的姿态，维持其在平衡状态；其二设置在相机座上，用于实时采集相机座的倾角信息，并反馈给stm32平衡车主板，进一步地控制云台电机进而调整Openmv摄像头的姿态，保持平稳地采集图像。三个激光测距模块分别设置在直流电机的下方，通过多个测距模块固定件连接至电机固定件的侧面，用于检测障碍物的距离信息，及时反馈给机器人做出避障动作，保护电机和喷嘴不被撞坏。蓝牙模块设置在stm32平衡车主板上，用于机器人与移动端APP的连接，可以手动控制机器人与维护调试机器人。蜂鸣器设置在stm32平衡车主板上，当机器人检测到障碍物时，蜂鸣器发出警报声。

2 软件系统搭建

采用喷涂机器人进行示教课程时，规划各传感器技术的优先级问题和触发中断使用问题。

机器人实际工作时，平衡车的机构平台根据设置在stm32平衡车主板上的陀螺仪的角度数据，以直流电机为源动力，消除机器人平台的倾角，维持平衡[3]；视觉平台根据设置在相机座上的陀螺仪的角度数据，以云台电机为源动力，消除Openmv摄像头的倾角，维持平衡。

通过摄像头获取图像和对图像进行处理，根据所产生的坐标信息调节平衡车的姿态，让摄像头及平衡车始终跟着白线的中心移动，保证喷涂的精准度；识别白线在视觉的中央的方法为：通过摄像头获取图像后，对图像进行标定，然后对图像进行阈值分割处理，得到只含白色区域（即白线）的图像，而过滤掉无需处理的图像部分；对已得到图像通过边缘检测得到白线边缘的外轮廓线，然后对轮廓进行筛选，剩下白线外缘两条互相平行的长直线；根据两条长直线可以得到其中心位置并画出两条平行线的中间线，再通过获取其绝对坐标和相对坐标的位置，通过调节平衡车的姿态来移动摄像头使得其相对坐标与绝对坐标重合，让摄像头始终跟着白线的中心移动，即机器人跟着白线的中心移动；或者，对已得到图像通过边缘检测得到白线边缘的外轮廓线，获取每条线的端点坐标值，通过算法可以判断得到的线条是平行还是垂直或者根据勾股定理是否能构成直角三角形来判断白线的90°拐角，而对于白线末端的直角短线度进行剔除，避免对结果产生影响。

通过激光测距模块检测障碍物的距离信息和处理数据，根据障碍物的距离调节平衡车的运动、球阀的开关和蜂鸣器的警报，从而提醒及时清除路障，保证工作效率。

3 结语

本文所做的工作总结如下：第一，根据目标功能对移动机器人进行了结构设计；第二，根据机器人的功能要求搭建了软件系统。

本文所设计的喷涂机器人以平衡车主板为控制中心，利用陀螺仪判定平衡状态，利用电机对喷涂机器人进行调整使其处于平衡状态，然后利用摄像机获得喷涂轨迹以指示喷涂机器人进行自动喷涂，可应用于基础设施的维护。