带机械手的两轮视觉机器人的设计

劳振鹏 曾志彬 黄市生 吴国洪 陈学忠

（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；3.广东石东实业（集团）公司，广东东莞523000）

0 引言

随着中国制造2025的提出，服务机器人成为了一个重点研究领域，现有的服务机器人常见的有四轮驱动式、两大轮带动两小轮式、两大轮带动万向轮式[1]，然而却很少有两轮自平衡的服务机器人。服务机器人需要往更加轻便灵活的方向发展，四轮驱动式的服务机器人并未具有很好的轻便灵活性。目前，大多数机械手都应用于固定工位的搬运工作[2]，很少将机械手与两轮自平衡机器人的技术联合起来。把两轮自平衡技术、机械手、视觉识别技术与自动避障技术整合在一起，可以构造一种具有自动识别、夹取、搬运等多种功能的服务机器人，并应用到自动捡网球等领域。

针对以上问题，本文提出了一种带机械手的两轮视觉机器人的设计方案，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，机器人的结构包括自平衡车平台、机械手臂、视觉与激光测距平台。其中，自平衡车平台包括轮子、大功率直流电机、底板、载板；机械手臂包括机械手本体Ⅰ、机械手本体Ⅱ、直流电机Ⅰ、机械手夹子、舵机；视觉与激光测距平台包括Openmv摄像头、激光测距模块。

图1 硬件结构设计图

机器人的轮子与大功率直流电机连接，进一步地两者通过电机固定片固定在底板的下方，两个轮子对称设置。载板设置在底板的上方，两者之间用四个铜柱支撑，STM32智能车主板设置在底板的上表面，机械手臂设置在载板的上表面。机械手本体Ⅰ的倾斜结构与竖直方向成45°，机械手本体Ⅱ设置为四个边角都铰接的平行四边形结构，机械手本体Ⅱ的短边的两个铰接点与机械手本体Ⅰ连接。直流电机Ⅰ固定在机械手臂的一侧，通过同步轮、同步带联动机械手本体Ⅱ。机械手夹子通过方形板与机械手本体Ⅱ的另一条短边的两个铰接点连接，机械手本体Ⅱ摆动过程中，机械手夹子能一直保持水平状态。舵机设置在机械手夹子的反方向，电机轴与机械手夹子螺旋连接。激光测距模块设置在机器人正前方的中间偏下位置，通过第一层平台的下表面固定，激光测距模块的中心与网球球心在同一水平面上，Openmv摄像头设置在激光测距模块的正上方。

2 软件系统搭建

通过搭建机器人的系统使其具有自动工作模式。机器人上电，电机驱动系统、视觉系统开始运行，初始化各个参数；自动工作模式下，使用彩色图像写入模式，关闭白平衡，进行绿色滤波，捕捉绿色目标，在未捕捉到绿色目标之前，机器人会通过慢速自旋转一圈与移动固定的步长搜索绿色目标，直到成功捕捉绿色目标为止；进一步地对输入图像边缘检测，计算图形的梯度，并确定圆周线，其中圆周的梯度就是它的法线[3]，在二维霍夫空间内绘出所有图形的梯度直线，坐标点累加和的值越大，则该点上直线相交的次数越多，该点越有可能是圆心，在霍夫空间的4邻域内进行非最大值抑制，设定一个阈值，霍夫空间内累加和大于该阈值的点就对应于圆心；当同时满足绿色特征和圆形轮廓两个条件，机器人确定其为绿色网球；进一步地，Openmv摄像头根据圆心与图像中心的位置偏差转换成特定的编码信息，通过串口通信传输给STM32智能车主板，从而输出脉冲与方向信号控制电机，调整机器人正对着网球的中心，进一步地机器人直线向前走，当激光测距模块检测到正前方的距离等于预设的物体检测距离（WL值），机器人停止前进，进一步地，STM32智能车主板控制机械手从上往下移动，旋转固定的角度，张开的机械手刚好停在网球球心所在的水平面，机械手夹紧，实现夹取网球。

3 结语

本文所做的工作总结如下：第一，根据功能要求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。本文将机器人设计为两轮移动式，结合自平衡技术，使得机器人的运动更具灵活性；将机械手与两轮自平衡系统结合，有效扩大了机械手的应用范围；融合了视觉识别技术与自动避障技术，整套机器人系统逻辑严密，具有较高的智能化程度。