基于机器视觉工厂载货机器人设计

基于机器视觉工厂载货机器人设计

摘要：随着智能工业的推行，机器人也逐步的走向成熟。视觉载货机器人也得到越来越广阔的市场。本文讨论myrio作为机器人的核心，除了机器人整体的基本架构之外，主要靠Labview的图形化编辑，对实物控制。本文首先讲了对载货机器人的需求，海内外的技术以及我国努力发展载货机器人的理由，再对当前可视觉化的机器人在工厂中的运用进行简单的介绍，最后分析我的载货机器人的各项功能的基本原理。当然，我所提出的，通过myrio这种新型的嵌入式系统做出来的机器人，目前还没有很成熟的成品，我希望通过这次作品的展示，可以对我们工业的发展造成良好的作用。

关键字：视觉；工厂；载货机器人；myrio

第一章绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 中外工厂机器人的发展现状 1

1.3 设计的目的和意义 2

第二章总体设计方案 3

第三章机器人的机械设计 4

3.1 机体搭建 4

3.2 车轮 5

3.3 电机设计 6

第四章硬件电路设计 7

4.1 器件的选择和介绍 7

4.1.1 核心芯片的选择 7

4.1.2 电机的选择 8

4.1.3 传感器的选择 9

4.1.4 舵机模块的选择 11

4.1.5 电源模块的选择 13

4.1.6 实时摄像头模块的选择 13

第五章软件设计 14

5.1 循迹模块软件设计 14

5.2 车轮定时转动软件设计 15

第六章系统功能调试与测试 16

6.1 不供电调试 16

6.2 供电原地旋转、直行、夹取 16

6.3 供电自行载货 17

第七章总结与展望 18

7.1 总结 18

7.2 展望 19

致谢 20

参考文献 21

第八章附录 22

电机旋转程序图 22

升降程序图 24

摄像头采集程序图 25

小车直行程序图 25

图 21 26

后退程序图 26

第一章绪论

1.1研究背景

在如今这个物联网技术急速扩张的二十一世纪,什么都在往智能发展，也就是从这个时段开始，智能的载货机器人也就此被提出。在不久的将来，特别是近几年，随着各国的交流越来越多，越来越多的生产工业机器人的国际巨头，如今都把中国看成“未来市场的争夺地”。机器人其实是一个很有利润的市场，因为要是谁掌握了机器人这一命脉，谁也就掌握了经济的动向。当然，载货机器人的改变，也是很多技术的共同作用的综合反映。它的进化归功于在第二次世界大战中，几乎所有有发展目的的国家都加强了自身的经济投资。换个角度而言，这也是国力增强的表现，是我们朝发达国家成长的必经之路。

1.2中外工厂机器人的发展现状

机器人是一种高度集成化的产品，他自身包括了电子，机械，智能化，传感等等技术。第八次全国代表大会的召开，让我们打开国门去迎接新的事物，我们看到其他国家都在发展工业智能，所以我们的机器人发展，也就成了重中之重。根据各国的数据显示，在近些年的发展中，亚洲地区的发展状况是最好的，短短一年内，工业机器人的销量已经超过18万台，占全球的比例大概是70%左右；其次就是欧洲地区了，其中发展速度最快的就是东欧；在世界范围内，北美地区是发展不错的第三区域，它的销量达到 4万台左右。要知道，全球工业机器人的销量一直处于稳定提高的状态，特别在2005-2015年间。除此之外，越来越多的国家和地区将机器人投入本国的使用，其中在亚洲，使用量已经超过全球的50%，而且这个数据还在不断地增长。各国都在发展，中国也不例外，也加紧了对自身的建设，在短短的10年间，我们从对机器人的使用率已经从11.3%增加到30%，并且这个数据还在逐步增长。除了使用率在逐步增长，我们也在研究我们自己的新产品，并加以销售出国门，增加利润。所以，近年来，我们的销售占比也有所提高。

虽然种种原因导致了我国在这一方面不是很占优势，甚至是劣势，但是从1949年建国以来，因为国家的大力扶持，我们一直致力于工业方面的发展，所以经过了这么多年，在大家的努力下，我们的机器人技术已经基本赶上了那些发达国家的技术。

虽然我国的发展前景非常乐观，但是毕竟研究时间的差距，科学资源的差距在那边，我们比起那些发达国家，差的是整整10年多的距离，不管从信息网络还是从系统技术领域等，我们需要继续努力的地方还有很多，虽然我们现在确实能够生产一些机器人了，但是都还是一些简单的，低端的产品，比如左右拿取得机械手，包装的机器人，更或是只能走固定航线的机器人，这些都是比较低端的产品，我们需要做的是，研发一些有技术含量的机器人，比如可以自行识别并作出判断的行走机器人或者又是可以能够发声，根据人类的要求自己做事的机器人，这些都是我们需要继续做的。就当前的局面而言，我们的机器人使用比例远低于国际水平，我们的中国市场，对众多的国际品牌而言，无疑是一块肥肉，要是我们自己就能够从本国的资源中填补这一空缺，那么那些所谓的国际企业岂不是就损失了一大笔利润，所以他们一定会重重阻挠我们的技术发展，所以，我们除了要加紧我们自身的技术研究，还要面对那些发达国家给我们带来的挑战，毕竟我们还有很多技术是需要依靠外界。由此可见，国产机器人并不具备显和那些已经发展多年的发达国家相比较。

1.3设计的目的和意义

发展工业机器人的意义:

（1）国与国之间的利益往来在于两个国家是否在一个平面上，我们只有让国家进步了，我们的人民生活才能变好；

（2）机器人是一个多技术集成的产品，只有多多发展了工业机器人，才能让我国走上从农业到工业的转型；

也许也会有人问，既然我们比一些发达国家相差那么多，努力追赶肯定是要的，但是不必这么赶啊，慢慢来就好了啊，但是我们要知道，想要在国际上发言权，除了国家的经济发展，各项软实力也要跟上，就拿叙利亚来说，也许在我们的眼里，他只是一个小国，只是一个常年困战的国家，但是你可知道，其实不是这样的，或者说，其实更本不是这样的，首先，叙利亚确实是一个小国，但是他一点也没有我们想象的那么贫困，恰恰相反，它的国家的人民，杰出的很多，富人也很多，但为什么，它总是饱受战争的困扰，其中一点就是它的国力还不够。而发展这些高科技的技能就是提升软实力的很好的证明，我们知道，机器人是一个高度集成化的产品，它包括了很多领域的发展，我们要是能够大力推动好我们的机器人的发展，就相当于让我国的智能高端产品得到更大的市场，单从这一面，我们就能够和那些机器大国平起平坐，发展我国经济。所以我们应该从小地方做起，研发我们的机器人，让其走向市场，并提升市场的占比。

我们做过调查，在周围的一些中小型企业参观过，大部分小型企业还是人力为主，机器少之又少，就算有使用，也是极其简单的机器人，比如可以粗略控制的高低温箱；而中型企业也不乐观，虽说比小型企业好一点，但对机器人的应用还是比较少的，最常见的还是检漏方面的机器人。而那些所谓的高级机器人基本都是外国货，价格高不说，操作也复杂，需要有专人指导，所以一般企业负担不起，所以我国需要加紧研发这类的产品，这就是我们加快生产机器人的目的。我们也清楚，对于这些的研究一定是很耗费资金和人力等等，但是这和打开了中国市场比较，不算什么，我们只有让本国走上工业化，智能化的道路，才能更好的发展。还有一个问题，就算我们可以生产出一部分智能的机器人，但多年的差距，从技术含量，品牌等等方面考虑，也是一个极大的挑战，所以我们尽早与世界接轨，多多找出自身的缺点，继续发展。

日本、德国、美国甚至韩国在计算机产业化领域正处于高速发展的状态，如果我们不想着如何跟上它们的步伐，我们的差距将越来越远。但我们一直都有追赶，最终，我们一定会追上，甚至超越他们。

第七章总结与展望

7.1总结

在硬件方案设计实施遇到的几个问题：

1）由于摩擦力的作用，在根据数学模型确定好的方程后，机器人总是不能精准的到达原定的位置，有一定的误差，所以我们在输入距离时，要根据多次实验的情况，相应的放宽输入的实际参数，尽可能的接近目标。

2）每一个电机是不可能完全一模一样的，所以供电效果没不能完全一样，所以，机器人在红外传感器发生角度偏移时，就不能保持平衡，不能往一个方向出发，当遇到这种情况时，我们在给每一个车轮上的电机设置码值时，要对不同的车轮设置不同的码力，比如，我们的M3一直是电源启动时，发动比较困难的那个测，我们对于M3的码力值就需要加大，但要是遇到和M3恰恰相反的情况的车轮时，我们就需要人为的缩小值，这都是通过我们在场地上反复的实验得出来的结论，而且还有一点，就是在机械设计这一块，我们并没有考虑到平衡这个部分，为什么我们的机器人会导致M3的动力太小，带不动呢，有很大一部分原因就是太重的电源，都压力在一侧，虽然我们有所调整，但也不能保证通过我们的肉眼能很好地找到中心，所以我们一直在不断的尝试，直到基本能够平衡为止，一开始我们都没有想到是这方面的，一直以为是我们的车轮本身的问题，后来也是在老师的提醒下发现了问题，并解决，这个困惑确实难住了我们好久，但所幸，解决了。

3）其实在整个机器人从硬件成型到软件设计的过程中，最困难的其实是机器人的搭建，因为从头到尾，我们的机器人一共改了三次，由于不同形状的使用，底盘的车轮运动的机能也不稳定，一直都在寻找最稳定的行驶方式，既需要省力，又不能带不动整个机器人，所有我们最终决定以类正方形的形式搭建机器人的底盘，相比三角形或者长方形而言，类正方形更适合机器人的变幻行驶角度或者有时遇到原地旋转的情况。

4）在我们刚开始设计整个机器人行走的程序时，我们的机器人因为自身是有一部分重量的，毕竟那些元器件和支架都是不轻的，特别是我们的支架和连接器。所以当机器人遇到一个需要转弯的地方时，为了精准，我们都会让机器人先停下再转角度，但多次的实验，我们发现，机器人根本不能迅速的静止，反而会因为自身的重量，产生惯性，就连旋转的时候也是这样，后来我们在老师的指导下，在每一个需要转弯或急停的地方，都加上一个车轮反转的程序，机器人就可以立刻停下来，我们的精准度也就上去了。

5）还有一个问题呢，它不在于硬件部分，而在于我们的软件部分，因为毕竟我们是需要控制一个四轮机器人，每一个动作都需要连贯性，但是不能说因为只考虑到连贯性而写的程序太过复杂，不然就像我们在调试的过程中，我们的机器人好几次就死机了，主要就是因为程序太过繁琐。

例如这样的问题还有很多，从硬件搭建，硬件材料，再到软件设置，图形化编程，我们遇到了不少疑问，但是通过我们这样一边学，一边改还是解决了不少，还有很多都是我们的指导老师帮我们一起思考的，一切和我预想的都不一样，但从中也确实学到不小知识。

其实，因为我们是一个团队项目，我们彼此需要不断的分工再合作，如果遇到一个都不是很懂的问题时，我们只能各自学习后再一起研究出新方案，有时我们的思路可能不同，所以就必须彼此信任和协助对方，也同样感谢我的队友。

7.2展望

在我的这项基于机器视觉工厂载货机器人设计中，我看到了很多对于未来工业发展的需求，正如我的前言所说，未来的工业不同于现在，一定是一个需要机器的时代，一个需要减少人力劳动的时代，这就需要我的人类的创新和发展，所以在学习了myrio的这个系统应用后，我发现这是一个很快也很掌握的一个平台，能够快速的入门并使用。它自带的电机控制板也是非常实用的，它的电源电压是5v,对于四个轮子的电机供电，这款电机控制板可以很完美的控制好，而且myrio本身就是一款高度集成的开发器，它的串口功能也很强大，所以在使用的时候很方便。所以我们的载货机器人在控制方面的起步就不低了，我们可以用我们的视觉载货机器人代替人工，节约商品成本，为企业带来更大的利润。

当然，不论从刚开始的设计方面而言，还是从成品测试方面，我们都还面临着巨大的挑战，而且，到目前为止，因为时间的关系，我们还有以下几个问题还需要继续改进：

a.车轮的平稳还不是很好，我们暂时还没有彻底解决底盘稳定的问题；

b.软硬件系统还可以继续优化，整机还需要继续调试；

c.因为还没有找到材料比较合适的夹取工具，所以要是需要托起重量较重或者表面材质太过光滑的物体时，还不能很好的夹取；而且要是物体是一个不规则的形状时，我们只能通过叉的方式去抬起它，而不是我们原本的方式夹取，所以我们还需要继续改进。

但是不管遇到什么样的困难，我们都希望我们的这台基于视觉工厂的载货机器人能够得到市场的认可，毕竟在未来的发展中，互联网才是主力军，人工会逐渐被机器替代，一来是为了解放人工，我们需要的是有一定素质的懂技术的人才，不是只能做单一工种的工人，二来也是为了缩短生产的周期，节约人工成本，产生更大的利益，所以在未来，我们需要的不再是普通的操作工人，而是有着技能的新型人才，而且越来越人性化的机器人是未来市场的必然，加上互联网的人性化更是一种必然，所以我坚信我们的这个项目是很有发展的,对于我们做的不足的地方，我们争取把它做成熟，不断改进方案，力求完美。

参考文献

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