竞赛用自动分拣机器人的研究与设计

摘要

自动分拣机器人整机的设计采取了模块化的设计方法，以自动分拣机器人的比赛规则作为设计要求，从整体到局部，先确定机器人总体设计方案，然后对其进行机械结构设计、硬件选择、硬件电路设计及软件系统设计。各模块均在开头做了深入的理论分析，并在最后进行了实验验证。 在机械结构方面，对其外观，尺寸等方面做了细致分析并进行了合理的设计。介绍了各零部件的设计要求，并详细讲述了它们的结构以及在机器人中的作用。还详细介绍了零部件的装配方法，以及舵机、直流电机等硬件的安装方式。对机械结构中主要的受力构件做了力矩校核。在用于抓取工件的机械手上，通过各构件间组成的两个平面四连杆机构，使得手部可以保持与地面平行的状态，减少了舵机的使用。最后本文还对机械手的抓取运动轨迹采用了三次多项式规划，利用Matlab进行轨迹仿真，得到的仿真结果达到了期望的结果。 在硬件系统方面，详细介绍了选用的硬件，设计了相关的硬件电路。其中循迹系统一块，由发光二极管和光敏电阻共同组成的光电传感器检测地面线路，配合运算放大器整合放大检测信号，使机器人循迹稳定，无误。循迹系统将检测到的外界信息反馈给控制芯片，控制芯片控制电机从而实现了机器人行走的速度控制。机器人定位停车上使用了红外光电开关定位，采取先减速后停车的方式，使机器人能准确地停在比赛指定位置。最后在视觉识别上，选用功能强大的Openmv视觉模块来识别要抓取的工件，并使用其控制芯片控制机械手的运行，充分发挥了Openmv的功能。 最后在软件系统方面，机器人行走的控制芯片和Openmv视觉模块都是使用Python语言编程，为提高识别的精准度，提升工件分拣的速率，在视觉识别上除了颜色识别、形状识别和模板匹配三种目标识别算法配合使用外，还在视觉技术辅助机械手定位上做了研究，对角度测量算法和通过改进的水平距离测量算法进行了测试，验证了两种算法的可行性。 通过以上的工作，本文设计并制作的一款自动分拣机器人，对外界信息获取能力强，行走速度快，识别并抓取运动目标快速且稳定，最终在创泽信息杯2017中国机器人大赛中荣获二等奖。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 自动分拣机器人的关键技术

1.5 主要研究内容

第二章 自动分拣机器人方案设计

2.1 设计任务

2.2 机器人预定功能

2.3 机器人设计方案

2.4 本章小结

第三章 自动分拣机器人机械结构与控制方式设计

3.1 机器人整机结构

3.2 底板结构设计

3.3 二层平台结构设计

3.4 机械手系统的组成

3.5 底座结构设计

3.6 腰部结构设计

3.7 手臂结构设计

3.8 手腕结构设计

3.9 手部结构设计

3.10 储存盒结构设计

3.11 轨道结构设计

3.12 其他零部件的设计

3.13 自动分拣机器人整体装配

3.14 机械手控制方式设计

3.15 本章小结

第四章 自动分拣机器人循迹系统设计

4.1 循迹系统设计方案

4.2 硬件电路设计

4.3 自动循迹系统原理

4.4 自动循迹程序设计

4.5 本章小结

第五章 自动分拣机器人定位系统设计

5.1 机器人定位方案

5.2 红外光电开关的工作原理

5.3 定位程序设计

5.4 本章小结

第六章 视觉识别及辅助控制

6.1 识别方案

6.2 硬件信息及编程软件

6.3 目标识别方法

6.4 机械手辅助定位方法

6.5 本章小结

第七章 机械手的轨迹规划

7.1 机械手的路径和轨迹

7.2 关节空间轨迹的规划

7.3 三次多项式轨迹

7.4 节点规划

7.5仿真分析

7.6本章小结

第八章 总结与展望

8.1 总结

8.2展望

参考文献

附录A 各模块PCB图

附录B 初始化源程序

致谢

攻读学位期间的研究成果