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1 摄像头搬运机器人整体设计 1.1设计规则
1.1.1设计目标
搬运机器人比赛的要求是：设计一个小型轮式机器人或人形机器人，模拟工业自动化过程中自动化物流系统的作业过程。机器人在比赛场地内移动，将不同颜色但形状相同的物料分类搬运到设定的目标区域。比赛计分根据机器人所放置物料的位置精度（环数）和数量确定分值。比赛排名由完成的时间和比赛计分共同确定。 1.1.2 场地设计
智能搬运机器人的比赛场地如图1-1所示。
图1-1搬运机器人的比赛场地示意图择。 在 1．场地材质：使用（长）2440毫米×（宽）2440毫米×（高）20毫米的两块白色实木颗粒板平铺在地板上，并在外围配以（长）2440毫米×（宽）20 毫米×（高）200毫米的白色实木颗粒板作为四周的围栏。
2．图纸制作：亚光PVC 膜纸，可将下载好的图纸电子档（CAD文件）送至打印店，由打印店通过计算机彩色喷绘完成图纸制作（无需对图纸的尺寸及颜色等做更改，直接制
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作即可）。
3．场地制作：将白色实木颗粒板平放在平地上，将喷绘好的图纸平铺并固定到实木颗粒板上（保证图纸位置与场地位置中心重合）即可。
4.物料摆放点：物料存储区圆环与搬运辅助线的交点，顺时针旋转由内到外分别命名为： A、 B、 C、D、E、F、G，5 个中心圆顺时针分别图绿色、白色、红色、黑色、蓝色。
1.1.3比赛流程
1. 比赛使用的三个料块的颜色、摆放位置通过现场抽取料块的方式决定。现场抽取时，从放在暗盒中的五个不同颜色（黄、白、红、黑、蓝）的料块中，按每次抽出一个的方式，依次抽出三个料块。第一次、第二次和第三次抽出的料块依次摆放在场地图纸所示的 A、 C、 E 位置上。
2. 参赛队现场抽取三个料块后，可利用最长 5 分钟的准备时间，根据确定的搬运任务进行现场调试。
3. 准备时间到， 机器人从出发区出发，将 A、 C、 E 位置上摆放的料块，搬运到相对应的颜色所指示的目标区（如，绿色料块搬运到绿色目标区，以此类推）。
1.1.4参赛队比赛总分的计算说明
比赛得分按照位置精度和完成时间综合评定。有关位置精度的计分方法如下： 1．精度分值 ＝ 放置在目标区的料块靶位环数之和。 2．比赛总分 ＝ 精度分值 ＋ 返回出发区分值。
记分细则：
1．参赛队比赛总分的计算说明 ⑴ 规定项目比赛：
料块位置精度分值： 以料块十字形标记指示的中心位置位于目标区的靶位环数计算得分，其取值范围为 1 至 10 分。 料块位于靶心分值最高，取 10 分。机器人返回出发区分值： 10 分。（限定机器人至少完成一个料块的搬运且搬运料块要有得分，才能获得返回出发区得分。）
⑵ 创新创意赛：按照创意、现场表演等情况由评委按百分制积分评审。 2．分拣料块得分原则：
结束比赛后，物料必须与机器人脱离，才能计算分数。
3． 返回出发点得分原则：
比赛终止时刻，机器人若有一个轮子与地面的接触点在出发区内，并且机器人已经停止动作，则认为已经回到出发点，得 10 分。
若机器人无法自动回到出发区时，参赛队员可以口头通知裁判提前终止比赛，记 0 分。 4．出现下列情况，不得分：
⑴ 整个比赛过程，机器人必须自主完成比赛任务， 不能人为干涉机器人（包括直接接触和场外遥控等）。发生人为干预机器人的现象，记 0 分。
⑵ 参赛队之间不能互相借用机器人，同一个机器人只能代表一支参赛队比赛。
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1.2车体与运动机构选择
轮式机器人移动机制有很多种，其中以三轮和四轮最为常见，理论上说采用四轮驱动方式最佳，机器人走直线时比较平稳，但是根据搬运机器人比赛规则，参赛用机器人的投影尺寸应不大于（长）280mmx（宽）160mm，若采用四轮驱动方式，机器人尺寸就会显得很大。应此本机器人选用三轮车身结构，两个前轮分别利用一个电机驱动，后轮为随动转向轮，起平衡作用。这种移动机制对搬运机器人的控制更加方便，原地转向更加灵活。搬运机器人车身材料选择了亚克力板。该车架与普通塑料车架相比起来，更加坚固。 对于竞赛搬运机器人来说，主动轮的驱动方式有很多种，其中以直流电机和步进电机最为常见。步进电机可以通过对电机转动角度的精确调整，来实现机器人前进距离的精确定位，但步进电机驱动比较复杂。直流电机驱动则相对比较简单且调速方便，直流减速电机是在普通直流电机的基础上，加上了配套齿轮减速箱。它具有重量轻，使用方便等特点，能提供较大的转矩，经综合比较分析，本设计最终采用直流减速电机作为搬运机器人的驱动电机。
机器人整体结构如图1-2，实物图如图1-3。 ?类别 ?主控制器 ? 电源管理 ? 电源保护 ? 串行调试 ? 九轴惯导 ? 电机驱动 ? 隔离器件 ?选用 MK60DX256 TPS54550 LTC4359 CP2102 MPU9250 BTN7971 SN74ALVC164 BCM2836 图1-2 整体结构
? 图形处理
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图1-3 车型实物图
1.1.3 搬运机器人物品清单
2 搬运机器人硬件结构
本章将具体介绍搬运机器人硬件结构及性能，有利于读者对此搬运机器人有全方位的了解。
2.1动力装置-舵机
舵机采用JR接口， 能360°旋转，机器人舵机，全铜齿轮，双轴承。其尺寸为57
×38×48mm，净重为 56g。转轴转动选用舵机驱动，舵机是一种位置伺服的驱动器，他可以通过接收控制信号从而输出一定的角度，适用于角度需要不断变化并保持的控制系统。 通常舵机控制电路有三个引脚，分别是电源、地、控制线，舵机工作电压为4.8-6V，通过控制引脚接收控制信号，通过单片机的定时器产生宽度可调的周期性脉冲信号，其中脉冲信号的周期为20ms，利用方波脉冲宽度的变化来改变舵机的输出角度。角度变化与脉冲宽度变化成正比，当输出轴转角为负时，舵机反转，从而带动机械手张开，反之，当输出轴转角为正时，舵机正传，从而带动机械手吸合。
图2-1 舵机外观 图2-2 外形尺寸
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图2-3 舵机参数
2.2动力—伺服电机
搬运机器人采用的电机为伺服电机（ servo motor ），伺服电机在伺服系统中控制机
械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。 伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。其工作原理如下：
伺服系统（servo mechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对
环境有要求。 图2-4 伺服电机 1.无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。
2.交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。
3.伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。