陳暄

摘 要 本文從實(shí)際研究出發(fā)，闡述了一種物品接受機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程，從主要功能，軟硬件設(shè)計(jì)以及物品接受機(jī)器人的路徑進(jìn)行了分析，最后通過實(shí)驗(yàn)說明本物品接受機(jī)器人具有很好的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞 工業(yè)化 機(jī)器人設(shè)計(jì) 路徑規(guī)劃

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

機(jī)器人是目前工業(yè)化研究領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向，伴隨著科技的發(fā)展和社會的需求，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，具有服務(wù)性質(zhì)的機(jī)器人領(lǐng)域必將創(chuàng)造一個巨大的應(yīng)用市場，帶來一個新的經(jīng)濟(jì)增長機(jī)遇，因此世界范圍內(nèi)的科技強(qiáng)國都十分重視服務(wù)類型的機(jī)器人技術(shù)的研究。本文主要闡述了一種在工作和生活中很多接物裝置（所謂接物裝置主要指用來接納物品的一種裝置，比如工作和生活中最使用的垃圾桶等這類產(chǎn)品）的情況，發(fā)現(xiàn)這些接物裝置幾乎都是長期處于靜態(tài)行為的一種被動的接收的狀態(tài)。以目前普通的接物裝置作為研究的對象，將思路擴(kuò)展到移動智能的接物裝置的設(shè)計(jì)中.本文將自動感應(yīng)定位技術(shù)、路徑避障選擇算法和無線充電技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，研究出可以一種自動感應(yīng)定位的物品機(jī)器人。

1物品接受機(jī)器人主要功能

1.1機(jī)器人功能分解和展示

根據(jù)項(xiàng)目開發(fā)的要求，項(xiàng)目功能分為三個部分，第一個部分功能是自動感應(yīng)從空中落下的物品，第二個部分功能是自動能夠?qū)ふ业綗o線充電電源并進(jìn)行充電，第三個部分功能是機(jī)器人能夠在任意方向進(jìn)行移動，并能夠躲避障礙物。

1.2設(shè)計(jì)實(shí)施流程

接物機(jī)器人實(shí)施主要分為4個部分，第一個部分是電源監(jiān)控，主要是對機(jī)器人的電源進(jìn)行動態(tài)管理，一旦出現(xiàn)電量不足就會自動進(jìn)行無線充電；第二個部分接收物體和避開障礙物的設(shè)計(jì)，主要是通過24L01接收數(shù)據(jù)并利用微波感應(yīng)器掃描物體位置，做好接收準(zhǔn)備。第三部分是算法進(jìn)行判斷運(yùn)動方向，并傳遞信號給電機(jī)帶動機(jī)器人轉(zhuǎn)動。第四部分是前進(jìn)或者后退中遇到障礙物進(jìn)行自動避障設(shè)計(jì)。

2物品接受機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件部分開發(fā)

硬件部分開發(fā)主要分為自動感應(yīng)定位技術(shù)開發(fā)，無線充電技術(shù)的開發(fā)以及定位GPS三個部分的開發(fā)。自動感應(yīng)定位技術(shù)開發(fā)主要是通過調(diào)試無線電波對物體反射頻率改變確定物體物質(zhì)和運(yùn)動軌跡；無線充電技術(shù)的開發(fā)就是電磁感應(yīng)傳輸電能，使用專有的雙向通信協(xié)議，固定頻率，監(jiān)視無線充電設(shè)備的通信并按照充電設(shè)備空閑和“充電完成”期間低待機(jī)功耗的反饋來調(diào)整施加到發(fā)送器線圈上的電源，完成充電；定位GPS建立一個定位系統(tǒng)，通過GPS模塊接收信號，計(jì)算出裝置半徑位置，達(dá)到定位。

2.2軟件部分開發(fā)

軟件部分開發(fā)一部分是采用A*算法來進(jìn)行繞開障礙物的算法設(shè)計(jì)，另一個部分是自動感應(yīng)定位物體的PID算法的設(shè)計(jì)、無線數(shù)據(jù)發(fā)送與接收算法設(shè)計(jì)。其中自動感應(yīng)定位物體的PID算法的設(shè)計(jì)裝置準(zhǔn)確接收物體，通過微波感應(yīng)器定位物體高度h和偏離半徑r與角度a進(jìn)行重力加速度g做線性積分計(jì)算，通過單片機(jī)對數(shù)據(jù)計(jì)算處理，確定物體下落點(diǎn)，驅(qū)動電機(jī)讓裝置提前移動到著落點(diǎn)；無線數(shù)據(jù)發(fā)送與接收算法是一個雙向通信方式，通過相同頻段編碼把需要發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送出去，再通過解碼器在同一頻段上接收信號，達(dá)到數(shù)據(jù)雙向交流設(shè)計(jì)。

3物品接受機(jī)器人路徑設(shè)計(jì)

3.1接物機(jī)器人路徑算法的工具

路徑規(guī)劃過程中使用了柵格法，這種方法主要將接物機(jī)器人的工作環(huán)境模擬為柵格地圖，然后對其工作空間進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。在柵格地圖中，將接物機(jī)器人的工作空間轉(zhuǎn)換為平面的二維數(shù)組，且障礙物的位置和體積一旦確定后將無法發(fā)生改變。在柵格地圖中，先設(shè)定單個網(wǎng)格的邊長為R，每一個網(wǎng)格的面積為W=R*R，W是一個網(wǎng)格，因此W就被劃分為體積相同且邊長為RL的正方形柵格工作間。

通過柵格方法來描述環(huán)境空間，柵格的標(biāo)識是必不可少的，本文采用直角坐標(biāo)系方法來解決柵格的位置，序號法采用柵格的標(biāo)號問題。在直角坐標(biāo)系中，設(shè)定W為坐標(biāo)原點(diǎn)，X代表水平位置，定義向右為正，當(dāng)向右的時候，X表示的值越大。相同的Y類似，設(shè)定向上為正方向，隨著向上的方向延伸，Y的值越大，因此每一個柵格都可以采用固定的X和Y進(jìn)行確定。所以，直角坐標(biāo)（X，Y）可以用來表示任何柵格。在序號法中，根據(jù)柵格矩陣，從左上角第一個柵格開始，對每一個柵格進(jìn)行標(biāo)號，標(biāo)號的順序從左到右，從上到下。通過這兩種方法對柵格進(jìn)行標(biāo)記，因此設(shè)定Height為空間的高度，Width為空間的寬度，因此對應(yīng)關(guān)系為

其中，X代表恒坐標(biāo)，Y代表縱坐標(biāo)，Num代表采用序號法得到的序號，M和N表示二維空間中柵格行數(shù)與列數(shù)，mod（Num，N）代表對Num取N的余數(shù)，int（Num，N）代表Num對N取整后的余數(shù)，△x表示柵格與坐標(biāo)軸建立的關(guān)系，每個柵格的寬度為Width/M，△y為柵格與坐標(biāo)軸建立的對應(yīng)關(guān)系，柵格高度為Heighe/N。

3.2基于A*算法的接物機(jī)器人路徑規(guī)劃流程

A*算法當(dāng)用來在執(zhí)行路徑規(guī)劃的時候通常使用2個表來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展和最優(yōu)節(jié)點(diǎn)選擇，Start表用于保存搜索過程中的遇到的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)，按照這些節(jié)點(diǎn)的代價價值從大到小進(jìn)行排序，End表用于保存Start表中代價最小的可擴(kuò)展點(diǎn)。接物機(jī)器人根據(jù)自身車體的大小當(dāng)作為單個柵格尺寸匹配的點(diǎn)，設(shè)置h（n）為當(dāng)前節(jié)（xn，yn）點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（xobj，yobj）之間的直線距離為：h（n）=。因此

基于A*算法中的接物機(jī)器人的規(guī)劃流程為：

步驟1：在數(shù)據(jù)空間中建立Start表和End表，其中Start表為起點(diǎn)，End表為障礙物點(diǎn)。

步驟2：選擇Start表中具有最小的f（n）節(jié)點(diǎn)x，存入End表。

步驟3：判斷節(jié)點(diǎn)x是否為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如果是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則之前的路徑就是最優(yōu)路徑，否則，就不是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)x，生成后繼節(jié)點(diǎn)y。

步驟4：在Start表中建立后繼節(jié)點(diǎn)y，計(jì)算f（y）=g（y）+h（y）。

步驟5：當(dāng)Start表中已經(jīng)存在節(jié)點(diǎn)y的時候，就比較擁有不同指針的f（y）值的大小，否則就在Start表中接受節(jié)點(diǎn)y。

步驟6：更新g（y）和f（y）以及后繼節(jié)點(diǎn)y的指針。

步驟7：按照數(shù)值大小的正序排列，把f值在Start表中進(jìn)行編排，返回步驟2。

接物機(jī)器人按照這樣的步驟通過對Start表中的評價函數(shù)反復(fù)選取，最終確定了其規(guī)劃路徑。

3.3實(shí)驗(yàn)仿真

以自動感應(yīng)定位物品機(jī)器人的路徑作為研究對象，采用文獻(xiàn)[4]中的機(jī)器人移動路徑，其中s是起點(diǎn)，d是終點(diǎn)。采用本文算法模擬一條可行的路徑。

4結(jié)束語

本文主要闡述了有關(guān)接受物品接受機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程和原理，并對路徑規(guī)劃進(jìn)行了相關(guān)的研究，通過實(shí)驗(yàn)中說明了本文闡述的物品接物機(jī)器人設(shè)計(jì)具有良好的可行性，具有一定的推廣價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 王曙光.移動機(jī)器人原理與設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2013： 21-29.

[2] 盧路秋.基于模糊人工勢場法的多移動機(jī)器人路徑規(guī)劃研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2016.

[3] 許源.結(jié)合粒子群算法和改進(jìn)人工勢場法的移動機(jī)器人混合路徑規(guī)劃[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[4] 徐兆輝.移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（03）：43.endprint