摘 要：利用機器人代替人工搬運將成為未來的趨勢之一，為適應非結構化地面，本文設計一種機器人，仿照人類腿部結構，將機器人足部設計為正屈膝串聯(lián)構型，以適應非結構化復雜地面環(huán)境。以樹莓派4B為核心主控，搭配串行總線舵機以及攝像頭進行視覺識別任務。該機器人利用攝像頭獲取外界圖像，圖像經(jīng)過處理后，識別行走路線以及待抓取事物，識別完成后，根據(jù)程序設定控制串行總線舵機，進而控制機器人的行動與動作。測試結果表明，機器人基本可以完成指定物品的抓取與巡線行走。

關鍵詞：人形機器人；樹莓派4B；視覺識別

中圖分類號：TP 242 " 文獻標志碼：A

1 基于嵌入式Linux系統(tǒng)的搬運機器人總體設計

機器人的主要功能為尋跡行走、識別物品和抓取物品，本文以人形結構為框架，結合各電控模塊編寫程序來實現(xiàn)以上功能。機器人的總體設計包括硬件設計和軟件設計。硬件設計包括機器人的電控系統(tǒng)與機械結構設計，設計完成后，裝配各個模塊并進行調試。完成機器人的組裝后，進行機器人軟件設計方面的調試，軟件設計包括視覺系統(tǒng)程序設計和動作控制程序設計，在各模塊全部設計完成后對機器人本體進行組裝并調試。

機器人的電控系統(tǒng)包括主控核心、電源模塊、驅動模塊以及機械結構設計。主控核心使用嵌入式Linux系統(tǒng)，運行內部程序代碼控制各個模塊；電源模塊為舵機與其余模塊提供電源，保證各個部件正常運行；驅動模塊包括舵機驅動電路和全身舵機，其作用是執(zhí)行指定任務。機械結構設計包括機器人的全身舵機分配、自由度分配等。

硬件設計完成后，須裝配并調試各個模塊，保證各個部件之間連接和配合良好，功能正常運行，裝配調試須檢查電路連接，保證攝像頭正確傳輸視頻數(shù)據(jù)，舵機正確運行，整體機構穩(wěn)定運行。

機器人組裝完成后，將進行軟件設計方面的調試。其包括編寫運動控制與視覺識別程序，測試舵機以及攝像頭的功能，保證機器人能夠在預期環(huán)境中正常運行。此時需要對軟件和硬件進行聯(lián)調，保證機器人能夠實現(xiàn)設計的功能。

2 基于嵌入式Linux系統(tǒng)的搬運機器人硬件設計

2.1 主控核心

本設計采用樹莓派4B作為主控板，樹莓派4B采用Broadcom BCM2711四核64位ARM處理器，主頻為1.5 GHz，配備雙SD卡片槽。此外，樹莓派4B還有2個USB 3.0接口、2個USB 2.0接口，并配備容量為32 GB的SD卡，使樹莓派更好地儲存系統(tǒng)數(shù)據(jù)[1]。

樹莓派4B還有40個通用輸入輸出（General-purpose input/output，GPIO）引腳，其作用是輸出驅動信號給驅動擴展板來驅動機器人全身的總線舵機，主控板的作用是處理圖像信息，識別要搬運的物品并運行運動功能的代碼，使機器人能夠利用舵機來運動，本文將利用其外設的USB接口與視覺模塊連接。

2.2 電源模塊

本文機器人的各個模塊需要供給不同的電源，分別為12 V舵機電源和電壓為5 V、電流為3 A的主控板電源、5 V攝像頭電源和3.3 V串行總線電路工作電源。

舵機電源使用12 V鋰電池直接供電，視覺系統(tǒng)使用樹莓派的USB 2.0接口直接供給5 V電源，樹莓派在接受電壓為5 V、電流為3 A的電源供電后，可使用引腳輸出穩(wěn)定的3.3 V電源，該電源可供給74HC126D芯片，保證串行總線電路穩(wěn)定工作。

如果主控板樹莓派正常工作，就需要采用穩(wěn)定電壓為5 V、電流量為3 A 的電源；如果電壓不穩(wěn)或不能滿足要求要求，就很容易出現(xiàn)系統(tǒng)無故關機、程序出錯等問題，因此本文在擴展板中搭建額外的電源電路，對鋰電池電流降壓穩(wěn)壓處理，得到穩(wěn)定電壓為5 V、電流為3 A的電源，保證樹莓派正常運行。降壓穩(wěn)壓電路如圖1所示。

12 V電源電流通過P2輸入接口流入BL8033，經(jīng)過芯片整流后輸出穩(wěn)定電壓為5 V、電流量為3 A的電流，電路由SW1撥動開關控制通斷，當開關閉合時，VBAT與輸入電源連接，將BL8033使能引腳電平拉高，VBAT經(jīng)過C1、C3濾波后進入BL8033的電流輸入引腳，經(jīng)過芯片內部整流穩(wěn)壓后輸出為穩(wěn)定電壓為5 V、

電流為3 A的電流，此時LED1燈亮起，表明電路正常工作。

2.3 驅動模塊與舵機

舵機控制是機器人運動的重要環(huán)節(jié)，可以采用數(shù)字舵機和串行舵機2種方案，由于數(shù)字舵機需要占用大量I/O口，串行總線舵機可使用1條總線操控多個舵機，因此更加節(jié)省主控的硬件資源。串行舵機支持角度回讀和智能防堵，本文使用LX-224HV串行總線舵機作為機器人的控制舵機，采用異步串行總線通信方式與舵機通信，UART異步通信接口輸出信號。

在樹莓派4B中有2個串口來進行串口通信。1）硬件串口。具有單獨時鐘源，性能高。2）mini串口。由于mini串口時鐘源是由CPU內核時鐘直接提供的，因此其波特率受到內核時鐘的影響，并不可靠。本文選擇硬件串口對外通信，須恢復硬件串口對GPIO口的映射。

使用“sudo gedit /boot/config.txt”指令打開樹莓派的配置文件，在文件末尾添加“dtoverlay=miniuart-bt”以及“force_turbo=1”語句即可將主串口serial0指向硬件串口，此時TXD/RXD位于BOARD編碼的PIN8/10位置，將2個引腳使用拓展板與串行總線舵機相連，即可開始驅動舵機。

使用串行總線電路將樹莓派輸出的UART信號轉換為舵機的驅動信號，使用74HC126D芯片完成這個過程，串行總線電路如圖2所示。

當樹莓派向舵機控制器發(fā)送指令包時，其使用TXD將并行數(shù)據(jù)串行輸出至74HC126D，此時如果控制引腳TX_CON電平被拉高，那么SERVO引腳電平將隨TXD引腳變化而變化，同時74HC126D 的另一個輸入引腳讀回SERVO電平 ，拉高第二個控制引腳RX_CON的電平，RXD引腳的輸出電平也將隨SERVO變化而變化。樹莓派使用RXD引腳讀回舵機狀態(tài)，如果TX_CON與RX_CON這2個控制引腳都為低電平，那么SERVO信號線與RXD信號線的輸出狀態(tài)恒為高阻態(tài)。

機器人全身LX-224HV串行總線舵機信號線全部連接至SERVO總線，可以同時接收SERVO總線上的信號。當舵機指令包由SERVO總線傳輸至全身舵機，每個舵機初始化時都分配唯一的ID號作為從機地址，此時根據(jù)指令包中的舵機ID號，對應舵機即可進行反應，例如舵機轉動角度、速度和時間等。多個舵機運動配合關節(jié)零件連接，使機器人運動。

2.4 機械結構設計

本文設計適應非結構化復雜地面環(huán)境，在足式機器人的基礎上仿照人類腿部結構的正屈膝串聯(lián)構型作為機器人足部結構，機器人仿照人體結構設計，有頭部、軀干和四肢，共19個自由度。

頸部采用1個舵機連接機器人的頭部與軀干，使機器人頭部能夠轉向；手部采用3個自由度，分別在肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)處，其能夠幫助機器人完成手臂旋轉、彎曲和平伸等動作；腿部采用6個自由度，分別為髖關節(jié)處的3個自由度、膝關節(jié)處的1個自由度和踝關節(jié)處的2個自由度，其能夠幫助機器人完成腿部基本的行走動作[2]。

機器人的手爪結構分為內抓型和外抓型，腕部運動方式分為回轉型和平動型，本文選擇內抓型手爪結構[3]，使用舵機驅動手部關節(jié)，轉動舵機使機器人手爪開合。

在實際使用過程中，須考慮機器人的材料。為保證強度，本文機器人的關節(jié)與抓手均采用鋼合金材料制作。在機器人行動過程中，金屬腳面受到磕碰可能會劃傷瓷LX-224HV磚地面或出現(xiàn)在濕滑地面打滑的情況，因此為適應室內環(huán)境，機器人的腳面采用PLA絕緣材料，使用3D打印技術制造，其比金屬材質更加柔軟，比橡膠等防滑材料強度更高，更不易磨損[4]。

2.5 視覺模塊

為增強機器人視覺模塊的可開發(fā)性，提高圖像分辨率，本文使用USB2.0的WebBL8033Camera嵌入式攝像頭，簡稱WebCam。

WebCam是結合傳統(tǒng)攝像機與網(wǎng)絡技術的新一代攝像機，本文利用標準的網(wǎng)絡瀏覽器監(jiān)視其影像，使用USB2.0接口將其與樹莓派連接。當WebCam連接至樹莓派4B的USB端口時，樹莓派4B可以使用USB通信協(xié)議與多個USB設備通信，此時樹莓派識別并配置設備，保證其正常工作；加載USB設備驅動程序，設置設備參數(shù)，與其進行通信。

ZC301P攝像頭不僅具有圖像捕捉功能，還內置了數(shù)字化壓縮控制器和基于Web的操作系統(tǒng)。視頻數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮加密后，利用局域網(wǎng)、Internet或無線網(wǎng)絡送至終端用戶，在內核為Linux 4.14的系統(tǒng)中，ZC301P芯片已有默認驅動程序，可以直接使用。

在樹莓派系統(tǒng)中利用Python代碼即可調用攝像頭獲取外界圖像，在后續(xù)程序中，圖像會得到處理并用于機器人運動。

3 基于嵌入式Linux系統(tǒng)的搬運機器人軟件設計

3.1 嵌入式Linux系統(tǒng)

機器人的程序存放在樹莓派內部的嵌入式系統(tǒng)中，樹莓派官方提供了專門為樹莓派的開發(fā)準備的系統(tǒng)樹莓派 os，樹莓派本身還可以燒錄其他嵌入式系統(tǒng)，本文選擇以Linux系統(tǒng)為藍本開發(fā)的樹莓派 os，該系統(tǒng)包括UI，便于可視化開發(fā)。

為了將系統(tǒng)燒錄至樹莓派內，需要將插在樹莓派上的TF卡格式化，再使用官方提供的樹莓派鏡像燒錄器，選擇所需要的系統(tǒng)版本。設置主機名，勾選SSH服務與Wi-Fi設置，點擊燒錄，即可完成樹莓派系統(tǒng)的燒錄。打開樹莓派的電源，在上位機中尋找樹莓派的Wi-Fi并連接后，使用遠程桌面連接即可對機器人的程序進行調試。

3.2 OpenCV進行物品識別以及尋跡

視覺識別的過程包括以下2個步驟。首先，對視覺模塊采集的圖像進行一系列處理，其次，對處理后的圖片進行尋線路徑的識別或物品形狀的匹配，巡線和物品識別的程序在主程序運行的同時，以雙線程的形式一起運行，當識別到待拾取物品時，兩線程同時關閉并開始拾取物品的動作，拾取動作結束后，再次開啟巡線與物品識別雙線程。

當巡線程序開始，程序會將獲取的圖像分為上、中和下3個部分進行處理，減輕程序壓力。巡線識別線為黑線，環(huán)境地面顏色為白色。根據(jù)黑色塊的形狀判斷是否在起始位，起始位為黑色十字形狀。識別到起始線后，機器人開始向前行走，程序時刻根據(jù)黑線中心點在畫面中的位置判斷機器人所在位置。

使用OpenCV圖像處理得到黑色巡線中心點位置，利用黑色顏色閾值對圖像進行二值化處理后，找到所有輪廓，再找到最大面積的輪廓，計算輪廓面積最大值。如果輪廓不為空，就尋找最小外接矩形的4個頂點，獲取矩形的對角點后，計算得到矩形的中心點坐標，當中心點在圖像偏左，說明機器人行走偏右，做小幅左移、左轉動作，反之右移、右轉，機器人可以動態(tài)保持正面直行，不會偏離巡線。尋跡程序流程如圖3所示。

啟動識別程序，樹莓派將得到攝像頭獲得的外界圖片，利用OpenCV庫提供的函數(shù)對圖片進行灰度化，得到原圖像的灰度圖后，使用函數(shù)對灰度圖進行二值化，二值化的過程是讓圖像中的每個像素點與設定閾值進行逐一比較，高于閾值的設置為白色，低于閾值的設置為黑色，二值化閾值選擇決定邊界是否準確，程序在運行的過程中利用大津法自動計算最佳閾值。

使用findContours函數(shù)在完成二值化的圖像中尋找尋跡線或物品圖像邊界，這個步驟須檢測所有輪廓，但是不建立繼承關系，尋找結束后儲存輪廓中所有的點。計算輪廓面積，篩選掉非目標的小輪廓，當輪廓面積大于設定的面積閾值時，利用MatchShapes算子與事先準備好的模板進行形狀匹配，形狀越相似，匹配分值越小。將匹配分值與設定匹配閾值進行比較，如果匹配分值小于閾值，那么認為識別指定物品，設置物品識別成功的標志位，進行抓取。

3.3 機器人運動程序

機器人的運動即舵機的運動，進行串口舵機運動，使用上位機PC向下位機樹莓派4B發(fā)送指令包，控制樹莓派的引腳輸出信號，指令包以16進制數(shù)組形式發(fā)出。當初始化時，每個舵機利用信號總線相連作為從機，程序賦予其1個唯一的ID號作為從機地址，總線根據(jù)指令包內的地址拉起對應位置的舵機，對應的舵機給出反應。

每個指令包包括以下5個部分。1） 幀頭。固定設置為2個0x55的16進制數(shù)，幀頭到達表示有數(shù)據(jù)包等待接收。2）ID。當初始化時，每個舵機都會被賦予1個唯一的ID號，在上位機操控機器人進行動作的過程中，對應關節(jié)處舵機的ID號范圍為0x00～0xFD，ID號0xFE為廣播ID，所有舵機均接收指令，但是為了防止總線沖突，所有舵機均不回應。3）數(shù)據(jù)長度。即待發(fā)送的數(shù)據(jù)長度。4）指令。其作用是控制舵機的各種指令，例如舵機運動速度等。5）參數(shù)。 除指令外需要補充的控制信息。6）校驗和。在指令包利用串口傳遞至總線舵機后，對應舵機以對應速度轉動指定角度，并在下一個指令前保持該速度，多個指令包組合成為1個動作，多個動作組合成為1個動作組，將調試好的動作組封裝為1個文件，當主程序需要使用時調用，機器人可以在對應時間做出對應動作，例如抓取、行走等。

4 結語

本文研究基于嵌入式Linux系統(tǒng)的人形搬運機器人，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)機器人可以完成巡線、行走和轉彎等運動動作，當識別到指定物塊時可以做出對應的拾取動作。在測試過程中也發(fā)現(xiàn)了許多問題，例如當巡線識別時機器人會被周圍物品顏色影響、有時無法成功拾取物塊以及電池續(xù)航不足等，因此，該機器人在視覺識別程序、拾取動作調試以及電源系統(tǒng)設計等方面還有待優(yōu)化。

參考文獻

[1]王澤龍. 基于ROS的搬運機器人控制系統(tǒng)設計[D].青島：青島科技大學，2021.

[2]付裕.基于單片機STM32的搬運機器人控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].無線互聯(lián)科技，2023，20（5）：39-42.

[3]盧鑫，郭婷，譚越洋.搬運機器人控制系統(tǒng)的設計[J].科技與創(chuàng)新，2022（16）：103-105，109.

[4]羅慶生，陳胤霏，劉星棟，等.仿人機器人的機械結構設計與控制系統(tǒng)構建[J].計算機測量與控制，2019，27（8）：89-93.