機(jī)器人制作開(kāi)源方案 | 送餐機(jī)器人
作者：賴志彩、曹柳洲、王恩開(kāi)、李雪兒、楊玉凱
單位：華北科技學(xué)院
指導(dǎo)老師：張偉杰、羅建國(guó)
一、作品簡(jiǎn)介
1. 場(chǎng)景調(diào)研
1.1 項(xiàng)目目的
? ? ? 近年來(lái)，全國(guó)多地疫情頻發(fā)，且其傳染性極高，食品接觸是傳播途徑之一。疫情防控需要大量人員投入，常常出現(xiàn)人力緊張的情況，物資配送已經(jīng)成為一大焦點(diǎn)問(wèn)題。當(dāng)前尚未有專門(mén)用于疫情送餐的機(jī)器人，因此開(kāi)發(fā)一款自動(dòng)化、智能化的送餐機(jī)器人，減少人員之間的接觸，不僅可以提高工作效率、減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可以有效減少交叉感染。
? ? ? 在高校校園，學(xué)生外賣(mài)配送非常常見(jiàn)，但校門(mén)口琳瑯滿目的外賣(mài)往往被攤放在路邊，甚至占用道路，造成交通混亂，因此急需一款高效便捷的送餐機(jī)器人來(lái)緩解這種情況。下圖為校園人工送餐場(chǎng)景及外賣(mài)攤放情況。
1.2市場(chǎng)調(diào)研
我國(guó)送餐機(jī)器人行業(yè)發(fā)展起步較晚，大致經(jīng)歷了探索、起步、成長(zhǎng)、爆發(fā)四個(gè)階段。目前餐廳機(jī)器人距離真正意義上的智能化還存在技術(shù)門(mén)檻，在公共餐廳這種應(yīng)用場(chǎng)景中，常規(guī)性的送餐、配菜需求機(jī)器人基本可以滿足，但是功能比較單一。2020年疫情爆發(fā)之后，人們對(duì)于送餐機(jī)器人的需求很快上升，市場(chǎng)認(rèn)可度不斷上升，我國(guó)送餐機(jī)器人行業(yè)進(jìn)入高速增長(zhǎng)期，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外疫情依然嚴(yán)重，送餐機(jī)器人的市場(chǎng)會(huì)還將不斷提升擴(kuò)大。
1.3項(xiàng)目意義
減少人與人之間的接觸是防止疫情擴(kuò)散的有效手段，用機(jī)器人代替人工送餐，不僅可以代替耗時(shí)耗力的流程化作業(yè)，而且還可以避免工作人員在送餐過(guò)程中被感染的可能。而送餐機(jī)器人可以滿足無(wú)接觸送餐問(wèn)題。
? ? ? 送餐機(jī)器人開(kāi)啟了餐飲經(jīng)營(yíng)新模式，相較于傳統(tǒng)的送餐方式，送餐機(jī)器人在疫情下減少人員接觸，大大降低新冠傳播率，提高食物配送效率，同時(shí)也可緩解因外賣(mài)造成的交通壓力；送餐機(jī)器人對(duì)于餐廳價(jià)值有了很大的自主發(fā)揮空間，超越了傳統(tǒng)餐飲消費(fèi)的定義。
2. 創(chuàng)新點(diǎn)
2.1雙工作模式① 正常模式
點(diǎn)餐者在與送餐機(jī)器人進(jìn)行匹配的外賣(mài)App點(diǎn)餐后，送餐機(jī)器人到達(dá)指定地點(diǎn)，自助裝取食物后，正常模式下灰度循跡傳感器處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)的機(jī)器人只基于終端路徑來(lái)行進(jìn)，利用超聲波與紅外避障對(duì)途中行人與障礙物避障，實(shí)現(xiàn)自助送餐。到達(dá)指定送餐地點(diǎn)后，當(dāng)車身人體紅外模塊檢測(cè)到點(diǎn)餐者接近時(shí)，解除安全鎖定狀態(tài)，裝載食物的升降平臺(tái)從保溫箱中升起，點(diǎn)餐者取餐，完成一次送餐任務(wù)。
② 疫情模式
? ? ? 在疫情爆發(fā)，學(xué)校處于靜默期間時(shí)，送餐機(jī)器人可以通過(guò)灰度循跡傳感器沿著工作人員設(shè)置的黑色送餐路徑行走。送餐機(jī)器人利用超聲波、紅外避障等進(jìn)行循跡與避障。到達(dá)指定送餐地點(diǎn)后，升降平臺(tái)從保溫裝置升起食物，機(jī)械臂自動(dòng)將食物放置在隔離人員房間門(mén)口，減少人員接觸。
2.2高阻熱保溫箱
? ? ? 采用質(zhì)量輕、加工性好、致密度高、保溫隔熱效果好的聚氨酯泡沫包裹整個(gè)升降平臺(tái)，達(dá)到阻熱效果。保持食物原有溫度，保證食物口感。
2.3數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示
? ? ? 機(jī)器人工作狀態(tài)將在液晶顯示屏右下角實(shí)時(shí)顯示。小車底盤(pán)運(yùn)行、機(jī)械臂與升降平臺(tái)工作狀態(tài)分別編號(hào)為1、2、3，正常工作狀態(tài)分別為#，待機(jī)狀態(tài)為＊。與障礙物之間的距離間隔一秒在屏幕左下角顯示。
? ? ? 送餐信息實(shí)時(shí)顯示在屏幕上方，時(shí)間為12:38時(shí)從A地向B地執(zhí)行送餐任務(wù)，收餐者手機(jī)尾號(hào)為4404。送餐機(jī)器人在前方56厘米處有障礙物，底盤(pán)正在工作，機(jī)械臂與升降平臺(tái)處于待機(jī)狀態(tài)。送餐機(jī)器人整體工作正常，無(wú)異常情況出現(xiàn)（如下圖所示）。
3. 難點(diǎn)及解決方案
3.1轉(zhuǎn)向不流暢且穩(wěn)定性差
原有機(jī)器人在循跡時(shí)因固定差速轉(zhuǎn)彎時(shí)，難以適應(yīng)不同轉(zhuǎn)彎半徑，常常因轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大導(dǎo)致左側(cè)灰度傳感器讀取右側(cè)灰度傳感器或者右側(cè)灰度傳感器讀取左側(cè)灰度傳感器，容易因?yàn)閭鞲衅鲾?shù)據(jù)沖突導(dǎo)致整體不斷抖動(dòng)。
解決方案：在初步的代碼基礎(chǔ)上，利用藍(lán)牙外加不斷進(jìn)行速度差調(diào)試，同時(shí)將實(shí)時(shí)速度差利用顯示屏顯示出來(lái)，找出最適宜的轉(zhuǎn)向速度，在程序內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化。并將車輪間距進(jìn)行縮小，減小機(jī)器人轉(zhuǎn)彎半徑；在此基礎(chǔ)之上，加入PID算法，使得速度差根據(jù)不同轉(zhuǎn)彎半徑不斷自行調(diào)整差速。
3.2循跡時(shí)容易撞上前方或側(cè)方障礙物
解決方案：利用舵機(jī)搭載超聲波模塊，實(shí)現(xiàn)送餐機(jī)器人前方210度范圍障礙物探測(cè)，同時(shí)每隔三秒將信號(hào)返回值（前方障礙物距離）顯示在顯示屏上，同時(shí)側(cè)方和前方搭載紅外避障模塊，與超聲波共同構(gòu)成完善的避障系統(tǒng)。在避障程序的編譯中，設(shè)置了兩種代碼，根據(jù)各模塊運(yùn)動(dòng)情況實(shí)施精準(zhǔn)避障，連續(xù)避障，合理在小車行進(jìn)中添加各種采集點(diǎn)、定位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各種不同程度的行走及障礙躲避。
在機(jī)器人四周也加上了紅外測(cè)距模塊，將這些傳感器與車身其他專用模塊相結(jié)合，輔助機(jī)器小車在拾取點(diǎn)位更精準(zhǔn)，尋跡運(yùn)動(dòng)更精確，對(duì)四周障礙物做出靈敏的避障。
3.3機(jī)械臂穩(wěn)定性差
原有機(jī)器人的四軸機(jī)械臂工作時(shí)因延展太長(zhǎng)，工作時(shí)穩(wěn)定性較差，容易抖動(dòng)。
解決方案：調(diào)整機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)，將原有機(jī)械臂兩段式結(jié)構(gòu)縮短至一段；并將驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂工作的四個(gè)舵機(jī)的偏移量設(shè)置為3，大大提高機(jī)械臂的穩(wěn)定性。
3.4循跡穩(wěn)定性較差
由于對(duì)機(jī)器人的初期調(diào)試全部在室內(nèi)完成，使得送餐機(jī)器人在室外工作時(shí)因光線因素造成灰度傳感器的返回值產(chǎn)生誤差。
解決方案：通過(guò)多次對(duì)室內(nèi)外機(jī)器人循跡時(shí)灰度傳感器的返回值進(jìn)行串口讀取并記錄，不斷調(diào)整灰度傳感的高度的間距，使其因光線差造成的返回值誤差降到最低。
3.5機(jī)器人工作時(shí)重心靠前
初期建模與組裝時(shí)未考慮到機(jī)械臂工作時(shí)伸展及重量問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)械臂工作時(shí)，機(jī)器人整體重心過(guò)于靠前，容易側(cè)翻。
解決方案：通過(guò)solidwork進(jìn)行運(yùn)動(dòng)算例分析，調(diào)整機(jī)械臂的位置與高度并將車身適當(dāng)加長(zhǎng)（如下圖所示）。
4. 未來(lái)前景展望及應(yīng)用
與校園或外賣(mài)等進(jìn)行合作試點(diǎn)，不斷優(yōu)化調(diào)整，盡快投入市場(chǎng)；改善應(yīng)用方面，不再局限于送餐，增加功能通過(guò)搭載多頻段紅外傳感器、熱成像傳感器、GPS定位系統(tǒng)等傳感器，將校園及周邊環(huán)境信息導(dǎo)入機(jī)器人信息庫(kù)，輔以語(yǔ)音識(shí)別和檢索系統(tǒng)，送餐機(jī)器人將在校園送餐方面為消費(fèi)者提供更加個(gè)性化、智能化的服務(wù)。
二、本體設(shè)計(jì)
1. 機(jī)械結(jié)構(gòu)
首先利用solidwork建模軟件開(kāi)展機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建模，然后根據(jù)建模圖樣進(jìn)行組裝；在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中為了保證機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，使其擁有更加強(qiáng)大的承載力、擁有更大的內(nèi)部空間，本小組事先對(duì)重要機(jī)械零件（步進(jìn)電機(jī)底座）進(jìn)行了應(yīng)力分析（如下圖所示），通過(guò)不斷對(duì)模型的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后得到了承載能力強(qiáng)且結(jié)構(gòu)合理的模型。
1.1底盤(pán)
? ? ? 采用舵機(jī)轉(zhuǎn)向、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四輪組合結(jié)構(gòu)。利用各種板塊零件組合成三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu)制作底盤(pán)。這種組合底盤(pán)具有穩(wěn)固和靈敏兩個(gè)特點(diǎn)：一是對(duì)路況的適應(yīng)能力強(qiáng)，在各種復(fù)雜的路況下都可進(jìn)行基本運(yùn)動(dòng)；二是底盤(pán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固靈敏，不限制舵機(jī)操控四輪轉(zhuǎn)向位置，也為其它機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)提供了充足空間。底盤(pán)及所用電機(jī)如下圖所示：
1.2機(jī)械臂
? ? ? 機(jī)械臂抓取裝置為四軸機(jī)械臂，抓取更加靈活，同時(shí)在機(jī)械爪端部搭配熱塑性彈性橡膠，增大機(jī)械抓端部抓取餐盒時(shí)的摩擦力。
結(jié)構(gòu)如下圖所示：
1.3升降平臺(tái)
? ? ? 用于放置餐盒（或餐包）的平臺(tái)（如下圖所示），利用步進(jìn)電機(jī)控制其沿絲桿導(dǎo)軌的升降動(dòng)作，機(jī)械臂將食物放置在平臺(tái)上后將食物降落到保溫裝置內(nèi)，當(dāng)?shù)竭_(dá)目的地后將食物從保溫裝置內(nèi)升起，讓機(jī)械臂抓取，對(duì)其要求是位置精準(zhǔn)。
? ? ? 保溫裝置布置在升降平臺(tái)的四周，由聚氨酯泡沫包裹而成，其質(zhì)量輕、可加工性好、致密度高、保溫隔熱效果的特點(diǎn)，對(duì)放入其中的食物起到保溫功能。
1.4傳感器與其它
? ? ? 送餐機(jī)器人除車身主體與底盤(pán)外，還搭載超聲波模塊、紅外避障模塊、藍(lán)牙模塊、人體紅外探測(cè)模塊等多種傳感器與模塊，各模塊與車身之間有防護(hù)板材，并進(jìn)行多重加固，增強(qiáng)了車身的穩(wěn)定性。
2. 電路控制與設(shè)備調(diào)試
2.1循跡避障
? ? ? 循跡避障功能需要用超聲波模塊、灰度傳感器、近紅外傳感器三者共同作用實(shí)現(xiàn)。
如下圖所示：
? ? ? 在舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，超聲波模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)車頭前210度范圍進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，將前方障礙物距離傳給單片機(jī)，再通過(guò)內(nèi)部蟻群規(guī)劃算法，規(guī)劃出合理的避障路線。
? ? ? 當(dāng)灰度傳感器未識(shí)別黑線返回值為0，識(shí)別黑線后返回值為1，將返回值傳回機(jī)器人內(nèi)部程序，并進(jìn)行判斷。送餐機(jī)器人搭載四個(gè)灰度傳感器，當(dāng)返回值為0000，機(jī)器人前進(jìn)；只要有一個(gè)傳感器返回值為1時(shí)，通過(guò)PID算法對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，控制機(jī)器左右轉(zhuǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)循跡功能。
? ? ? 車頭與車身兩側(cè)搭載了近紅外傳感器，當(dāng)監(jiān)測(cè)到機(jī)器附近有人通過(guò)或存在障礙物，則返回值為0，控制送餐機(jī)器人停車。
? ? ? 紅外探測(cè)模塊探測(cè)范圍為10cm，超聲波模塊探測(cè)距離為3m-7m。
2.2警示裝置
? ? ? 警示裝置由蜂鳴器、車燈、顯示屏三部分構(gòu)成。
? ? ? 送餐機(jī)器人正常工作時(shí)，顯示屏顯示“正常工作”字樣，車頭指示燈顯示綠色；當(dāng)超聲波傳感器測(cè)到障礙物距離值<50cm時(shí)，顯示屏顯示“行人請(qǐng)注意”字樣，同時(shí)蜂鳴器間隔性發(fā)出“滴滴”聲，車前指示燈進(jìn)行閃爍，提醒路人進(jìn)行避讓；若距離值<16cm時(shí)，車燈加快閃爍，蜂鳴器持續(xù)發(fā)出“滴滴”聲，最大程度提醒行人注意避讓；當(dāng)送餐機(jī)器人左右轉(zhuǎn)向時(shí)，對(duì)應(yīng)方向指示燈也會(huì)閃爍；運(yùn)行停止時(shí)，車燈均變?yōu)榧t色；機(jī)械臂與升降平臺(tái)旁分別接一個(gè)工作指示燈，配合顯示屏使用，工作狀態(tài)下顯示為綠色，待機(jī)狀態(tài)下為紅色。
? ? ? 所用蜂鳴器和指示燈如下圖所示：
2.3機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制
? ? ? 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)包括旋轉(zhuǎn)、上下移動(dòng)、機(jī)械爪的張合。
? ? ? 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的精準(zhǔn)夾取與放置，使用了五個(gè)舵機(jī)控制。底部舵機(jī)控制機(jī)械臂的左右旋轉(zhuǎn)，中間三個(gè)舵機(jī)控制機(jī)械臂上下移動(dòng)，末端舵機(jī)控制機(jī)械爪的張合（如下圖所示）。在程序中設(shè)定偏移量為3度，即舵機(jī)每次以3度轉(zhuǎn)動(dòng)，減少了機(jī)械臂因?yàn)閼T性所產(chǎn)生的誤差，保證了機(jī)械臂的平穩(wěn)運(yùn)行，使精確性大大提高。
2.4升降平臺(tái)的控制
? ? ? 步進(jìn)電機(jī)通過(guò)動(dòng)力傳輸零件驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠帶動(dòng)平臺(tái)上的螺母移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中通過(guò)平臺(tái)上的卡扣限制平臺(tái)只能沿上下移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的升降功能。
? ? ? 卡扣裝置與平臺(tái)結(jié)構(gòu)如下圖所示：
2.5人體紅外感應(yīng)
? ? ? 送餐機(jī)器人到達(dá)指定地點(diǎn)后，通過(guò)人體紅外檢測(cè)模塊，檢測(cè)人體后返回值為1，升降平臺(tái)開(kāi)始運(yùn)行。將送餐機(jī)器人攜帶的人體紅外感應(yīng)模塊設(shè)置為可重復(fù)模式，并且探測(cè)范圍設(shè)定為3米內(nèi)，只要在探測(cè)范圍內(nèi)取餐者在活動(dòng)，其信號(hào)返回值始終為1。
2.6藍(lán)牙無(wú)線通訊
? ? ? 基于藍(lán)牙HC-05模塊以及NRF905無(wú)線收發(fā)模塊（如下圖所示）實(shí)現(xiàn)送餐機(jī)器人的遠(yuǎn)距離通訊與控制。當(dāng)遇到通過(guò)的障礙時(shí)，通過(guò)終端對(duì)機(jī)器人輸入指令，控制機(jī)器人運(yùn)行。
三、程序代碼
1. 示例程序
① 顯示屏代碼：
② 底座代碼：
③ 機(jī)械臂代碼：
2. 資料下載
資料內(nèi)容：
①程序源代碼
②模型3D文件
③仿真渲染文件
④關(guān)鍵零件應(yīng)力分析圖
資料下載地址：送餐機(jī)器人 https://www.robotway.com/h-col-256.html
