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【特写】后生可畏,大三学生自主研发毫米级五自由度机械手臂

记者:王艺 CSDN人工智能 记者/编辑 投稿或寻求合作请联系wangyi@csdn.net

3月25日,在京东X机器人大赛决赛现场,记者见到了一组熟悉的身影。当时,入围决赛的12支队伍正紧张角逐。

早在半年前,京东X机器人大赛就已拉开序幕。依照京东真实的仓储环境,本次大赛共设置了货物分拣及码垛两个命题。选手自由选择、自主设计,在半年的比赛周期内,京东智慧物流专家全程在线,对选手进行实时指导。半年后,在北京OBE互联网新园,记者看到2016年RoboMasters全国机器人大赛冠军,由队长陈俊儒带领的Robo Talent团队正在紧张地对其五自由度机械手臂进行最后的调试,他们将挑战本次大赛的码垛命题。

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来自电子科技大学的Robo Talent团队非常年轻,几乎是清一色的大三学生。虽然脸上稚气未脱,但调试起机器来却毫不含糊。记者不免惊讶于其团队间的默契配合、分工明确,在现场紧张的气氛下依然有条不紊。其实这不奇怪,因为此次京东X机器人大赛并不是Robo Talant的首次亮相。

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去年9月,耗时近一年的RoboMasters全国机器人总决赛落下帷幕,来自电子科技大学One Point Five S战队的英雄机器人成功卫冕。One Point Five S战队既是此次京东X机器人大赛的Robo Talant团队。上图为团队在去年全国机器人大赛上的作品,下图为团队在此次京东X机器人大赛上的作品。

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此次Robot Talant团队为京东大赛的码垛命题所设计的五自由度机械手臂看上去像个塔吊。能够自动识别、抓取地面上用来模拟货物的颜色块,并将颜色块整齐地码进对应的箱子内。其中涉及视觉与电控程序、运动控制系统、机械结构与电路等环节。整个从0到1的实现过程,从方案制定,到加工生产,再到软件编写与调试,全都由团队自主完成。

  • 视觉部分:基于深度相机的计算机立体视觉系统。视觉系统的主要原理是,根据深度相机测量出当前画面中各个像素点与相机的距离,通过相机和地面的关系得知物体在世界坐标的实际位置。经过一系列的筛选,视觉系统能够准确地识别物体的颜色。通过使用红外结构的光深度相机,使环境光照对识别的影响降到最低,进而大幅度提高识别准确率,识别精度能够达到毫米级。

  • 运动控制系统:基于命令模式设计,设计思路大体借鉴数控机床设备的G代码,通过一条一条的位置指令控制机械运动,并通过一系列的位置传感器监测指令的完成情况。这样做的好处是可以获得更清晰的软件架构,使软件整体划分为一个流水线操作系统:先由视觉系统计算和筛选出最近一个物体的位置、姿态和颜色信息,发送给指令生成系统,根据物体的位置生成机械运动的路径并以指令形式发送至指令执行系统,指令执行系统一条一条地执行指令设定的位置信息,解算出各个关节执行器的角度或长度并通过反馈控制让电机准确运动到所需位置,使机械按照预定轨迹运动。

  • 电路系统:由指令执行模块、传感器处理模块和电机驱动模块组成,每一部分都由单独的处理器控制,并使用can协议通信,方便后续功能的添加与二次开发且精确可靠。

  • 机械层面:采用配有高精度减速器的伺服电机和丝杆机构,最大程度保证了机械精度。搭配高线数编码器,使控制精确快速。同时,视觉部分使用了720P分辨率16位深度相机,通过自行研究的三维重建算法,能够准确识别箱子在三维空间中的位置信息。

在作品的设计与实施阶段,团队充满了年轻人的冲动和热情,就如队长陈俊儒自己所说:“虽然设计图早在半年前就已初步定型,但苦于几个队员囊中羞涩,大家的设想也只能停留在图纸和仿真程序上面。这些设计能不能成功一直是一个未知数,大家能做的只是一遍又一遍地分析、论证,考虑在制作过程中可能出现的各种问题。对于这种相对复杂的系统,只有仿真和分析肯定是不够的,到底能不能成功还要等机器真正组装好的那一天才能知道。”

“所以,京东的技术资助下发当天,大家便第一时间进行机器的加工和组装。大约一周左右,第一版机器人就组装完成了。但是就像之前预料的那样,果然出现了一些意料之外的问题。受材料的影响,整个机器人的重心并不在底座的中心上,导致整个机器十分容易倾倒;另外,过大的机械间隙导致机构水平自由度发生很大幅度的晃动,这些显然不是我们想看到的。此时时间紧迫,我们便加班加点地讨论解决方案,最后用了大概一周的时间在原有的基础上修改了之前存在的那些问题。”

“在机械结构设计和组装的这两周时间里,软件算法的设计和调试也在同步进行着。同样,并没有想象中那样的顺利,原本制定的识别和定位方案出现了重大的问题,导致箱子的定位精度无法达到需求标准。最后我们及时改变了识别策略,又经过了一段时间的调试,最终获得了比较满意的结果。在这些问题都基本解决之后,距离比赛结束只剩下不到一周的时间,虽然说重大技术难点都已解决,但机器还没有能够动起来,所以最后的这几天时间里,我们废寝忘食,整天呆在实验室里,最终赶在比赛之前才算是调试完毕。”

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队长陈俊儒很早就接触机器人,高中时曾制作一台用手机控制的遥控车,上大学之后接触到各种各样的比赛,做过很多有趣的项目,比如旋转时钟、智能遥控开关等。陈俊儒的设计理念是简单稳定:“我们所提倡的简单稳定是指在能够实现所需功能的基础上尽量应用更低成本,更低复杂度的技术方案,同时要考虑功能可扩展性。这样做并不是我们畏惧困难不喜欢挑战,而是更多地从实际出发,选择更加实用和可行的方案。”

京东X机器人大赛当天,Robo Talant团队取得了铜奖,获得了五万元的奖金。对于比赛结果,陈俊儒表示:“稍有遗憾,还可做到更好。由于习惯实验室的环境,而忽视了赛场上的一些不可控因素,导致决赛测评时,机器没有达到实验室调试的效果。不过这也反应出了我们的不足,也是我们在后续的科研过程中需要着重注意的问题,毕竟我们要做出能够应用到实际的产品,而不是只能在实验室里演示的样品,所以要考虑更多可能发生的特殊情况。”


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