機(jī)器人具備移動(dòng)抓取、自主導(dǎo)航、交互控制的多功能智能倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)。整個(gè)操作系統(tǒng)主要由軟體和硬件兩部分構(gòu)成，操作系統(tǒng)架構(gòu)分為應(yīng)用層、系統(tǒng)層、驅(qū)動(dòng)層和結(jié)構(gòu)層，具體如下圖所示。

　　整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為四層結(jié)構(gòu)，具體為：

　?。?）結(jié)構(gòu)層采用兩輪差速運(yùn)動(dòng)底盤(pán)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)五軸機(jī)械臂+夾爪實(shí)現(xiàn)抓取功能。

　　（2）硬件層由兩塊驅(qū)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)，STM32F103RCT6實(shí)現(xiàn)SLAM系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)功能，通過(guò)接收系統(tǒng)發(fā)出的空間速度信息，通過(guò)PID實(shí)現(xiàn)速度轉(zhuǎn)PWM值實(shí)現(xiàn)底層控制器功能；Atmega 328P實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂部分的驅(qū)動(dòng)控制，通過(guò)接收系統(tǒng)發(fā)出的空間關(guān)節(jié)信息，轉(zhuǎn)為機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)角度值執(zhí)行，機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)板部分板載一路蜂鳴器報(bào)警電路，作為硬件系統(tǒng)提示。

　　供電部分使用XL4016E1實(shí)現(xiàn)5V 8A的輸出，為系統(tǒng)主機(jī)、SLAM底盤(pán)、激光雷達(dá)進(jìn)行供電，LM2596S-5.0負(fù)責(zé)機(jī)械臂系統(tǒng)的供電。通過(guò)樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板（4B 2GB版本）作為運(yùn)算主機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)算處理。

　　（3）系統(tǒng)層基于機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS，Robot Opearting System）的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)SLAM同步位置與運(yùn)動(dòng)地圖建立、運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的主動(dòng)引導(dǎo)、六軸機(jī)械臂正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算及目標(biāo)識(shí)別，系統(tǒng)層和應(yīng)用之間分別通過(guò)可達(dá)訊飛SDK實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別交互控制、通過(guò)ROS和Qt聯(lián)合開(kāi)發(fā)PC軟件交互控制、通過(guò)Python Bottle輕服務(wù)器框架實(shí)現(xiàn)Web交互控制。

　?。?）應(yīng)用層是為用戶(hù)提供的交互界面設(shè)計(jì)，這里分為基于Qt開(kāi)發(fā)的桌面交互軟件、基于Web網(wǎng)頁(yè)的在線(xiàn)交互界面、基于語(yǔ)音識(shí)別的交互控制。

　　機(jī)器人分為SLAM底盤(pán)+六軸機(jī)械臂+語(yǔ)音識(shí)別控制三部分組成。機(jī)器人系統(tǒng)采用Raspberry Pi開(kāi)發(fā)板為主控，并采用了Ubuntu Mate 20.04操作系統(tǒng)，并安裝了ROS Noetic自動(dòng)化機(jī)器人控制系統(tǒng)。

　　SLAM底盤(pán)部分使用STM32F103RCT6單片機(jī)為主控，通過(guò)TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)兩路直流編碼電機(jī)M1和M2，同時(shí)接入MPU6050六軸陀螺儀傳感器實(shí)現(xiàn)姿態(tài)里程檢測(cè)。

　　考慮系統(tǒng)整體供電設(shè)計(jì)，底盤(pán)部分使用XL4016E作為電源管理芯片，實(shí)現(xiàn)8~40V轉(zhuǎn)5V 8A（Max）輸出，如下圖所示。

　　六軸機(jī)械臂部分使用Atmega 328P單片機(jī)為主控，通過(guò)六路PWM占空比輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)六個(gè)伺服電機(jī)。

　　考慮系統(tǒng)整體供電設(shè)計(jì)，機(jī)械臂部分使用LM2596S-5.0作為電源管理芯片，實(shí)現(xiàn)8~40V轉(zhuǎn)5V 3A（Max）輸出，如下圖所示。

　　語(yǔ)音識(shí)別部分采用了科大訊飛六麥語(yǔ)言陣列，并使用了科大訊飛的SDK設(shè)計(jì)工具，完成了離線(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)。離線(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別成功后通過(guò)程序判定語(yǔ)音內(nèi)容，從而轉(zhuǎn)為控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互控制，如下圖所示。

　　系統(tǒng)整體使用12V 6000mAH鋰電池供電，SLAM底盤(pán)部位使用亞克力加工設(shè)計(jì)，六軸機(jī)械臂采用不銹鋼加工件。整體重量約10kg，負(fù)載1kg以?xún)?nèi)。

　　軟件部分使用ROS系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)move_base導(dǎo)航+MoveIt！運(yùn)動(dòng)學(xué)控制機(jī)械臂。本文使用Ubuntu 20.04 + Noetic版本，通過(guò)C++和Python混合開(kāi)發(fā)。

　　SLAM系統(tǒng)分為建圖、定位和導(dǎo)航三部分，建圖算法使用Google Cartographer 2D建圖，這是Google在2016年開(kāi)源的一套商業(yè)建圖算法，穩(wěn)定性和精度相對(duì)較高；

　　定位部分是基于Cartographer的Pure Localization純定位算法，該算法在重定位、移動(dòng)定位方面相對(duì)于AMCL（自適應(yīng)蒙特卡洛算法）精度要高；導(dǎo)航部分是基于move_base框架，通過(guò)全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)做出路徑，并配合運(yùn)動(dòng)學(xué)解算實(shí)現(xiàn)對(duì)底盤(pán)的驅(qū)動(dòng)控制，如下圖所示

　　上圖中，橢圓部分代碼啟動(dòng)的節(jié)點(diǎn)（Node）程序，一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一條線(xiàn)程；矩形部分表示節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)通訊的數(shù)據(jù)（message），有話(huà)題、服務(wù)、參數(shù)、動(dòng)作四種類(lèi)型；帶箭頭的線(xiàn)條反應(yīng)數(shù)據(jù)的流向。

　　本文所有涉及ROS通訊架構(gòu)的描述均使用rqt_graph節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖進(jìn)行描述。

　　機(jī)械臂系統(tǒng)使用MoveIt！運(yùn)動(dòng)學(xué)解算，通過(guò)TFLite進(jìn)行目標(biāo)視覺(jué)并發(fā)布目標(biāo)的TF坐標(biāo)位姿，通過(guò)MoveIt！運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解末端位姿實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的視覺(jué)抓取功能設(shè)計(jì)。

　　同時(shí)機(jī)械臂部分設(shè)計(jì)交互界面，通過(guò)設(shè)定各軸位置實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂控制，如下圖所示。

　　語(yǔ)音識(shí)別部分使用科大訊飛六麥語(yǔ)音陣列，通過(guò)科大訊飛的SDK開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)離線(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　離線(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別成功后通過(guò)程序判定語(yǔ)音內(nèi)容，從而轉(zhuǎn)為控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互控制，如下圖所示。

　　交互系統(tǒng)部分使用HTML+CSS+JavaScript進(jìn)行交互式頁(yè)面設(shè)計(jì)，通過(guò)ROS WebSocket接口實(shí)現(xiàn)前端與機(jī)器人的交互功能。

　　由于時(shí)間原因和個(gè)人能力原因，前端界面的功能較少，只有一些基本操作功能。