近年来，协作机器人高度契合工业互联网产业发展需求，在智能制造、柔性制造和人机协同应用方面具有广阔的发展前景，相对单个机器人，多机协作机器人可以完

 

文|探墓秘史编辑|探墓秘史

近年来，协作机器人高度契合工业互联网产业发展需求，在智能制造、柔性制造和人机协同应用方面具有广阔的发展前景，相对单个机器人，多机协作机器人可以完成多项任务[1]，提高工作效率，降低人力成本在2023年的春节档电影《流浪地球2》中，协作机器人的身影随处可见，例如在工业物流和巡检运维中承担巡检工作的智能移动机器人；适用于制造业和物流业中搬运工作的可穿戴外骨骼机器人；可用于多地形智能应急救援的钢铁螳螂。

目前，移动机器人技术更新迭代，日趋成熟，其应用领域不断丰富，而工业机器人在装配工序中的应用存在一定的局限性，对其灵活性、准确性和适应性有较高的要求，为解决人工上料效率低和成本高的问题，本团队设计出一款可实现自动巡线行走，自主识别物料类型、形状和颜色，对物料工件进行搬运、完成协作装配功能的机器人，通过在模拟工作场景下的试验，双机协作智能装配移动机器人具有稳定可靠和精准高效的特点。

双机协作机器人工作原理双机协作机器人由两个独立的移动机器人组成，分为主机和从机，包含控制模块、驱动模块、通信模块、传感模块、识别模块和执行模块控制模块采用Arduino主控板作为核心；驱动模块采用电机驱动来控制机器人前后四轮驱动的速度和方向，驱动轮均采用麦克纳姆轮；通信系统采用蓝牙通讯实现两个机器人实时通信连接，完成数据的对接和传输。

传感模块采用八位传感器控制机器人的循迹，从而稳定地在工作环境内进行移动；识别模块采用条码识别和视觉处理来获取作业内容；主机的执行模块由舵机和机械手组成，可实现装配物料的抓取工作，从机的执行模块由步进电机和机械手组成，可实现物料的搬运和装配工作，

双机协作智能装配移动机器人样机如图1所示。

总体结构设计机械结构设计双机协作机器人的主机机械结构主要由底盘行走机构、物料夹持机构和物料夹取放置平台组成，从机机械结构主要由底盘行走机构、物料装配机构和装配作业平台组成，其机械结构组成如图2所示，物料夹持机构和物料装配机构为执行模块，所有机构与作业平台均可根据作业物料形状要求进行模块化替换。

底盘行走机构为提高机器人移动的高效性，底盘行走机构中驱动轮采用麦克纳姆轮，可实现全方位移动，如图3所示，根据主机和从机功能模块的要求，在底盘行走机构上布置各模块和各机构的安装空间，底盘结构设计考虑重心的稳定性和结构的紧凑性。

物料夹持机构物料夹持机构由机械臂与机械爪构成，如图4所示，其中机械臂由2个270°伺服舵机和2个6-42A舵机组成，机械爪由1个6-42A舵机和两块弧形亚克力板零件组成，通过机械臂的自由活动以及机械爪的灵活张合可实现物料的搬运和放置。

物料装配机构物料装配机构由机械臂和物料夹构成，如图5所示，整体结构使用PLA材料进行3D打印制作，其中机械臂由3个6-42A舵机组成，物料夹由1个6-42A舵机组成，升降机构由一个42步进电机、四根光轴和丝杠组成，

可实现机械臂能够在垂直方向上的移动，通过机械臂与装配爪的相互配合，实现夹取、移动和装配等动作。

物料夹取放置平台物料夹取放置平台采用PLA材料经3D打印制成，以作业A型物料为例，周围的花瓣形状可使A型物料滑入槽中，凹槽与A物料延伸部分相匹配，可以使机械手放置物料时，保证A物料不会倾斜，并且实现轴向与周向的固定，为后续装配打下基础，放置平台如图6所示。

装配作业平台物料作业平台使用PLA材料3D打印而成，如图7所示，整体结构较为简单，但非常适用于试验装配所需，底部由HC02-48马达控制，上侧连接装配物料台，凸起部分为自主设计定位销，可以很好地抵消机械手运动过程中所产生的误差，让其准确无误地到达装配区。

控制结构设计控制模块采用具有多数字输入输出端口的ArduinoMEGA2560芯片作为主控板，搭配ArduinoUNO扩展板，能够满足双协作机器人进行多样化的功能拓展，如图8所示。

驱动模块双协作机器人采用四路驱动模块控制四个麦克纳姆轮的运转，驱动模块如图9所示，利用四个轮子的速度差控制机器人前进、后退和平移等运动，从而提高机器人完成物料的装夹、搬运和摆放的效率。

通信模块双协作机器人采用HC05和HC06两个蓝牙模块进行通信，如图10所示，Arduino的RX引脚通过分压器连接到蓝牙模块的RX引脚，Arduino的TX引脚连接到蓝牙模块的TX引脚在Arduino的串口监视器中进行主从机设置，再将两个模块进行配对，当HC05上的红灯开始快速闪烁即连接成功，成功进行配置后就可以通过两个模块进行数据发送。

传感模块双协作机器人采用8路循迹传感器模块实现循迹功能，如图11所示，该传感器串口输出，节省IO口，自带的32芯片把原始数据经过数据混合算法和滤波程序使输出的数据更加平稳，另外可以通过显示屏接口直接把原始的数据显示出来，便于观察。

识别模块识别模块由条码识别模块和图像识别模块两部分组成，在条码识别模块中编写程序，通过内部代码转换，输出条码内部信息，如图12所示，当双协作机器人的主机到达指定区域，条码识别模块进行扫码，分析码中的内容并将数据通讯传送到主控板，主控板进行数据分析发送给语音播报模块进行播报提醒。

在物料夹持机构旋转台前装有图像识别模块，利用Openmv机器视觉模块将控制程序写入模块中，对Openmv程序内的颜色阈值进行多次调式，并且编写ROI（感兴趣区）来精准检测物料颜色，针对在不同光线下各颜色可能相近的问题，编写各阈值对比程序，让Openmv更准确转递颜色信息给主控板，来控制机械手精准夹取对应颜色的物料，流程图如图13所示。

执行模块在物料装配机构中运用42步进电机控制物料夹的运动，如图14所示，使用独立的步进电机驱动板和编码器进行控制，由控制器所发出的脉冲信号可以实现步进电机速度与转动角度的准确控制，从而提高物料夹运行过程中的安全性和灵活性，

相较于直流减速电机，步进电机具有更大的扭矩，可以带动更高的负载运动。

试验与分析项目团队根据功能方案设计出了三维建模结构图和二维布局图，利用3D打印、激光切割等技术，经过多轮的修改与完善，制作出了实物样机，为了验证双协作机器人工作的实用性和可靠性，搭建模拟工作场景，进行了两台机器人的行走定位、物料夹取和装配物料试验，机器人运行场地为2400mm×2400mm方形平面区域，地面图案由线宽为20mm、线中心距为300mm的方格组成，如图15所示。

双协作机器人工作流程图如图16所示，场地分别设有主机和从机的出发区，首先主机从其所在的出发区启动出发，通过捕捉场地上的线路自动到达扫码区，利用识别模块获取装配作业内容，此时从机将通过实时通信，共享主机获取的作业信息，并通过语音播报模块将作业信息进行播报提醒。

之后，从机出发前往装配区，主机分别从A物料台和B物料台依次拿取相应物料后，行驶到指定的装配区内，与已经到达的从机进行协作装配主机先将机械手上所夹的B物料，放置到从机的装配作业平台上，随后主机会从物料放置平台内夹取A物料并放置在从机的物料放置平台内。

从机物料装配机械手夹起A物料，移动到作业平台上方，步进电机带动丝杠使机械手向下移动，直至A物料与B物料表面接触，装配作业台开始逆时针匀速旋转200°，确保A物料装入B物料内，接着装配作业台顺时针匀速旋转180°，

使AB物料完全装配，物料装配机械手松开A物料，即可完成一对物料的装配。

试验中，规划不同的行走路线或装配顺序，提升装配速度和成功率，通过试验，检验双协作机器人系统的稳定性和可靠性试验结果显示，协作机器人运行较为稳定可靠，任务完成率达95%，其装配工作场景如图17所示，双机协作下作业完成时间大约3分钟，单机大约10分钟，效率提高了一倍多，试验中，受光线影响，循迹和颜色识别会出现一定的失误率，其他功能完成率均达100%。

结论我们设计了一种双机协作智能装配移动机器人，适用于对复杂工件进行搬运和装配，设计了装配机器人的机械结构和控制方案，完成了机器人样机的制作，检验了双机协作智能装配移动机器人的可行性和稳定性通过试验结果表明，该机器人实现了预定场地的双机协作装配功能，实现了双机协作装配的高效性，针对循迹和颜色识别模块对光线的敏感问题，将通过优化循迹传感器模块和增加颜色阈值对比程序，进一步优化机器人功能，提高稳定性，同时，进一步研究实际工业场景运用，对接产业应用需求。

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