一種搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

藺博見(jiàn)，王開(kāi)民，管鵬舉

（長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064）

一種搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

藺博見(jiàn)，王開(kāi)民，管鵬舉

（長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064）

設(shè)計(jì)了一種搬運(yùn)機(jī)器人，介紹了它的系統(tǒng)構(gòu)成和基本功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程，可以應(yīng)用到工廠(chǎng)車(chē)間、礦山井下、家庭生活等場(chǎng)合。

智能；搬運(yùn)；工廠(chǎng)車(chē)間；礦山井下

我國(guó)的制造業(yè)正在向由半自動(dòng)化向全自動(dòng)化轉(zhuǎn)變，工廠(chǎng)、車(chē)間出現(xiàn)了大量的工業(yè)機(jī)器人，但由于制造場(chǎng)地地形都比較復(fù)雜，機(jī)器人識(shí)別度不高，搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)用還不是很普遍，從而導(dǎo)致搬運(yùn)零件、材料的簡(jiǎn)單而重復(fù)的工作還是由人工完成，浪費(fèi)了勞動(dòng)力。另外，煤礦等特殊礦井下安全隱患較大，爆炸、塌方事故時(shí)有發(fā)生。隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，可以將搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)用到井下作業(yè)，完成爆破、礦物質(zhì)的搬運(yùn)、工作場(chǎng)地的整理和機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)移。本文介紹了可以應(yīng)用到工廠(chǎng)車(chē)間、礦山井下等場(chǎng)合的搬運(yùn)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1　搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的硬件和主要功能

本文設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)分為PC上位機(jī)、下位機(jī)組成。上位機(jī)、下位機(jī)與周?chē)h(huán)境共同組成了機(jī)器人工作系統(tǒng)。下位機(jī)建立了三者聯(lián)系的橋梁，三者形成了相互制約、相互影響的關(guān)系［1］，如圖1所示。

圖1　搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)原理圖

搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)上配置攝像頭模塊、超聲波模塊、紅外線(xiàn)模塊、WIFI模塊、機(jī)械臂模塊。搬運(yùn)機(jī)器人的基本功能有：自動(dòng)識(shí)別功能、尋物追蹤功能、避障功能、自動(dòng)夾取和卸載功能、循跡功能、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能。

1.1自動(dòng)識(shí)別功能

在識(shí)別工作開(kāi)始時(shí)，機(jī)器人每旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，攝像頭進(jìn)行一次掃描，如果沒(méi)有找到物體，機(jī)器人再進(jìn)行下一個(gè)小角度的旋轉(zhuǎn)；如果掃描到物體，機(jī)器人會(huì)停止旋轉(zhuǎn)，朝這個(gè)方向前進(jìn)［2］。前進(jìn)中不斷將實(shí)時(shí)圖像和位置通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)傳回給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行一系列的分析和處理，然后發(fā)送控制指令給下位機(jī)，不斷調(diào)整機(jī)器人位置，使與物體對(duì)正；當(dāng)夾取物體完成后，尋找目標(biāo)放置位置時(shí)的識(shí)別過(guò)程與上述過(guò)程相同。顏色識(shí)別流程圖如圖2所示。

圖2　顏色識(shí)別流程圖

搬運(yùn)機(jī)器人也可以識(shí)別二維碼信息。圖3位二維碼識(shí)別原理圖。控制中心設(shè)計(jì)搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)行軌跡，回轉(zhuǎn)中心上的中心軌道與設(shè)計(jì)路線(xiàn)軌道接壤后，搬運(yùn)機(jī)器人開(kāi)始按照設(shè)計(jì)的路線(xiàn)行駛。到達(dá)目的物料站臺(tái)后，掃描控制中心發(fā)送給物料站臺(tái)對(duì)應(yīng)的電子屏上的二維碼，得到需要搬運(yùn)物料的位置信息和重量信息，按照信息尋找物料并完成搬運(yùn)。卸載物料是相反過(guò)程。這一過(guò)程不需人為操作，節(jié)省了勞動(dòng)力，更加自動(dòng)化。

圖3　二維碼控制原理圖

1.2尋物追蹤功能

自動(dòng)尋物追蹤時(shí)，機(jī)器人進(jìn)行周邊掃描同時(shí)查找所要求搬運(yùn)的物體特征，找到物體向著該物體前進(jìn)，中途遇到障礙物，執(zhí)行避障程序［3］。避障結(jié)束后，再次執(zhí)行周邊掃描，查找所要求搬運(yùn)的物體特征，向著該物體前進(jìn)，到達(dá)物體后，上位機(jī)發(fā)送工作裝置抬起指令，將給定物體抬起。尋找目標(biāo)放置位置的過(guò)程與上述過(guò)程相同。

1.3避障功能

本文設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的避障功能是由安裝在車(chē)體正前方的超聲波傳感器與對(duì)稱(chēng)安裝在車(chē)體兩側(cè)、與車(chē)體成45°的兩個(gè)紅外線(xiàn)傳感器寫(xiě)作完成。超聲波傳感器主要是防止機(jī)器人與目標(biāo)物體相撞，或防止意外情況發(fā)生時(shí)，如機(jī)器人在向目標(biāo)物體前進(jìn)過(guò)程中，突然有障礙物進(jìn)入路線(xiàn)等情況。紅外線(xiàn)傳感器可以給定設(shè)定值，當(dāng)一側(cè)紅外線(xiàn)檢測(cè)該設(shè)定值范圍內(nèi)有障礙物時(shí)，上位機(jī)則向機(jī)器人傳送向該測(cè)相反方向旋轉(zhuǎn)的指令，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)體兩側(cè)障礙物的避障［4］。這樣超聲波與兩個(gè)紅外線(xiàn)傳感器可以檢測(cè)車(chē)體-45°，0°，45°三個(gè)方向上的障礙物。

1.4自動(dòng)夾取和卸載功能

上位機(jī)實(shí)時(shí)判斷超聲波檢測(cè)的該距離是否在給定范圍內(nèi)，如果在此范圍內(nèi)就啟動(dòng)工作裝置，即驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂將當(dāng)前物體搬起。同理檢測(cè)與目標(biāo)地點(diǎn)的距離，如果在給定范圍內(nèi)就驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂將物體放到指定位置。

1.5循跡功能

搬運(yùn)機(jī)器人前方對(duì)稱(chēng)安裝了兩個(gè)紅外線(xiàn)傳感器，兩個(gè)傳感器垂直向下，用于檢測(cè)地面上的路線(xiàn)信息。當(dāng)機(jī)器人行駛到白色底板、黑色行駛線(xiàn)的區(qū)域后，由于黑線(xiàn)和白色底板對(duì)光線(xiàn)的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光線(xiàn)的強(qiáng)弱判斷道路。

1.6無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能是通過(guò)WIFI模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的［5］。有了WIFI模塊，下位機(jī)可以在工作過(guò)程中，將采集到的道路信息、周?chē)h(huán)境信息、目標(biāo)物體信息傳送給上位機(jī)，上位機(jī)將接受到信息，進(jìn)行處理，并向下位機(jī)傳送指令，下位機(jī)根據(jù)指令進(jìn)行行走、避障、夾取物體、卸載物體、掃二維碼等工作。

實(shí)現(xiàn)以上功能后，搬運(yùn)機(jī)器人可以按照預(yù)定的程序，完成工作。圖4是機(jī)器人工作過(guò)程。

圖4　機(jī)器人工作過(guò)程

2　搬運(yùn)機(jī)器人主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

該機(jī)器人通過(guò)顏色識(shí)別時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡是柔性的，這就大大提高了倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)的適應(yīng)性，適用于小型工廠(chǎng)；利用機(jī)械臂夾取物體，這樣比叉、鏟、拉等方式更方便，更實(shí)用，對(duì)目標(biāo)物體形狀要求更低；基于二維碼的識(shí)別系統(tǒng)穩(wěn)定，工作準(zhǔn)確性高。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并組裝完成了搬運(yùn)機(jī)器人的硬件主體，實(shí)現(xiàn)了基本功能，經(jīng)過(guò)測(cè)試，可與上位機(jī)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)文中所述功能。

［1］劉鳳臣，姚赟峰，劉黎明，等.高速搬運(yùn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)用及發(fā)展［J］.輕工機(jī)械.2012，30（02）：108-112.

［2］李偉.六自由度關(guān)節(jié)式機(jī)器人控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［D］.上海：華東理工大學(xué)，2014.

［3］馮俊杰.多機(jī)器人系統(tǒng)避障與最優(yōu)協(xié)調(diào)［D］.南寧：廣西大學(xué)，2014.

［4］賀龍豹.競(jìng)賽用搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京財(cái)經(jīng)大學(xué)，2013.

［5］戴雷.六軸機(jī)器人離線(xiàn)編程與仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢：武漢科技大學(xué)，2015.

Overview of Intelligent Transportation Robot

LIN Bo-jian，WANG Kai-min，GUAN Peng-ju
（Key Laboratory for Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education，Chang'an University，Xi'an Shaanxi 710064，China）

In this paper，a kind of intelligent robot is designed.The system structure and the realization processesof basic functions are introduced.It can be applied to the factory workshop，underground mine，family life and so on.

intelligent products；transportation；factory workshop；underground mine

TP249

A

1672-545X（2016）08-0117-02

專(zhuān)論綜述

2016-05-30

藺博見(jiàn)（1991-），男，遼寧朝陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：工業(yè)機(jī)器人。