智能物流機器人

孫鵬偉 石巖 石佳鵬 鐘學文 卜秋雨 孫宇捷

摘要：隨著科技的發展，機器人在物流行業中發揮著越來越重要的作用。不同于傳統的物流行業，“機器人+”物流不僅提升了倉儲物流的搬運效率，減輕了人類繁重的體力勞動，還有助于優化資源，提升效益，具有廣闊的發展前景和良好的經濟效益。但是，傳統老式物流機器人的設計大多是把夾持機構和搬運機構結合一體化，這可能會由于貨物大小和形狀的不同以及夾持精度的問題給夾持和搬運帶來困難，因此，我們設計的這款智能物流機器人把夾持和搬運機構分成了獨立的兩部分，加持機構對貨物進行識別分類，再由不同的搬運機構搬運到不同的目的地，實現對貨物的處理。

關鍵詞：“機器人+”;物流;夾持;搬運

一、概述

未來物流業的發展離不開機器人技術的支持。機器人技術在物流作業過程中發揮著越來越重要的作用，將成為引領現代物流業發展趨勢的重要因素。

機器人技術在裝卸搬運中的應用裝卸搬運是物流系統中最基本的功能要素之一，存在于貨物運輸、儲存、包裝、流通加工和配送等過程中，貫穿于物流作業的始末。目前，機器人技術正在越來越多的被應用于物流的裝卸搬運作業，大大提高了物流系統的效率和效益。搬運機器人的出現不僅可以充分利用工作環境的空間，提高物料的搬運能力，大大節約裝卸搬運過程中的作業時間，提高裝卸效率，還減輕了人類繁重的體力勞動。目前已被廣泛應用到工廠內部工序間的搬運、制造系統和物流系統連續的運轉以及國際化大型港口的集裝箱自動搬運。^[1]

根據目前市面上出現的各種物流機器人，我們知道現在物流機器人的主流都是主導搬運，沒有夾持和搬運一體化的情況，因此，本文設計的是貨物夾持分揀和搬運可以單獨作業的機器人。

二、系統及硬件設計

本機器人主要分為夾持分揀和搬運兩個部分，夾持機構以OpenMV作為貨物識別的處理器，由機械臂將貨物分揀;搬運機構以STM32F103RCT6單片機作為處理器，用紅外傳感器實現循跡導航，由超聲波傳感器實現避障。

（一）設計思路

首先，夾持機構由機械臂和OpenMV及其擴展板組成，通過OpenMV攝像頭對貨物進行識別，控制機械臂對貨物夾持，分揀到相應小車的托盤上;搬運機構由stm32單片機，電機，紅外傳感器，超聲波傳感器及小車底盤組成，通過提前規劃好的路徑，小車把貨物搬運到相應的區域。

（二）主要模塊

1.OpenMV模塊

OpenMV是一個開源，低成本，功能強大的機器視覺模塊。以STM32F767為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用C語言高效的實現了核心機器視覺算法，通過其來實現對不同貨物的識別及空間坐標分析，再通過與pca9685舵機驅動板相連控制機械臂夾取物體。

2.機械臂模塊

采用六自由度機械臂，配置六個MG996舵機，相當于六個活動關節，實現三維旋轉抓取物體，最大抓取重量500g。舵機具體參數如下：

尺寸：40.8*20*38mm

重量：55g

速度：4.8V：0.20sec/60°6.0V：0.19sec/60°

扭力：4.8V：13kg-cm

6.0V：15kg-cm

電壓：4.8V-7.2V

空載工作電流：120mA

堵轉工作電流：1450mA

響應脈寬時間：≤5usec

角度偏差：回中誤差0度，左右各45°誤差≤3°

齒輪：5級金屬齒輪組

機械臂

3.單片機主板模塊

基于STM32F103RCT6單片機，與轉接板配合使用，具體功能特點如下：

（1）stm32主板支持USB一鍵下載，增加了電壓自保護，防止燒壞PC端;

（2）stm32主板采用了大容量64腳STM32F103RCT6 ARM芯片，擴展出大部分的IO口和AD模擬信號端口;

（3）stm32主板與轉接板很好地對接起來，通過轉接板將stm32的IO口全部引出來，方便連接做實驗;

4.循跡模塊

采用紅外傳感器，基于TCRT5000紅外反射傳感器，傳感器由紅外發射二極管和紅外接收二極管組成，可檢測反射范圍為1mm～25mm，靈敏度可調節。工作時，紅外發射管不斷發射紅外線，當發射出的紅外線沒有被反射回來或反射回來但強度不夠大時，紅外接收管一直處于關閉狀態，輸出端為高電平，指示燈熄滅;當紅外線被反射回來且強度足夠大時，紅外接收管飽和，輸出端為低電平，指示燈點亮。

紅外傳感器

5.避障模塊

采用超聲波測距傳感器，HC-SR04超聲波測距傳感器，該模塊可提供2cm-400cm的非 接觸式距離感測功能，測距精度可達到0.2cm，即障礙物最大檢測距離為4m，精度為0.2cm，遠遠小于2cm;障礙物最小檢測距離為2cm，滿足設計要求。

超聲波測距傳感器

6.小車底盤模塊

由1塊鋁合金底板，2個驅動輪，10個承重輪，兩條履帶，兩個電機組成。

小車底盤

（二）主要功能

7.循跡

此功能主要利用紅外傳感器，在小車的前端左右分別一個紅外傳感器，兩紅外傳感器相距的距離約等于所巡黑線的寬度。當小車被啟動時，兩個傳感器同時開始工作，分別檢測左右兩邊黑線的邊緣，當左邊的紅外傳感器接收不到反射回來的紅外線時，說明左邊的紅外傳感器檢測到了黑線，此時單片機執行左轉的程序;當右邊的紅外傳感器接收不到反射回來的紅外線時，說明右邊的紅外傳感器檢測到了黑線，此時單片機執行右轉的程序;當左右兩邊的紅外傳感器都能接收到反射回來的紅外線時，小車向前直走;否則，小車停下（這種情況一般不會出現），從而實現了循跡功能。

8.避障

機器人進行避障時，我們需要提前探知其前方是否存在障礙物，這樣就可以在行進過程中，自動選擇遠離障礙物的路線。在避障模塊的選擇時，有兩種選擇，一種是使用紅外避障，還有一種是超聲波避障，這里我們采用超聲波避障。

超聲波避障：首先利用單片機輸出一個40kHz的觸發信號，把觸發信號輸入到超聲波測距模塊，再由超聲波測距模塊的發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時單片機通過軟件開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物返回，超聲波測距模塊的接收器收到反射波后通過產生一個回應信號反饋給單片機，此時單片機就立即停止計時。由于超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離，即S=VT/2，通過單片機來算出距離，當達到安全距離時，開始自動避障。

3.貨物識別與夾取

貨物識別：

利用OpenMV機器視覺選中目標色塊，將色彩格式調換為 LAB Color，記錄L，A，B 三者的最大值（MAX）與最小值（MIN），將LAB的取值范圍設置為閾值（threshold），將閾值傳入find_blobs函數中，根據需求設定像素點與矩形面積等閾值約束，將攝像頭檢測到符合目標顏色閾值的部分用矩形框標識出。

貨物夾取：

在進行貨物識別完成后，OpenMV通過多次測量，精準獲得物體位置坐標（分紅色和綠色），通過逆運動學^[2]得到機械臂的轉動數據即各個自由度舵機轉動的角度夾取物塊最后將紅綠物塊放到不同的地方。

三、結語

本文介紹的物流機器人可以有效地提高物流效率和質量，而且對保障人身安全、改善勞動環境、減輕勞動強度、提高勞動生產率、節約材料消耗以及降低生產成本都具有十分重要的意義。

隨著機器人技術不斷進步和物流市場競爭的不斷加劇，物流機器人在物流業中的應用范圍和規模必將逐步擴大，物流機器人將更好、更高效地服務于物流業，從而促進現代物流業的快速發展。

參考文獻

[1]紀壽文，李克強.智能化的物流搬運機器人.中國物流與采購設備與技術，2014

[2]周友行，何清華，鄧伯祿. 一種改進的爬山法優化求解冗余機械手運動學逆解[J].機器人，2003

基金項目：本文系天津市級大學生創新創業訓練項目智能物流機器人研究成果，項目編號：201810059106

（作者單位：電子信息與自動化學院 中國民航大學）