智能倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人的研制

曹文慧，滿 翼，朱現(xiàn)偉，歐陽(yáng)幫燕，麻風(fēng)光，劉長(zhǎng)軍

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 化工裝備學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 111003)

2011～2018年我國(guó)AGV市場(chǎng)新增量及增長(zhǎng)情況如圖1所示，由此可見，我國(guó)對(duì)AGV的需求量在逐步增大。

圖1 2011～2018年我國(guó)AGV市場(chǎng)新增量及增長(zhǎng)情況

1 倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)

根據(jù)本次機(jī)器人所要實(shí)現(xiàn)的搬運(yùn)、導(dǎo)航、避障等功能，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行五大模塊的設(shè)計(jì)：

(1)主控模塊：主要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)起到各個(gè)模塊的平衡作用。

(2)電源及管理模塊：電源是機(jī)器人的動(dòng)力源泉。

(3)運(yùn)動(dòng)控制模塊：機(jī)器人在接收指令后通過(guò)直線行走、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)到指定位置。

(4)避障模塊：通過(guò)紅外光電傳感器檢測(cè)障礙物，并及時(shí)做出規(guī)避動(dòng)作。

(5)定位模塊：機(jī)器人通過(guò)二維碼信息采集技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航定位，按規(guī)定路線進(jìn)行運(yùn)行。

1.2 總體構(gòu)造設(shè)計(jì)

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

構(gòu)成主要包括搬運(yùn)機(jī)器人的底盤、舉升設(shè)施以及傳感器等。物流機(jī)器人的底盤是機(jī)器人的重要外圍設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)起到支撐作用。

外殼屬于保護(hù)部件，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)起保護(hù)作用。機(jī)器人舉升設(shè)施是用來(lái)實(shí)現(xiàn)舉升、裝卸的關(guān)鍵部分，保證機(jī)器人可靠行走的部件則為傳感器。

倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。倉(cāng)儲(chǔ)物流搬運(yùn)機(jī)器人主體支架由上下兩層組成。其中主要包括控制單元、避障裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)航定位裝置、舉升設(shè)備等部件。

1.3 驅(qū)動(dòng)方式選擇

圖3 四輪布局

本次設(shè)計(jì)采用兩輪驅(qū)動(dòng)方式，為了提高機(jī)器人承載重物的能力，選擇使用兩個(gè)萬(wàn)向輪分擔(dān)負(fù)載。如圖3所示。

此外本次運(yùn)用Solidworks軟件對(duì)機(jī)器人的車輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用以前所制作的3D打印技術(shù)，對(duì)機(jī)器人車輪進(jìn)行打印。

1.4 電機(jī)選型

出于本次設(shè)計(jì)的倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人運(yùn)行速度低，功率也不高，因此，采用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)足夠滿足此次設(shè)計(jì)。機(jī)器人車體本身重量m1=3 kg，最大負(fù)重m2=10 kg，最大移動(dòng)速度v=0.3 m/s。設(shè)最大加速度a=0.3 m2/s，取滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.2，安全裕量k=2，機(jī)械傳動(dòng)效率η=0.8，并假設(shè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在理想情況下機(jī)械特性、功率曲線一樣，則機(jī)器人正常工作時(shí)所需總驅(qū)動(dòng)功率為:

本文采用兩個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并考慮安全裕量，故單個(gè)電機(jī)功率需求為：

根據(jù)電機(jī)功率進(jìn)一步計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩T，本文采用輪子直徑T=650 mm，所需最大轉(zhuǎn)矩為：

T=fr=μ(m1+m2)gr

=0.2×(3+10)×9.8×0.0325=0.8281 N·m

根據(jù)機(jī)器人移動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)輪輪徑，可計(jì)算得到機(jī)器人電機(jī)所需轉(zhuǎn)速n為：

n=60V/2πr=(60×0.3)/(2π×0.0325)=88.1473 r/min

1.5 供電電池選型

本次研究選用鋰電池作為機(jī)器人的動(dòng)力源泉，所選電池參數(shù)如表1所示。

表1 鋰電池參數(shù)表

1.6 紅外避障模塊選型

如果在行進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物擋住發(fā)出的光線，則會(huì)使發(fā)射出的紅外光線中的一部分反射回來(lái)，通過(guò)收光裝置之后，會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的控制所傳遞出的信息使機(jī)器人立即停止行進(jìn)。

2 倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

圖4 功能需求分析圖

倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的功能需求分析圖如圖4所示，由圖分析機(jī)器人需要接收上位機(jī)信號(hào)并執(zhí)行指令，將貨物搬運(yùn)至工作區(qū)再返回到出發(fā)區(qū)。途中機(jī)器人還需向上位機(jī)對(duì)機(jī)器人的狀態(tài)、信息進(jìn)行反饋。對(duì)于所述要求,倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人需要具有數(shù)據(jù)采集功能以及搬運(yùn)等功能。

2.1 二維碼信息采集設(shè)計(jì)

在模擬搬運(yùn)環(huán)境中，地面貼有二維碼地標(biāo)，每個(gè)二維碼標(biāo)志攜帶有位置信息，使用專門模塊掃描二維碼獲取地標(biāo)信息從而獲取位置信息。

其中數(shù)據(jù)為二維碼對(duì)應(yīng)的位置信息以及是否存在貨架，如果檢測(cè)存在貨架，則機(jī)器人需要原地旋轉(zhuǎn)180°，并等待舉升機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

2.2 循跡模塊處理設(shè)計(jì)

倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人裝有3個(gè)灰度傳感器，如圖5所示。

圖5 灰度傳感器分布圖

首先將3個(gè)灰度傳感器從左向右分別如圖5編號(hào)。機(jī)器人沿中心循跡時(shí)，②號(hào)傳感器能夠檢測(cè)，①號(hào)、③號(hào)傳感器不檢測(cè)。灰度傳感器掃過(guò)引導(dǎo)線時(shí)，傳感器會(huì)輸出高信號(hào)，STM32首先對(duì)高信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，之后取高信號(hào)編號(hào)的平均值，與平均值做差，以此來(lái)判斷機(jī)器人是否偏移，然后進(jìn)行誤差修正。

2.3 舉升電機(jī)控制設(shè)計(jì)

機(jī)器人通過(guò)用電動(dòng)推桿將貨物舉起。本次使用的電動(dòng)推桿伸縮量可以達(dá)到100 mm，使用位置閉環(huán)控制對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，反饋電動(dòng)推桿上下移動(dòng)的距離則取決于編碼器脈沖數(shù)，由于電動(dòng)推桿本身自帶限位開關(guān)，由此特性來(lái)控制是否正常工作。

3 總結(jié)

本次產(chǎn)品有以下特點(diǎn)：(1)采用3D打印技術(shù)制造機(jī)器人零部件：使用Solidworks軟件對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人的零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)3D打印技術(shù)打印機(jī)器人部分組成零件。(2)二維碼掃描技術(shù)進(jìn)行指令識(shí)別：本機(jī)器人主要采用二維碼掃描技術(shù)來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航定位并且實(shí)現(xiàn)指令的識(shí)別。(3)采用四輪設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)方式：在兩輪驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，配合兩個(gè)萬(wàn)向從動(dòng)輪，以此提高倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人承載重物的能力。(4)實(shí)現(xiàn)智能追蹤，擁有避障功能：通過(guò)紅外傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的尋跡和安全避障。

本次機(jī)器人成品圖如圖6所示。

圖6 機(jī)器人成品圖