基于物流倉儲(chǔ)的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與路徑規(guī)劃研究

翁楓 馬志剛 李春暉

摘要：移動(dòng)機(jī)器人在物流倉儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠有效提高物流倉儲(chǔ)作業(yè)的效率，降低物流倉儲(chǔ)作業(yè)成本。文章闡述了移動(dòng)機(jī)器人在物流倉儲(chǔ)領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)勢，分析了基于物流倉儲(chǔ)的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的硬件與軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而探討了基于物流倉儲(chǔ)的移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃方面，以供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：物流倉儲(chǔ)；移動(dòng)機(jī)器人；路徑規(guī)劃；上位機(jī)軟件；蜘蛛群居混合優(yōu)化算法

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，現(xiàn)代科技不斷進(jìn)步，電子商務(wù)規(guī)模得以不斷擴(kuò)大，大大促進(jìn)了物流行業(yè)的發(fā)展。在以往的物流倉儲(chǔ)作業(yè)模式中，主要采用人工方式進(jìn)行貨物挑選與搬運(yùn)，不僅工作效率低下，而且工作失誤率也比較高，無法適應(yīng)現(xiàn)代物流貨品種類多且批量小等方面的工作要求。面對(duì)這種情況，必須采用智能化與自動(dòng)化的物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)，因此，很有必要加強(qiáng)基于物流倉儲(chǔ)的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與路徑規(guī)劃研究。

1.移動(dòng)機(jī)器人在物流倉儲(chǔ)領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)勢

第一點(diǎn)，移動(dòng)機(jī)器人員可替代人工方式來進(jìn)行貨物搬運(yùn)等作業(yè)，對(duì)于需多人搬運(yùn)的貨物，只需一臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人即可在有限時(shí)間之內(nèi)完成，如此就將人工勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，從而促進(jìn)物流倉儲(chǔ)作業(yè)效率的有效提升，進(jìn)而促使作業(yè)成本的不斷下降。

第二點(diǎn)，移動(dòng)機(jī)器人的顯著特點(diǎn)主要體現(xiàn)在自主性與智能性兩個(gè)方面，相比于傳送帶、AGV，移動(dòng)機(jī)器人在倉儲(chǔ)物流領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢更為明顯，其具有非常強(qiáng)大的交互能力以及對(duì)環(huán)境理解的能力。

第三點(diǎn)，隨著移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人系統(tǒng)逐步擁有自主構(gòu)圖以及路徑規(guī)劃等功能。機(jī)器人系統(tǒng)功能的多樣化，在很大程度上增強(qiáng)了其自身的靈活性，促使其能夠進(jìn)一步適應(yīng)周邊環(huán)境，在各種物流環(huán)境中都能完成指定任務(wù)。

2.基于物流倉儲(chǔ)的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1物流倉儲(chǔ)移動(dòng)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

物流倉儲(chǔ)移動(dòng)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方式主要是根據(jù)功能不同，將系統(tǒng)劃分成若干個(gè)相應(yīng)模塊，不同模塊的功能與結(jié)構(gòu)都具有獨(dú)立性，同時(shí)所有模塊能夠有效組合成一個(gè)具有諸多功能的整體。該設(shè)計(jì)方式融入了綠色設(shè)計(jì)理念，不僅能夠減少作業(yè)時(shí)間降低作業(yè)成本，還能為系統(tǒng)后續(xù)升級(jí)及其維護(hù)等方面提供極大便利。

本文以stm32為基礎(chǔ)來進(jìn)行物流倉儲(chǔ)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過金屬桿件來搭建其主體框架，并在不同部位固定相應(yīng)的金屬件與螺母。本文所設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)主要由主控芯片、電源模塊、RFID讀卡模塊、紅外傳感器避障模塊、XBee無線通信模塊、舵機(jī)模塊以及QTI巡線模塊構(gòu)成。在此基礎(chǔ)上組成的移動(dòng)機(jī)器人的主要特征如下：

第一點(diǎn)，該機(jī)器人通過兩個(gè)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)對(duì)其移動(dòng)部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效控制，每分鐘最大轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)為60。

第二點(diǎn)，該移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)手包括六個(gè)角度的舵機(jī)，具有四個(gè)自由度。

第三點(diǎn)，該移動(dòng)機(jī)器人安裝有QTI傳感裝置，以便于機(jī)器人巡線。

第四點(diǎn)，該移動(dòng)機(jī)器人安裝有紅外傳感裝置，能夠使機(jī)器人有效避開相關(guān)障礙物。

第五點(diǎn)，該移動(dòng)機(jī)器人安裝了XBee無線模塊，為機(jī)器人與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信提供支持。

2.2物流倉儲(chǔ)移動(dòng)機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)

第一點(diǎn)，下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

下位機(jī)是移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中能夠接收和執(zhí)行控制指令的控制器，其中含有執(zhí)行程序，改程序具有可修改性。下位機(jī)在接收到上位機(jī)的命令后，利用自身程序?qū)γ钸M(jìn)行解析，并按照命令對(duì)機(jī)器人進(jìn)行有效控制，以及時(shí)充分地完成任務(wù)。同時(shí)物流倉儲(chǔ)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中的不同機(jī)器人的執(zhí)行程序無較大差異，軟件組成與邏輯都相對(duì)簡單。

移動(dòng)機(jī)器人的軟件結(jié)構(gòu)是一個(gè)主循環(huán)，可通過持續(xù)查詢的方式來將上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息接收過來，之后按照所獲數(shù)據(jù)與指令來執(zhí)行不同的控制代碼。在軟件系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不可避免地要進(jìn)行初始化操作。移動(dòng)機(jī)器人軟件系統(tǒng)的初始化操作主要涉及到處理器內(nèi)部資源的初始化、芯片外接設(shè)備的初始化，以及機(jī)手的初始化等。在該軟件系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若未運(yùn)用Init（）函數(shù)，后續(xù)代碼將不能順利運(yùn)行出相應(yīng)結(jié)果。外接設(shè)備的初始化是主要是指輸入和輸出端口的初始化等，只有這樣，后續(xù)代碼才能順利驅(qū)動(dòng)相應(yīng)設(shè)備。移動(dòng)機(jī)器人機(jī)手的初始化目的是為了防止移動(dòng)機(jī)器人在作業(yè)過程中由于機(jī)手晃動(dòng)較為劇烈而造成移動(dòng)方向偏離現(xiàn)象的出現(xiàn)。在完成所有初始化操作后，移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)將進(jìn)入主循環(huán)中，通過查詢方式來順利執(zhí)行代碼。在主循環(huán)過程中，要完成QTI巡線控制以及機(jī)手操作等所有作業(yè)。

在物流倉儲(chǔ)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主要通過硬件結(jié)構(gòu)相同的三個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)手來執(zhí)行任務(wù)，并在移動(dòng)機(jī)器人機(jī)手上安裝不同的傳感裝置，來開展出入庫作業(yè)。物流倉儲(chǔ)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的功能包括巡線功能、避免追尾功能、各位置物料抓取功能、物料與貨架信息記錄功能，以及無線通信功能。其中巡線功能主要以作業(yè)場地中的黑色路徑為基準(zhǔn)，本文針對(duì)該功能選用QTI巡線傳感器。防追尾功能主要用于避免同一路線上不同機(jī)器人間的追尾現(xiàn)象，本文針對(duì)該功能選用了紅外測距傳感裝置。對(duì)不同位置不同高度物料的抓取，可選用4自由度機(jī)手。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的物料系統(tǒng)記錄功能，本文選用了RFID電子標(biāo)簽卡對(duì)不同物料進(jìn)行標(biāo)記，并通過RFID讀卡器將標(biāo)簽卡信息有效讀取出來。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的無線通信功能，本文選用了基于Zigbee通信協(xié)議的XBee模塊。

第二點(diǎn)，上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

本文通過VC++6.0來進(jìn)行系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，因而設(shè)計(jì)出的軟件需要在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中運(yùn)行。上位機(jī)軟件采用了線程編程方式，在很大程度上增強(qiáng)了系統(tǒng)消息實(shí)時(shí)性。該軟件基面主要包括搜索區(qū)、任務(wù)選擇區(qū)、機(jī)器人指令區(qū)、物料跟蹤區(qū)、掃描物料區(qū)、機(jī)器人連接指令區(qū)和串口通信區(qū)。

其中，串口通信區(qū)主要用來連接不同串口。機(jī)器人連接指令區(qū)的指示燈主要用于相應(yīng)機(jī)器人的系統(tǒng)連接，指示燈變紅代表機(jī)器人已經(jīng)連接到系統(tǒng)中，而指示燈變黑則代表機(jī)器人脫離了系統(tǒng)控制。

掃描物料區(qū)：移動(dòng)機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)的過程中，需要對(duì)全部物料進(jìn)行入庫預(yù)掃描，具體來講，就是將物料的ID號(hào)存儲(chǔ)在其表面的粘貼的RFID電子標(biāo)簽中。若不對(duì)物料進(jìn)行入庫預(yù)掃描操作，移動(dòng)機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)的過程中，系統(tǒng)將無法更新各個(gè)貨架上的物料信息。

機(jī)器人指令區(qū)：忙碌與待發(fā)是移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)常見的兩種指令，任務(wù)指令編輯框內(nèi)所呈現(xiàn)的是移動(dòng)機(jī)器人之前執(zhí)行的任務(wù)信息。在移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的過程中，執(zhí)行指令是忙碌。如果這時(shí)系統(tǒng)向忙碌狀態(tài)下的移動(dòng)機(jī)器人發(fā)送任務(wù)命令，該命令沒有效果。移動(dòng)機(jī)器人完成任務(wù)回到起始位后，相應(yīng)指令是待發(fā)，這時(shí)系統(tǒng)方能向移動(dòng)機(jī)器人發(fā)送任務(wù)指令。

物料跟蹤區(qū)：在貨架上的物料出現(xiàn)變化后，物料跟蹤區(qū)會(huì)將物料出入庫信息記錄并儲(chǔ)存下來。

任務(wù)選擇區(qū)：針對(duì)不同的機(jī)器人，物流倉儲(chǔ)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)都是采用獨(dú)立方式阿力發(fā)送相應(yīng)任務(wù)指令的。各移動(dòng)機(jī)器人主要承擔(dān)出庫、入庫以及閑置等任務(wù)，如果系統(tǒng)發(fā)送出庫任務(wù)指令時(shí)，需要有相應(yīng)的出貨口可供選擇。如果系統(tǒng)發(fā)送入庫任務(wù)指令時(shí)，需要有相應(yīng)的入貨口可供選擇。在選擇完任務(wù)指令后，系統(tǒng)還需要對(duì)貨架號(hào)進(jìn)行選擇，之后才能點(diǎn)擊執(zhí)行任務(wù)按鈕，將全面的任務(wù)指令發(fā)送出去。如果點(diǎn)擊暫停按鈕，移動(dòng)機(jī)器人將會(huì)暫時(shí)停止執(zhí)行任務(wù)。

搜索區(qū)：搜索功能是為了在物料較少時(shí)，能夠按照物料名對(duì)貨架上該物料的位置與數(shù)量進(jìn)行搜索，同時(shí)還能點(diǎn)擊搜索空架按鈕將空貨架的編號(hào)搜索出來，以便于物料入庫。

3.基于蜘蛛群居混合優(yōu)化算法的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃

可將基于物流倉儲(chǔ)的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃視為一個(gè)尋優(yōu)過程，通過不同雌雄蜘蛛位置的迭代與信息交互，來實(shí)現(xiàn)對(duì)物流倉儲(chǔ)移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃。主要規(guī)劃流程如下：

第一步，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，這些參數(shù)主要包括初始點(diǎn)、終點(diǎn)、蜘蛛數(shù)量、搜索空間維數(shù)以及最大迭代次數(shù)等。第二步，隨機(jī)分配不同性別的蜘蛛群體。第三步，對(duì)存在可行路徑與否進(jìn)行合理判斷。第四步，根據(jù)優(yōu)化后的算法開展雌雄蜘蛛間的交互與協(xié)作，并將對(duì)應(yīng)的迭代路徑有效記錄下來。第五步，對(duì)比適應(yīng)值與己設(shè)定最小適應(yīng)值的大小，如果前者大于后者，就重新開始上述流程，如果前者小于后者，就進(jìn)行后續(xù)流程。第六步，如果滿足了最大迭代書，就將最短路徑傳輸出來，并合理保存該路徑長度。

4.結(jié)語

總之，移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)在現(xiàn)代物流倉儲(chǔ)領(lǐng)域中的應(yīng)用，不僅有利于提高物流倉儲(chǔ)作業(yè)的整體水平，還對(duì)物流倉儲(chǔ)作業(yè)效益的提升等方面，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，設(shè)計(jì)人員必須充分了解移動(dòng)機(jī)器人在物流倉儲(chǔ)領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)勢，根據(jù)物流倉儲(chǔ)作業(yè)的具體特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的硬件與軟件結(jié)構(gòu)，并通過蜘蛛群居混合算法有效規(guī)劃移動(dòng)機(jī)器人的作業(yè)路徑，從而充分發(fā)揮移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)在物流倉儲(chǔ)領(lǐng)域中的作用。