用于智能制造工廠中物料搬運機器人的研制

王遠超 王嘉琪 焦 鵬 岳世杰 田建濤

(太原理工大學現代科技學院，山西 太原 030002)

0 引言

隨著經濟的發展，科技發展也越來越快。就中國工業的現狀來看，未來10年，中國工業智能化領域將有高速發展，智能工廠也是必不可少的一部分，傳統的工廠也將會轉型成智能工廠，智能工廠為制造業公司提供了智能化的工廠頂層設計、轉型路徑圖、軟硬件一體化實施的工業智能化解決方案，同時在技術的供應上也有非常大的幫助，包括工業物聯網、工業網絡安全、工業大數據、云計算平臺、MES系統等；智能制造工廠出現，生產模式發生了巨大變化，人工智能和機器人取代傳統勞動力，可以說是時代必然的產物，是未來智能制造中不可或缺的一部分。

1 智能制造工廠的特點

1.1 互聯互通

互聯互通是通過CPS系統將人、物、機器與系統進行連接，以物聯網作為基礎，通過傳感器、RFID、二維碼和無線局域網等實現信息的采集，通過PLC和本地及遠程服務器實現人機界面的交互，在本地服務器和云存儲服務器實現數據讀寫，在ERP、PLM、MES和SCADA等平臺實現無縫對接，從而達到信息的暢通，人機的智能。

1.2 數字化

數字化包含2個方面內容，一方面是指智能工廠在工廠規劃設計、工藝裝備開發及物流等全部應用三維設計與仿真;另一方面，在傳感器、定位識別、數據庫分析等物聯網基礎數字化技術的幫助下，數字化貫穿產品創造價值鏈和智能工廠制造價值網絡，從研發到運營，乃至商業模式也需要數字化的貫通，從某種程度而言數字化的實現程度也成為智能制造戰略成功的關鍵。

1.3 智能供應鏈

智能供應鏈重點包含供應物流、生產物流、整車物流，各相應環節實施物流信息實時采集、同步傳輸、數據共享，并驅動物流設備運行，實現智能物流體系。

2 物料搬運機器人的整體方案設計

2.1 總體方案的設計

小車系統分為四大部分：信號采集部分、數據處理部分，機械臂抓取部分以及行駛控制部分。信號采集部分選用了黑標傳感器，黑標傳感器相對其他傳感器來說更加小巧方便，而且操作程序相對簡單。數據處理部分選用Arduino2560，Arduino2560比單片機更加簡單化，而且Arduino2560有對應的擴展版，更加方便快捷。機械臂抓取部分是由3個270度的伺服舵機來完成工作任務，通過3個舵機的配合，可以在搬運物料的過程中相對穩定地保護物料的“安全”。行駛控制部分是由4個步進電機配合福來輪來完成的行駛，而且步進電機和福來輪的配合更加適應工廠的地面。

下面就是機器人的執行任務流程圖：

圖1 系統流程圖

2.2 主控板的設計

本文中智能機器人的主控板采用的是Arduino2560為核心的微控制系統開發板，本身具有54組數字I/O端口(其中14組可以作為PWM輸出)，16組模擬比輸入端，4組UART串口，供電系統有2種選擇，USB直接供電和外部供電，此控制板的極限電壓范圍為6V～12V。

2.3 器件選擇及功能模塊設計

電器元件選擇一個ArduinoMega2560主控板、Bigfish擴展板、步進電機擴展版、3個270°舵機、4個黑標傳感器、顏色識別傳感器，Wi-Fi模塊。4個黑標傳感器用以判斷地圖上的黑線以此實現小車循跡功能；機械臂用來抓取物料；顏色傳感器用來識別物料顏色；Wi-Fi模塊用來獲取搬運物料的任務。

顏色傳感器的使用方式：把一個白色物體放置在顏色傳感器之下，兩者相距10mm左右，點亮傳感器上的4個白光 LED燈，用Arduino控制器的定時器設置一固定時間 1s，然后選通3種顏色的濾波器，讓被測物體反射光中紅、綠、藍三色光分別通過濾波器，得到的 RGB比例因子，則物體反射光中紅、綠、藍三色光對應的1s內輸出信號脈沖數乘以R、G、B比例因子，就可換算出被測物體的RGB標準值。

以下是行走程序：

delayTracking(Y, time);

linear_v = 0.2; //速度設置為 0.1m/s

while(toDigital(sensor2) || toDigital(sensor3)) trackingY();

switch(i){

case 0: move(0, 0.045, 0); move(0.01, 0, 0); break;

case 1: move(0, 0.045, 0); move(0.01, 0, 0); break;

case 2: move(0, 0.04, 0); break;

以下是顏色識別程序：

//顏色檢測函數

void colorDetect(int i){

#ifdef DEBUG

Serial.println(color_data);

#else

switch(i){

case 0: myScanner1.scan(); break;

case 1: myScanner1.scan(); break;

}

3 機械加工工藝

3.1 機械臂的加工

機械臂的加工主要經過以下流程：選材、用料、切除、鉆孔、打磨、拋光、折彎等步驟，其中切除和鉆孔是最為費事的，選好料之后用筆針先畫上線，然后在銑床上反復來回的切除，直到銑出來模型以后，還要用銼刀把周邊鋁板上的毛刺銼平，然后再比對上舵機的尺寸在鋁板上比劃，用鉚釘在鋁板上釘個小眼，以防銑刀打滑，鉆出孔后還要折彎，最后進行拋光。

以下是機械臂角度的調試和抓取程序：

//底部舵機角度

//0:中間角度

//1:夾取方向角度

//2:放置方向角度

#define SERVO_A_0 88

#define SERVO_A_1 25

#define SERVO_A_2 147

3.2 Wi-Fi技術的應用

當前Wi-Fi技術在人們生活中已經得到了廣泛的應用, Wi-Fi技術的實質是IEEE802.11標準,該技術的信息傳輸速度很快,可以達到500MB/s,基本可以滿足大部分用戶對于數據傳輸的要求。將Wi-Fi技術應用于物料搬運機器人之中,能夠通過互聯網絡實現對物料搬運機器人的遠程控制,而且還能夠在局域網內部對設備進行本地控制。除此之外，物料搬運機器人獲取搬運任務的方式也得到改善，從掃描二維碼獲取任務轉變到了通過Wi-fi獲取搬運任務，既節省了大量的時間，也提高了搬運的數量。Wi-Fi技術的應用使得物料搬運機器人擁有高效率、高精準性的特點。這是新技術應用于制造業中產生的成果。

以下是接入WiFi模塊的程序：

#include

#include

#include ″WiFly.h″

#define UDP_HOST_IP″255.255.255.255″// broadcast

#define SSID ″Your-SSID″

#define KEY″passphrase″

// Arduino WiFly

//2<——>TX

//3<——>RX

WiFly wifly(2, 3);

HTTPClient http;

char get;

4 結論

物料搬運機器人促進了智能制造工廠的升級和不斷進步，為我國制造業的發展和經濟水平的提升做出了貢獻。同時為了實現智能制造工廠的進一步優化，在未來還需要加強對物料搬運機器人技術的完善和發展，從而實現制造業的創新和高質量發展。