基于單片機的吸附式倉儲搬運機器人研發

王媛媛 劉海龍 蔡逸鋒

摘要：針對傳統倉儲作業模式中存在的問題，設計了一種吸附式倉儲搬運機器人。該機器人將傳統搬運AGV小車與碼垛機器人合成一體，設備輕巧，占用空間小，可連續作業;采用新式吸附式機械手，可提高作業效率，大大降低企業成本，解決了中小型企業在輕型、小型復合材料倉儲過程中的物流難題。

關鍵詞：倉儲機器人;AGV;吸附式機械手;掃碼;單片機控制

0 ? ?引言

在傳統倉儲作業模式中，人力搬運耗時長，強度大，分揀效率較低且出錯率較高，不能滿足現代物流倉儲中批量小、種類多樣的特征需求。倉儲分揀工作相對辛苦單調，年輕勞動力不愿從事此類工作，導致勞動力成本不斷提高，很多企業急需應用一種智能化的物流倉儲機器人，以提高物流分揀和搬運環節的工作效率[1]。

目前，雖然國內外關節型工業碼垛機器人和自動引導小車AGV技術發展成熟，但在相關中小型企業中沒有得到普及，主要由以下原因引起：（1）碼垛和搬運是兩套系統、兩個設備，相對獨立，且價格高昂，中小型企業承擔不起;（2）設備占用空間大，需要的巷道較寬，不能很好適應現代中小型企業物流倉庫環境;（3）作業不連續，不能連續完成掃碼識別貨物并自動上架功能，特別是對于一些包裝小、質量輕的復合材料，如3D打印耗材小型箱體類的倉儲搬運不適宜推廣使用此技術。因此，基于中小型復合材料企業的倉儲搬運需求，迫切需要設計一種小型化、復合型碼垛搬運倉儲機器人。

1 ? ?現有技術背景

目前國內外有各種搬運機器人，如GRAY Orange公司研發的Bulter已經成功應用于物流行業[1]。2015年，亞馬遜公司研發的機器人Kiva投入其物流倉儲中，可利用條形碼對每個貨架進行追蹤定位從而實現智能導航。2016年，京東在雙十一時期使用了載貨能力可達300 kg以上的智能搬運機器人，實現了自動避障與規劃路徑等功能[1-2]。這些機器人主要解決了貨架提升、重物搬運問題，而要實現貨物上架，還需要碼垛機器人的配合。

綜合目前研發現狀來看，一方面，現有的倉儲AGV和碼垛機器人技術都在分別解決搬運和碼垛中某一個環節的技術問題，沒有將AGV和碼垛機器人整合成復合式機器人，對于輕質件，不能有效改善當前人工上架效率低下的現狀;另一方面，目前潛伏式AGV配合碼垛機器人生產線的關鍵技術主要依靠進口，性價比很低，維護成本卻非常高[3]。

綜上所述，開發出造價低、維護方便簡單的設備顯得尤為重要。本研究以碼垛型倉儲搬運AGV作為研究對象，從高性能熱塑性復合材料智能工廠倉庫改造建設的實際需求出發，針對輕型產品的倉儲搬運和碼垛問題，設計并實現了一種更準確、便捷、有效的倉儲碼垛AGV控制系統。

2 ? ?吸附式倉儲機器人原理與結構設計

2.1 ? ?吸附式倉儲機器人系統設計

根據吸附式倉儲機器人的功能需求，提出了總體設計方案，確定了產品的性能參數。其中，控制方式選用單片機實現對機械臂及移動部分的控制，舵機控制用舵機控制板與單片機配合完成。

2.2 ? ?吸附式倉儲機器人硬件設計

吸附式倉儲機器人的硬件設計主要分為硬件結構設計和硬件電路設計兩大部分。

2.2.1 ? ?硬件結構設計

（1）吸附式倉儲機器人機械臂結構如圖1所示。機械臂主要由7個舵機控制，每個舵機可調整的范圍為0°～270°，通過調試機械臂的抓取動作，完成抓取，抓取動作燒錄在舵機控制板中，當檢測到相應的條形碼時，機械臂在舵機控制下完成相應動作[4]。其中，掃碼模塊放在機械臂前端，掃描和抓放均無死點位置。

（2）移動車體設計。移動車體主要包括避障裝置、驅動裝置、控制單元等關鍵部件，如圖2所示。驅動電機、驅動輪、導航定位及安全避障的傳感器放置在底盤第一層;控制單元、驅動模塊放置在機器人底盤第二層;機械手、掃碼模塊及載物臺在第三層。驅動方式采用四輪驅動，驅動裝置采用帶減速箱的無刷直流電機。

（3）掃碼模塊及機械手吸盤等部分。機械手、掃碼模塊及載物臺在第三層，機械手采取新型吸盤式抓取方式，掃碼模塊具體結構如圖3所示。

2.2.2 ? ?硬件電路設計

硬件電路采用模塊化設計，進行控制芯片引腳的實際分配[4]，完成以單片機ATMEGA2560為核心的倉儲機器人控制系統硬件電路設計，如圖4所示，主要包括最小系統模塊電路設計、運動控制驅動板設計、通信模塊設計、轉接板電路設計等的電路設計以及設計車體及機械手部分的機械結構。

2.3 ? ?吸附式倉儲機器人軟件程序設計

根據倉儲搬運機器人系統需求，如圖5所示，機器人的運行程序應設計為：起點出發、自動識別條碼、機械手吸取、搬至指定區域、完成貨物碼垛、返回出發點。

軟件設計也采用模塊化，將整個控制軟件分成多個模塊：主程序、初始化程序、中斷函數、信息采集模塊、運動控制函數和通信函數[4-5]。

3 ? ?結語

本吸附式倉儲機器人研究主要包括：吸附式倉儲機器人系統設計、吸附式倉儲機器人各模塊硬件結構設計（包含機械臂、吸附式機械手、移動車體等結構）、吸附式倉儲機器人軟件程序設計等三大部分，解決了輕型復合材料產品（例如3D打印耗材等）的掃碼識別、貨物搬運、貨物自動上下貨架等倉儲物流難題。

本研究將傳統搬運AGV小車與碼垛機器人合成一體，設備輕巧，占用空間小，可連續作業，新型吸附式機械手不但提高了作業效率，大大降低了成本，還解決了抓放包裝易損壞問題，可應用在中小復合材料生產企業的自動化倉庫中，提升了企業的行業競爭力，具有廣闊的市場應用前景。

[參考文獻]

[1] 徐航宇.倉儲搬運機器人控制系統設計與實現[D].南京：南京理工大學，2017.

[2] 譚濤.基于PLC的立體倉庫AGV控制系統設計和研究[D].漢中：陜西理工學院，2016.

[3] 李慶，李路.智能搬運機器人控制系統的設計與實現[J].宜春學院學報，2014，36（6）：50-53.

[4] 陳飛，張健，胡紅柱.基于機器視覺的PCBA板自動分揀系統設計[J].常熟理工學院學報，2018（5）：66-70.

[5] 張星.基于麥克納姆輪的全向AGV運動控制技術研究[D].重慶：重慶大學，2016.

收稿日期：2020-02-05

作者簡介：王媛媛（1983—），女，山東萊陽人，工學碩士，講師，主要從事智能制造及機器人技術等方面的研究工作。