智能工業(yè)搬運機器人的設計與研究①

常浩 顧振超 竇巖 沈永楠 蔣鑫 張鳳草

(常熟理工學院 江蘇常熟 215500)

隨著科技信息化的高速的發(fā)展，大型企業(yè)工廠的材料貨物搬運成為重要的一環(huán)。如何高效率、自動化、智能化的完成將生產(chǎn)、制造、搬運等一系列工作實現(xiàn)自動化和智能化是人們一直所需要探索和研究的。傳統(tǒng)的工業(yè)搬運靠的是人為駕駛叉車進行貨物搬運，我們的產(chǎn)品可以完全依靠智能實時控制，節(jié)約了人力消耗。對于以往的大型貨物只能一個一個去裝卸，我們的機器人可以依靠機械手臂來實現(xiàn)大規(guī)模的搬運，提高了工作效率。同時我們的設備也可以避免一些意外事故的發(fā)生。所以智能搬運機器人對于現(xiàn)代工業(yè)有著很大的發(fā)展前景。本智能機器人意在實現(xiàn)自動化搬運以及實時控制。

1 機器人的整體結(jié)構(gòu)設計和工作原理

1.1 機器人車體結(jié)構(gòu)及工作原理

車體由門架、鏈條、遮板、配重塊、輪胎、支架組成。整體采用長方體形狀，輪胎采用柔性材料，兩側(cè)對稱分布，使受力均勻。門架與整體為剛性連接，起支撐固定的作用。支架下方有外伸桿連接在轉(zhuǎn)動軸上，采用鏈條與門架連接形成動力傳送。配重塊位于底座內(nèi)部，設有燕尾型導軌，可在其上方前后滑動，通過智能系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)重塊的位置，進而實現(xiàn)整體裝置在任何場景下仍保持整體的平衡，遮板放置在配重塊的上側(cè)，便于后期的維修和內(nèi)部的防塵，保證導軌的清潔，避免因與外部接觸而造成損壞，使平衡不能精準。底座上表面前側(cè)共有8個螺紋孔，通過螺紋連接安裝兩只液壓機械手臂。當裝卸貨物時，門架帶動支架，完成貨物放置，配重塊整體平衡，車輛進行行駛，完成貨物運輸。

1.2 液壓機械手臂

圖1 智能工業(yè)搬運機器人整體示意圖

液壓機械手臂包括連接桿、活塞、電機箱、層板、支座板、大小齒輪、壓盤、和底座。底座通過螺釘連接固定在車體上，上方依次連接大小齒輪、支座板液壓軸、電機箱、壓盤。三種連接桿由螺栓連接固定，最后與壓盤連接，整個手臂的周向轉(zhuǎn)動通過大齒輪與小齒輪之間嚙合傳動來實現(xiàn)，進而實現(xiàn)貨物的轉(zhuǎn)移，壓盤由電機箱控制液壓系統(tǒng)往復運動產(chǎn)生壓緊力實現(xiàn)壓緊貨物。上半部分的工作系統(tǒng)和下半部分的動力系統(tǒng)則通過上層板與支座板實現(xiàn)連接固定，并且通過連接軸與齒輪連接并一起周向移動。

1.3 整體裝置的具體實施流程

使用時，內(nèi)置的控制系統(tǒng)發(fā)出指令，車輛整體（見圖1）行駛到達貨物前方，車輛停止，并利用外設的紅外測量系統(tǒng)來測量物體的位置以及質(zhì)量，在確保安全可行的條件下裝夾物體。由第一電動機帶動鏈齒輪和鏈條實現(xiàn)支架的向上勻速運動，讓物體實現(xiàn)抬高。此時車體內(nèi)部平衡系統(tǒng)通過控制柜計算車輛整體的受力大小，然后由電動機帶動配重塊在燕尾導軌上前后左右滑動來保持車輛的整體平衡。第二電動機使大小齒輪嚙合帶動傳動軸讓機械手臂實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動，當機械手臂轉(zhuǎn)動到物體區(qū)域附近時，齒輪停止轉(zhuǎn)動。此時機械手臂下方的液壓裝置開始啟動，動力傳輸?shù)綁罕P產(chǎn)生壓緊力，從而慢慢的將物體在支架和壓盤之間固定。貨物固定后，平衡系統(tǒng)再次調(diào)整配重塊，使車輛整體平衡。控制柜計算輸出運動路線，攝像感應監(jiān)測道路狀況控制車輛行駛。到達貨物堆放指定地點后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，使電動機實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，帶動各部件執(zhí)行相反工作步驟，放下貨物，完成搬運工作。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 機器人整體控制系統(tǒng)的設計

搬運機器人的運動行駛，采用無人駕駛技術，由外部的攝像感應裝置，監(jiān)測機器人行駛過程中的道路狀況，實時傳輸?shù)娇刂菩酒嬎惆踩煽康倪\動路線，同時平衡機器人的整體受力，防止發(fā)生側(cè)翻等意外事故。用戶可通過控制系統(tǒng)界面發(fā)出指令，內(nèi)部預設的完整程序進而控制電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)行駛、裝卸貨物等功能。機器人上有無線連接裝置，可以通過物聯(lián)網(wǎng)模塊連接以太網(wǎng)或局域網(wǎng)，實現(xiàn)在電腦、手機APP及專業(yè)的通訊設備上使用控制操作。

圖2 典型的PID算法框圖

2.2 平衡系統(tǒng)的設計

由門架上的感應測量系統(tǒng)測量貨物質(zhì)量大小，傳回控制芯片，在微控制器中以PID算法（見圖2），并將計算所得數(shù)值通過PWM方式傳回電動機芯片，告知滑移距離調(diào)整配重塊的位置，從而完成車輛的前后平衡。行駛中，采用最常使用的PI控制器，芯片根據(jù)攝像感應系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，計算位置參數(shù)，電動機運轉(zhuǎn)使配重塊移動的對應位置，電動機調(diào)整機器人的運動速度，兩者相互配合，使其平穩(wěn)工作，并且根據(jù)感應系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)實時調(diào)整。

2.3 裝卸貨物控制系統(tǒng)的設計

采用PLC程序進行動作控制，當用戶在操作界面發(fā)出工作指令后，按照輸入的路線行駛到貨物面前。點擊裝夾指令，控制柜測量質(zhì)量，第二電動機旋轉(zhuǎn)調(diào)整平衡，第一電動機旋轉(zhuǎn)，門架、支架工作抬升貨物，機械手臂上的液壓系統(tǒng)開始工作，通過連接桿傳遞壓緊力到壓盤，固定貨物。

運輸?shù)截浳镏付ǘ逊诺攸c后，點擊卸放指令，執(zhí)行反方向工作程序，電動機反轉(zhuǎn)，放下貨物，同時反饋信息到操作界面，完成卸放工作，方便用戶進行下一步操作。

3 結(jié)語

在科技快速發(fā)展的時代，加快工業(yè)的發(fā)展是經(jīng)濟社會的重要一部分，智能化、自動化已成為時代潮流。智能工業(yè)搬運機器人的使用普及，可以滿足大型制造工廠的大質(zhì)量貨物運輸需求，也為企業(yè)的整體升級降本提供了便利。隨著智能化和自動化產(chǎn)品不斷的出現(xiàn)在大眾面前，相信在不久將會被使用在企業(yè)工廠當中。