魏云鵬，張文藝，周志源

（1．南京航空航天大學自動化學院，江蘇 南京 210016；2．南京航空航天大學公共實驗教學部工程訓練中心，江蘇 南京 210016）

隨著倉儲與物流的迅速發展，物品搬運工作的工作量越發龐大，工作環境也越發復雜，而勞動力成本不斷攀升。目前大部分智能物流小車大多為特定工作環境而設計，要求路面平整、光滑。但在實際應用過程中，當倉儲系統較大，存在多倉庫之間轉運，或者在搬運路途中存在較為復雜的情況時，例如需要攀上較陡的斜坡、越過一定的溝槽、經過摩擦力較大的草地等復雜地況時，如圖1所示，由于受限于小車輪子的結構與尺寸，無法滿足上述多地形環境的作業要求。通常倉儲物流小車主要應用于平整倉庫內部，例如京東倉儲系統，如圖2（a）所示，顯然此小車結構系統不適合多地形路況。因此，往往在難途徑路段（例如倉庫與倉庫之間的不平整路徑上），采用叉車進行搬運，如圖2（b）所示，增加了人工成本，且與倉庫內AGV直接缺乏有效的協作與調度機制，影響物流效率。

圖1 復雜路況

圖2 倉儲系統無人小車及轉運裝置

20世紀80年代末，我國才開始智能小車與智能倉儲的研究，經過幾十年的不斷發展，取得了若干階段性成果。1992年，國防科技大學研制成功了國內第一輛無人駕駛汽車。清華大學研制的清華V型智能汽車是當時我國科技含量最高的無人駕駛汽車，其能在各種復雜的道路上運行。西安交通大學研發了Spingrobot智能試驗平臺，在甘肅敦煌舉辦的“新絲綢之路”活動中成功表演。同濟大學研制了一款時速高達50km/h的基于無人駕駛技術的清潔能源電動游覽車。京東與淘寶的倉儲系統中均采用了大量的自動化倉儲搬運設備，但在多地形倉儲搬運中，均未見有更實用的解決方案。縱觀國內外倉儲與物流的研究，協作機器人和移動機器人互相協作，以及與人類并肩工作，承擔起重復、單調的工作，讓人類從中得以解放，是今后的必然趨勢[1]。

本文針對上述問題，設計可適用于多倉庫之間轉運，具有多地形適應能力，同時能滿足倉儲投放，具備搬運能力、定點投放能力、雙車協作功能的物流搬運小車系統。它可以完成同類型多種工件的運送和自主裝配及碼垛，并可在草地、窄橋、臺階、管道等多種不同地面環境下作業和避障，從而勝任復雜環境下的智能物流配送，擴大倉儲物流小車的適用范圍，減少員工的工作量，降低人工成本，大幅度提高工作效率[2,3]。

1.融合支撐臂的甲臺遙控多地形小車

針對在倉庫間多種復雜地面環境下的行徑需求，以及倉庫外場地復雜多變，不適合采用自主導航小車，本文擬采用多地形越障的可遙控小車實現物流搬運。通過在車身結構以及車輪上進行結構優化，采用三段式關節甲臺、輔助支撐臂結構，增強了小車在臺階、裂縫等路況中的越障能力。

1.1 關節甲臺小車車身結構

在小車車身平臺設計了可以相對活動的“關節甲臺”，借鑒動車組底盤的減震裝置，在各“關節甲臺”之間添加兩個彈簧，各平臺之間受到一定的彈性約束。當平臺之間相互脫離時，受到彈簧拉力的約束；當平臺之間相互擠壓碰撞時，受到彈簧張力的約束，使小車整體車身在行徑中具有較好的柔性與避震性，完全適應高低不平的地形。在上下坡及越過地面裂縫的過程中，輪子都能完好地與地面接觸，確保小車輪子都能很好地發揮驅動能力，同時保證了橋梁上良好的直線運動的穩定性[4,5,6]。

由于三段式甲臺位置可以上下彎曲，跨越階梯時可以根據階梯的高低，甲臺關節在自身重量與彈簧的作用下，保證輪子能緊貼地形，快速通過。但三段式小車也存在車體較長，小車自身重量相對較大，安裝結構比較復雜的問題。

1.2 支撐臂輔助越障

為解決小車攀爬臺階問題，本文在實際的小車制作中，縮短了車身長度，采用了兩段式關節甲臺，同時設計了輔助支撐手臂結構，在甲臺和支撐臂的協同作用下，完成臺階的攀越。

遙控小車具備搬運貨物功能，因此帶有機械臂以實現抓取貨物。在機械臂抬升部分機構中，采用輸出力矩大的伺服電機產生轉動力矩，通過與電機輸出軸連接件將力矩傳遞給U型支架，通過同樣的方式將力矩傳遞給底部支撐支架，攀越臺階時，可通過底部支架支撐在臺階面上，由于伺服電機驅動力矩較大，能夠實現向下支撐起整輛車，帶動整個車身前部分抬升，從而便于小車攀越臺階，如圖3所示。整個結構簡易，攀爬效果好。

圖3 機械臂抬升機構輔助支撐示意圖

1.3 遙控小車

遙控小車采用了藍牙通信方式，藍牙模塊通過Bigfish擴展板與BASRA控制板連接，控制板通過藍牙模塊接收到終端發送的指令后，控制相應模塊進行運動完成指令內容，如圖4所示。

圖4 遙控小車控制模塊工作原理

通過多地形越障結構設計以及控制程序開發與調試，成功實現了遙控小車在草地、橋梁、臺階等地形的行徑測試，并成功通過機械臂進行了模擬貨物的抓取與定點位置投放貨物，調試結果如圖5所示。這為倉庫內物流小車貨物搬運接駁工作打下了基礎。

圖5 遙控小車多地形貨物抓取調試

2.倉庫內自主小車尋跡優化與貨物轉移

2.1 灰度傳感器的擺放位置優化

為了提高自主小車尋跡效率，在更短的時間內完成設定任務，降低尋跡過程中發生錯誤的可能性，采用了“三灰度三角形放置”的方式取代傳統的“三灰度并排放置”，三角形放置方式可較為敏銳地判斷前后車頭是否偏移既定路線，不至于發生較大偏移時，才觸發矯正程序，減少了左右搖擺的現象，自主小車的尋跡穩定性明顯提高，如圖6所示。

圖6 灰度傳感器位置優化及其效果對比

2.2 貨物位置感知

為實現倉庫內小車能順利感知到倉庫外搬運小車投放交接的貨物，采用了HC-SR04超聲波測距傳感器，通過digitalWrite( )函數對TRIGPIN口進行高低電平的轉換，利用delayMicroseconds( )函數進行延時操控，從而給超聲波測距傳感器完成一個方波發射的指令[7,8,9]。通過pulseIn( )函數接收ECHOPIN口達到高電平的時間，此高電平時間就是超聲波從發射到被反射回的時間，由此便能夠獲得到障礙物的距離。當測距小于最小設定值時，判斷前方有遮擋物，并觸發自主小車的貨物拾取與搬運程序。小車調試結果如圖7所示。

圖7 自主尋跡小車調試結果

3.雙車協作通信功能

在雙車搬運任務交接中，遙控小車完成將貨物搬運到倉庫內的任務后，應盡早呼叫倉庫內自主尋跡小車，及時將貨物轉移到倉庫內貨架區。遙控小車的HC-05藍牙模塊設置為主機模式，用來發射信號。自主小車的HC-05藍牙模塊設置為從機模式，用來接收遙控小車的信號。雙車協作步驟如下：

步驟1：當多地形遙控小車將貨物放到指定位置后，向倉庫內自主小車發送任務請求信息，以及貨物應搬運位置的貨架信息，同時啟動自主小車的超聲波傳感模塊開始工作；

步驟2：自主小車進入循跡模式沿著引導線行駛，當小車行駛至標定位置附近（即多地形遙控小車投放點）時，根據超聲波傳感模塊的接收信息，可判斷是否已經趨近貨物；

步驟3：根據步驟2中的判定結果，若已經趨近貨物，自主小車進入步驟5；

步驟4：步驟2中若未能接收到趨近貨物的信息，則自主小車停止，等待遙控小車運送裝配工件，超出設定等待時間后，發出報警出錯信息（蜂鳴），進入步驟6；

步驟5：自主小車執行貨物抓取任務，自主尋跡，搬運至倉庫內指定貨架；

步驟6：自主小車任務標識完成，返回等待區，進入可執行任務狀態。

4.結語

本文首先分析了物流小車的現狀與工作環境，提出設計可適用于多倉庫之間轉運，具有多地形適應能力，具備搬運能力、定點投放能力、雙車協作功能的物流搬運小車系統，然后就遙控多地形小車車身結構提出了優化方案，使小車更加適應復雜的環境（草地、階梯、斜坡、窄橋等），提高了小車的穩定性與可靠性，同時優化了自主小車的尋跡方式，通過藍牙進行雙車協作通信，提高了物資搬運效率。盡管設計并制作成功了能完成協作搬運的倉儲物流原型系統，并通過試驗驗證了倉儲搬運系統的性能，但仍存在著一些不足，需要進一步的研究以及完善。設計的自主小車只能按照既定程序在指定位置搬運工件，無法對工件進行識別。未來可以嘗試采用機械臂視覺導引方法，采取CCD攝像機對不同工件進行識別處理。目前的設計中只有自主小車是能獨立工作的，遙控小車還需要手動操控行徑，后續可以通過視覺識別與地圖導航等方式，將多地形小車改進為自主尋跡。