基于虛擬儀器技術(shù)的物流分揀機(jī)器人

冉文豐 呂淵博 羅全明 劉福友 潘旭東

摘要：為保證物流分揀機(jī)器人的穩(wěn)定性和可拓展性，該文提出一種基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的磁帶引導(dǎo)物流分揀機(jī)器人。該機(jī)器人以嵌入式設(shè)備myRIO為控制核心，LabVIEW為基礎(chǔ)開發(fā)軟件，包含了視覺識別模塊、側(cè)翻預(yù)警模塊、定位導(dǎo)航避障系統(tǒng)、高位自卸機(jī)構(gòu)等。各模塊由上位機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行控制與編程設(shè)計，操縱機(jī)器人實現(xiàn)預(yù)定功能。

關(guān)鍵詞：物流分揀機(jī)器人；虛擬儀器技術(shù)；上位機(jī)控制系統(tǒng)；視覺識別系統(tǒng)；定位導(dǎo)航避障系統(tǒng)

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）25-0201-02

近些年，我國電子商務(wù)發(fā)展十分迅速，隨之而來的就是我國快遞行業(yè)的大爆發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，僅在2017年1-9月份，全國快遞服務(wù)企業(yè)總業(yè)務(wù)量就已經(jīng)達(dá)到了273.9億件，傳統(tǒng)的配送中心物流作業(yè)模式早已無法滿足現(xiàn)代物流企業(yè)的需要。堆垛、拆碼作業(yè)方面，利用工業(yè)機(jī)器人取代傳統(tǒng)滑動下落式堆碼機(jī)的趨勢已經(jīng)不可避免。自從1954年英國采用地下埋線電磁感應(yīng)導(dǎo)向車以來，到20世紀(jì)90年代，全世界擁有自動導(dǎo)引搬運車（automated guided vehicle，AGV）達(dá)十萬臺以上[1]。

虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI）是計算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合產(chǎn)生的全新概念的儀器，虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。靈活高效的軟件可以創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應(yīng)用的需求[2]?；谔摂M儀器技術(shù)進(jìn)行AGV系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，可拓展性好，可極大提高設(shè)備利用率，降低成本。

導(dǎo)引技術(shù)為AGV技術(shù)的核心組成部分，目前采用的技術(shù)有視覺引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、磁帶引導(dǎo)以及GPS導(dǎo)航技術(shù)等，其中視覺引導(dǎo)容易受環(huán)境影響，穩(wěn)定性差；激光引導(dǎo)成本高昂[3]；GPS定位導(dǎo)航技術(shù)則在大型AGV（最大40t）上應(yīng)用較多。相比較磁帶引導(dǎo)技術(shù)較為成熟，抗干擾能力強(qiáng)，成本低，易于控制，可適用于各種工作場合，目前應(yīng)用最為廣泛。

鑒于上述分析，本文提出一種基于虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)的磁帶引導(dǎo)物流分揀機(jī)器人。其以嵌入式設(shè)備myRIO為控制核心，LabVIEW為基礎(chǔ)開發(fā)軟件，包含了視覺識別模塊、側(cè)翻預(yù)警模塊、定位導(dǎo)航避障系統(tǒng)、高位自卸機(jī)構(gòu)等。各模塊由上位機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行控制與編程設(shè)計，操縱機(jī)器人實現(xiàn)預(yù)定功能。

1 系統(tǒng)方案的整體設(shè)計

通過視覺識別系統(tǒng)，完成對物流包裹的掃碼及數(shù)據(jù)庫匹配，并將匹配的信息反饋至智能終端，智能終端控制機(jī)器人選擇正確的磁帶導(dǎo)軌路線，到達(dá)指定地點進(jìn)行貨物傾倒，并在此過程中完成側(cè)翻預(yù)警及自動避障等相關(guān)安全保障功能。

2 上位機(jī)控制系統(tǒng)

上位機(jī)整體程序在一個循環(huán)框圖中進(jìn)行，協(xié)調(diào)各功能單元，不同單元通過事件觸發(fā)。運行時，首先由磁感應(yīng)器回傳信息，通過模擬信號口讀入，因為有無磁感應(yīng)是通過回傳的電壓值的大小判斷，所以設(shè)置閾值來判斷是否在該感應(yīng)點有磁條；接著通過磁導(dǎo)軌運行控制程序判斷磁條邊沿上方感應(yīng)點電壓的高低，進(jìn)一步判斷車體是否相對于磁條發(fā)生偏移，若發(fā)生偏移，那么控制車體向相反的方向做微小調(diào)整，如果沒有偏移則繼續(xù)沿磁條前進(jìn)。針對地標(biāo)識別，在磁條的交叉處開一個一定大小的空白矩形區(qū)域，使得磁感應(yīng)器在經(jīng)過此處時所有的電壓輸出全為低電壓，觸發(fā)轉(zhuǎn)動事件。通過磁帶導(dǎo)軌路徑的規(guī)劃部分，可以在程序框圖中設(shè)計小車的行駛路徑，根據(jù)每次地標(biāo)位置的觸發(fā)來確定下一次將要發(fā)生的動作，從而到達(dá)指定傾倒地點進(jìn)行貨物傾倒。

針對四個直流電機(jī)的驅(qū)動控制，可通過總體主程序輸入系統(tǒng)需要的速度和行進(jìn)方式。因麥克納姆輪采用全方向移動，所以需要控制每一個電機(jī)有不同的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而控制麥輪向不同的方向旋轉(zhuǎn)。

3 視覺識別系統(tǒng)

基于虛擬儀器平臺開發(fā)的條形碼掃描系統(tǒng)程序框圖設(shè)計如下。

為縮小體積，增大條形碼掃描范圍，方便機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計，條形碼掃描系統(tǒng)采用普通小型攝像頭直接與myRIO進(jìn)行連接，通過上位機(jī)LabVIEW進(jìn)行程序編輯，燒錄至下位機(jī)控制攝像頭進(jìn)行條形碼識別。通過第三方數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL，可實現(xiàn)多種方式訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫。LabSQL通過調(diào)用自動化引用句柄，獲得相關(guān)方法，執(zhí)行SQL相關(guān)功能，最終封裝成子VI[4]，進(jìn)而實現(xiàn)上位機(jī)中數(shù)據(jù)庫信息比對工作。

為方便編程工作的進(jìn)行，開發(fā)者可以借助NI Vision Assistant進(jìn)行輔助編輯。該輔助軟件可以快速生成一些機(jī)器視覺的相關(guān)程序，從而降低開發(fā)難度。

4 定位導(dǎo)航避障系統(tǒng)

4.1 磁帶引導(dǎo)系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用的技術(shù)方案是：在場地上用磁條粘貼出需要的行進(jìn)路線，在每一條磁條的交叉點處裁剪出一個小矩形。上位機(jī)磁導(dǎo)軌程序指引裝有磁傳感器的機(jī)器人沿著既定粘貼路線不偏移的前進(jìn)。當(dāng)機(jī)器人在途經(jīng)這些交叉點時，會自動識別地標(biāo)，明確此時的位置和接下來將要進(jìn)行的動作。

系統(tǒng)通過磁感應(yīng)信號實現(xiàn)導(dǎo)引，其靈活性比較好，改變或擴(kuò)充路徑較容易，磁帶鋪設(shè)簡單易行。通過G語言圖形化編程方式，在開發(fā)和維修上都變的更加的方便。示意圖如下。

4.2 紅外測距傳感器模塊避障系統(tǒng)

紅外避障系統(tǒng)通過紅外線距離傳感器感知是否有發(fā)生碰撞的危險。在硬件上可設(shè)置一定的安全距離，一旦小于安全距離，車體就會被強(qiáng)制停止，直到障礙被移開才會繼續(xù)運行。

硬件設(shè)備：紅外測距傳感器；

功能描述：（1）用于采集機(jī)器人和障礙物的距離，可供myRIO和PC用戶了解環(huán)境；（2）用于機(jī)器人判斷障礙物是否在其可控范圍，并采取相應(yīng)的措施；

性能參數(shù)： （1）檢測距離：10-80cm；（2）數(shù)字輸出；

尺寸：29.5*13*13.5mm；

電源電壓：4.5V-5.5V；

具體功能：實現(xiàn)行進(jìn)遇到障礙物自動停止并尋找無障礙方向繼續(xù)行進(jìn)，且避障距離非固定，可由使用人員自行修改；

功能原理：若在規(guī)定的避障距離內(nèi)存在障礙物，則傳感器輸出低電平，輸出數(shù)字信號為0；障礙物清除則轉(zhuǎn)為輸出高電平，輸出數(shù)字信號為1。

工作流程圖如下：

程序框圖設(shè)計如下：

5 結(jié)語

AGV是現(xiàn)在物流系統(tǒng)研究的熱點之一，本文介紹的基于虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)的磁帶引導(dǎo)物流分揀機(jī)器人經(jīng)濟(jì)性好，擁有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和可拓展性。采用普通小型攝像頭的視覺識別系統(tǒng)擁有較大的掃描范圍，且方便的植入機(jī)器人內(nèi)部；磁帶引導(dǎo)系統(tǒng)通過G語言圖形化編程方式，在開發(fā)和維修上都變的更加的方便；紅外測距傳感器模塊避障等相關(guān)系統(tǒng)可有效處理機(jī)器人運行過程中的各種突發(fā)性事件，提高了整個系統(tǒng)的安全可靠性。各系統(tǒng)通過上位機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行控制與程序編輯，進(jìn)而操縱下位機(jī)完成預(yù)定任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程全國，物流技術(shù)與裝備[M].2版.北京：高等教育出版社，2013.

[2] 姜薇，淺談虛擬儀器[J].卷宗，2014.

[3] 鄭炳坤，賴乙宗，葉峰，磁導(dǎo)航AGV控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表， 2014.

[4] 常英麗，姚桂艷.LabVIEW與SQL數(shù)據(jù)庫的連接[J].儀器與儀表，2007.

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