柔性機(jī)器人智能裝運(yùn)系統(tǒng)

陳飛 于繼明 鄭焜耀 張曉冉 陳禮

摘? 要：隨著智能制造規(guī)劃推進(jìn)，散裝貨物自動(dòng)化裝運(yùn)系統(tǒng)一直是國(guó)內(nèi)外迫切需要解決的難題。當(dāng)前公司人員不斷減少，生產(chǎn)效率不斷提升，安全要求不斷提高，而發(fā)貨系統(tǒng)仍然全靠現(xiàn)場(chǎng)人工操作，操作技能要求較高，但又相對(duì)枯燥。柔性機(jī)器人智能裝運(yùn)系統(tǒng)的目的是使散裝貨物現(xiàn)場(chǎng)去人工化。該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)可以利用傳感器感知裝運(yùn)車位置和散裝貨物堆放情況，并根據(jù)算法計(jì)算最簡(jiǎn)路徑，實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人值守智能裝運(yùn)。

關(guān)鍵詞：散裝貨物? 自動(dòng)化裝運(yùn)? 柔性機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）04（b）-0009-02

散貨其裝運(yùn)流程比普通貨物更為復(fù)雜，傳統(tǒng)的工具和系統(tǒng)往往捉襟見(jiàn)肘，不但時(shí)效性不足，有時(shí)甚至?xí)|發(fā)險(xiǎn)情。為實(shí)現(xiàn)散裝固體貨物安全、高效、快速的裝運(yùn)，業(yè)界正嘗試研發(fā)智能高效裝運(yùn)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)裝運(yùn)系統(tǒng)。該文研發(fā)一套柔性機(jī)器人發(fā)貨智能仿真平臺(tái)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中無(wú)人值守發(fā)貨系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)與仿真，包括柔性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、機(jī)器人裝運(yùn)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析等工作，為真實(shí)的項(xiàng)目提供技術(shù)支持，涉及多學(xué)科交叉創(chuàng)新與應(yīng)用，面向解決復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用需求中的關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)。

1? 柔性機(jī)器人智能裝運(yùn)系統(tǒng)背景

1.1 需求背景

隨著國(guó)家智能制造規(guī)劃推進(jìn)，梅山礦業(yè)公司在系統(tǒng)自運(yùn)化、減員增效方面工作開(kāi)展，柔性機(jī)器人智能自動(dòng)化發(fā)貨系統(tǒng)是智能制造的重要應(yīng)用。經(jīng)調(diào)研了解到，散裝貨物自動(dòng)化裝運(yùn)系統(tǒng)一直是國(guó)內(nèi)外的難題，也是礦山發(fā)貨中迫切需要解決的難題。當(dāng)前公司人員不斷減少，生產(chǎn)效率不斷提升，安全要求不斷提高，特別是發(fā)貨工作直接關(guān)系著礦山的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)。但當(dāng)前發(fā)貨系統(tǒng)全靠人工操作，操作技能要求較高，新操作員跟師傅2年左右才能達(dá)到獨(dú)立操作水平。因現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境差，人工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，易疲勞，工作內(nèi)容機(jī)械重復(fù)，易產(chǎn)生煩燥情緒，需要值班、換班人員多，不符合企業(yè)散裝貨物發(fā)貨高效、安全的要求。因此，提升發(fā)貨智能化、自動(dòng)化、信息化水平，減員增效，是傳統(tǒng)制造企業(yè)提檔升級(jí)、搏取生存與發(fā)展機(jī)會(huì)的重要途徑。

1.2 市場(chǎng)需求分析

該系統(tǒng)可廣泛用于、發(fā)電廠和糧倉(cāng)等產(chǎn)業(yè)的散裝貨物裝運(yùn)。根據(jù)市場(chǎng)實(shí)際調(diào)查可知，現(xiàn)階段市場(chǎng)對(duì)該項(xiàng)目的需求迫切，且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求量會(huì)越來(lái)越大。

礦山使用：當(dāng)前我國(guó)金屬礦山有2萬(wàn)多座，每個(gè)礦山都有鐵精礦、鐵尾砂、廢石等散裝貨物發(fā)貨問(wèn)題，采用人工發(fā)貨，效率低、用人成本高、有安全隱患存在。

火力發(fā)電廠使用：中國(guó)五大發(fā)電公司所屬的大型火力發(fā)電廠有276家，其中華能集團(tuán)27家、大唐集團(tuán)67家、華電集團(tuán)104家、中電集團(tuán)和國(guó)電集團(tuán)都是39家。預(yù)計(jì)2020年對(duì)煤炭的需求量近41億t。

糧食裝卸使用：中國(guó)現(xiàn)在有6條糧食物流通道，即東北地區(qū)糧食流出通道、黃淮海地區(qū)小麥流出通道、長(zhǎng)江中下游稻谷流出通道、華東沿海地區(qū)流入通道、華南沿海地區(qū)流入通道、京津地區(qū)流入通道，每年跨省糧運(yùn)輸達(dá)6000～7000萬(wàn)t。

2? 柔性機(jī)器人智能裝運(yùn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)智能控制完成散裝貨物運(yùn)輸中的“去人工化”。系統(tǒng)通過(guò)掃描、定位等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)全場(chǎng)景信息采集，再依托集成網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)給大數(shù)據(jù)分析和人工智能模塊，在后臺(tái)根據(jù)業(yè)務(wù)建模并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)計(jì)算出最優(yōu)方案，最終反饋給電控模塊，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)智能控制，完善機(jī)器的智能控制。

系統(tǒng)由兩個(gè)道閘組成，分別稱為車道一、車道二（見(jiàn)圖1）。4對(duì)主動(dòng)式紅外傳感器倆倆分別放置于車道的兩側(cè)。當(dāng)車輛一由外往里行駛時(shí)，紅外傳感器探測(cè)到有車靠近，當(dāng)車頭進(jìn)入車道的一瞬間，靠近外端的探測(cè)器接收到遮擋物，傳出信號(hào)1，此時(shí)另外一個(gè)探測(cè)器仍處于初始狀態(tài)。車輛緩緩駛?cè)?，兩個(gè)紅外探測(cè)器都被遮擋，此時(shí)兩個(gè)探測(cè)器都發(fā)出信號(hào)1。車輛繼續(xù)往里行駛，離開(kāi)外側(cè)探測(cè)器范圍，此時(shí)里探測(cè)器仍發(fā)出信號(hào)1，外側(cè)探測(cè)器回到初始狀態(tài)。直到車輛完全離開(kāi)車道時(shí)，兩個(gè)探測(cè)器均回到零狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

激光雷達(dá)作為掃描裝置，掃描距離根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定，掃描角度360°，采樣頻率4K，激光雷達(dá)和上位機(jī)通過(guò)串口相連，返回的是點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)的距離、角度和量測(cè)質(zhì)量數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)的是線掃描（獲取掃描頭到障礙點(diǎn)的距離z），而且其不會(huì)主動(dòng)移動(dòng)，因此需要為其搭建一套運(yùn)動(dòng)部件，在運(yùn)動(dòng)部件的帶動(dòng)下激光雷達(dá)在各個(gè)關(guān)鍵位置（x，y）進(jìn)行線掃描，將多次線掃描的結(jié)果拼接在一起就能形成三維圖像（x，y，z）。運(yùn)動(dòng)部件選用了基于PLC的皮帶裝置，可控制激光雷達(dá)在二維平面內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)和精準(zhǔn)定位。上述兩套設(shè)備都通過(guò)串口和PC機(jī)連接，接收控制指令。

以信號(hào)的形式來(lái)表示，車輛駛?cè)胲嚨赖臓顟B(tài)可以表示為00->10->11->01->00。同理，車道二也是這樣的。

2.3 系統(tǒng)軟件編程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)分為三步進(jìn)行：初始化;算法研究;發(fā)送數(shù)據(jù)包，將RS485轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)。

（1）初始化。

首先進(jìn)行初始化配置，包括通用輸入輸出端口配置，通用輸入輸出端口時(shí)終初始化，使能通用同步/異步串行接發(fā)器，復(fù)位串口二。

嵌套中斷控制，并且初始化串口。因?yàn)橛玫?個(gè)串口，故選用字長(zhǎng)為8位數(shù)據(jù)格式，其間設(shè)定一個(gè)停止位，沒(méi)有設(shè)置奇偶校驗(yàn)位，確定好波特率。

（2）算法。

這段函數(shù)通過(guò)switch語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)對(duì)小車狀態(tài)的判斷，設(shè)置標(biāo)志量state1，state2分別表示1，2號(hào)進(jìn)出車庫(kù)狀態(tài)。

通過(guò)對(duì)DaoZHang3和DaoZHang4所對(duì)應(yīng)位的數(shù)據(jù)的判斷實(shí)現(xiàn)標(biāo)志量state1，state2狀態(tài)的變化。當(dāng)小車進(jìn)入車庫(kù)的時(shí)，狀態(tài)量實(shí)現(xiàn)從00->10->11->01->00的變化，即標(biāo)志量實(shí)現(xiàn)0->1->2->3->0的變化。

switch（State1）//進(jìn)出車庫(kù)狀態(tài)00->10->11->01->00表示進(jìn)車庫(kù)狀態(tài)。

當(dāng)小車駛出車庫(kù)的時(shí)，狀態(tài)量實(shí)現(xiàn)從00->01->11->10->00的變化，即標(biāo)志量實(shí)現(xiàn)0->3->2->1->0的變化。用switch語(yǔ)句對(duì)state 0，state 1，state 2，state3四個(gè)狀態(tài)進(jìn)行賦值，表示進(jìn)入車庫(kù)的4個(gè)階段，按照順序完成。通過(guò)這段代碼以進(jìn)行車輛駛出軌道的狀態(tài)判斷。

switch（State2）//進(jìn)出車庫(kù)狀態(tài)00->01->11->10->00表示出車庫(kù)狀態(tài)。

兩礦道模型初始狀態(tài)變量state均設(shè)置為0，程序進(jìn)入switch循環(huán)，case==0時(shí)開(kāi)中斷（N_F1=0），對(duì)信號(hào)量（DaoZHang1，DaoZHang2||DaoZHang3，DaoZHang4）進(jìn)行判定，滿足條件狀態(tài)量賦值為1進(jìn)行下次switch，若不滿足則賦值為3，認(rèn)為礦車在礦道中;case==1時(shí)，保持開(kāi)中斷狀態(tài)，在信號(hào)量滿足條件后發(fā)出信號(hào)flag并關(guān)中斷，若信號(hào)量不滿足則賦值為0，認(rèn)為礦車處于車庫(kù);case==2時(shí)，若信號(hào)量滿足條件則賦值為3，表明下個(gè)狀態(tài)是處于出礦道，若信號(hào)量不滿足則狀態(tài)量賦值為1，表明處于進(jìn)礦道狀態(tài);case==3時(shí)開(kāi)中斷，若信號(hào)量滿足條件則表明處于已出礦道進(jìn)入車庫(kù)，并為狀態(tài)量賦值為0準(zhǔn)備進(jìn)入下一次循環(huán)，若不滿足，狀態(tài)量賦值為2，認(rèn)為是出礦道狀態(tài)，并關(guān)中斷輸出信號(hào)flag。此函數(shù)執(zhí)行4次后回復(fù)到初始態(tài)即state1==0&&state2==0，即執(zhí)行了00->01->11->01->00的進(jìn)出庫(kù)動(dòng)作。

（3）發(fā)送數(shù)據(jù)包。

通過(guò)uart的方式將是否有小車進(jìn)入車道產(chǎn)生遮擋的信息發(fā)送，發(fā)送結(jié)束后切換為接收模式等待新的消息。即有一個(gè)緩存區(qū)用于存放信息，是當(dāng)緩存區(qū)滿以后，將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去再切換為接收模式等待接收新的信息。

Uart2_TxBuf.TX_DATA.DataBuf[0]=Enter_Out_Flag1;//發(fā)送當(dāng)前道閘1是否有礦車進(jìn)出

Uart2_TxBuf.TX_DATA.DataBuf[1]=Enter_Out_Flag2;//發(fā)送當(dāng)前道閘2是否有礦車進(jìn)出

參考文獻(xiàn)

[1] 閆欽運(yùn)，白麥營(yíng)，張紅巖，等.儲(chǔ)煤場(chǎng)裝載過(guò)程追溯與反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016，42（1）：1-4.

[2] 張銳，周崟，李庚基，等.GPS差分定位方法研究及其應(yīng)用[J].山西電子技術(shù)，2017（1）：56-57，77.

[3] 曹偉，江平宇，江開(kāi)勇，等.基于RFID技術(shù)的離散制造車間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與可視化監(jiān)控方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2017，23（2）：273-284.

[4] 徐文文.基于STM32的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].機(jī)電信息，2015（33）：130-131.

[5] 陳鑫，秦宏偉，陳春雨，等.基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32微控制器研究與電路設(shè)計(jì)[J].大慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，33（6）：44-47.

[6] 管立偉，盧宇，吳進(jìn)營(yíng)，等.基于STM32的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，32（4）：23-28，38.

[7] 劉賢鋒，喬宏哲.基于ARM的裝載機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2015，41（9）：84-86.

①作者簡(jiǎn)介：陳飛（1998，9—），男，漢族，江蘇泰州人，本科在讀，研究方向：機(jī)電控制。

于繼明（1977，7—），男，漢族，河南羅山人，博士，副教授，研究方向：機(jī)電控制。

鄭焜耀（1997，12—），男，漢族，江蘇徐州人，本科在讀，研究方向：機(jī)電控制。

張曉冉（1997，12—），女，漢族，河北邯鄲人，本科在讀，研究方向：機(jī)電控制。

陳禮（1998，4—），男，漢族，江蘇鹽城人，本科在讀，研究方向：機(jī)電控制。