關(guān)于快件包裹自動(dòng)分揀機(jī)器人智能控制系統(tǒng)的研究

孫驛凱，李玉廷

（臨沂大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東臨沂 276005）

0 引言

機(jī)器人自動(dòng)分揀是一項(xiàng)新興的快遞物流技術(shù)，人們借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等高新信息技術(shù)，可以構(gòu)建出機(jī)器人智能控制系統(tǒng)，使機(jī)器人準(zhǔn)確、自動(dòng)地分揀快件包裹，大大釋放人力資源，降低快遞物流行業(yè)的人資成本，有助于快遞物流領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展。

1 系統(tǒng)用機(jī)器人分析

1.1 整體結(jié)構(gòu)

在該智能系統(tǒng)控制下的機(jī)器人，其整體結(jié)構(gòu)包括車體機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、分揀執(zhí)行結(jié)構(gòu)、定位導(dǎo)航結(jié)構(gòu)、安全輔助結(jié)構(gòu)、通信結(jié)構(gòu)等部分。其中，車體結(jié)構(gòu)為機(jī)器人的主要框架負(fù)責(zé)承載其他結(jié)構(gòu)設(shè)施，且能夠決定其他機(jī)器人結(jié)構(gòu)裝置的部署布局；驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中包含軸承、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等裝置，控制系統(tǒng)與這些裝置相連可以控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向；分揀執(zhí)行結(jié)構(gòu)包含舉升電動(dòng)缸、托盤兩個(gè)部分，控制系統(tǒng)通過與該結(jié)構(gòu)相連，能夠控制機(jī)器人的分揀行為，將快件運(yùn)送到對(duì)應(yīng)的出件口；定位導(dǎo)航結(jié)構(gòu)的作用是告訴控制系統(tǒng)機(jī)器人所在的具體位置，幫助其做出后續(xù)的行為決策；安全輔助結(jié)構(gòu)即避障傳感器系統(tǒng)，能夠感知運(yùn)行路線中障礙物的存在情況，并報(bào)告給控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)能夠控制機(jī)器人做出避讓行為，提高機(jī)器人運(yùn)行效果；通信結(jié)構(gòu)則為控制系統(tǒng)與各個(gè)機(jī)器人運(yùn)作結(jié)構(gòu)之間的連接紐帶，負(fù)責(zé)傳輸控制系統(tǒng)的控制指令，保證控制系統(tǒng)的有效運(yùn)行。

1.2 任務(wù)流程

在智能控制系統(tǒng)的控制下，快件包裹自動(dòng)分揀機(jī)器人的任務(wù)流程為：首先，待標(biāo)簽掃描完畢后，計(jì)算機(jī)會(huì)將包裹的運(yùn)送目的發(fā)給智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)該項(xiàng)信息設(shè)計(jì)包裹的分揀方案；其次，待工作者將包裹托盤上后，系統(tǒng)會(huì)按照之前制定好的分揀方案向機(jī)器人下達(dá)行為指令，并根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)中的傳感器等裝置收集機(jī)器人的運(yùn)行信息，以便于及時(shí)制定、下達(dá)避障等指令，保證機(jī)器人的正常運(yùn)行；最后，當(dāng)分件任務(wù)執(zhí)行完畢后，機(jī)器人會(huì)將自身的電量狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)，電量低于15%時(shí)系統(tǒng)會(huì)向其下達(dá)充電指令，并將空閑充電樁作為目的地發(fā)送給機(jī)器人，使其自行前往充電樁充電。

2 系統(tǒng)的機(jī)器人定位導(dǎo)航功能分析

2.1 定位

在智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行中，所應(yīng)用的機(jī)器人定位技術(shù)分為相對(duì)定位技術(shù)、絕對(duì)定位技術(shù)兩種：在相對(duì)定位技術(shù)的應(yīng)用中，設(shè)置在機(jī)器人結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳感器裝置會(huì)獲取當(dāng)前、初始位置信息，然后發(fā)送給智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)則會(huì)推算出兩者的相對(duì)關(guān)系，確定機(jī)器人的相對(duì)定位，作為控制決策制定的依據(jù)；在絕對(duì)定位技術(shù)的應(yīng)用中，傳感器裝置會(huì)對(duì)機(jī)器人所在位置上識(shí)別存在于附近具有一定特征的目標(biāo)，并將信息數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)基于此推算出機(jī)器人的絕對(duì)定位，然后同樣將其作為控制決策制定的依據(jù)。一般來說，絕對(duì)定位所需的定位目標(biāo)通常被分為兩種，即自然目標(biāo)、人工目標(biāo)，但由于自然目標(biāo)穩(wěn)定性較差，因此人們經(jīng)常會(huì)在地面、墻體等位置設(shè)置人工目標(biāo)，幫助控制系統(tǒng)完成機(jī)器人絕對(duì)定位。

2.2 導(dǎo)航

在機(jī)器人的運(yùn)行中，智能控制系統(tǒng)的導(dǎo)航功能通常是基于磁導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航這4種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。在此過程中，由于磁導(dǎo)航技術(shù)、激光導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用成本較高，而且容易被外界因素所干擾、對(duì)環(huán)境要求苛刻，因此，現(xiàn)階段智能控制系統(tǒng)導(dǎo)航功能運(yùn)行所用的導(dǎo)航技術(shù)，以慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航為主。在慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用中，所需的設(shè)施為加速度計(jì)、陀螺儀，這兩個(gè)裝置的作用是收集機(jī)器人的行動(dòng)信息，然后系統(tǒng)即可按照行動(dòng)信息，使用積分運(yùn)算得出機(jī)器人的移動(dòng)坐標(biāo)系及其在坐標(biāo)系上的位置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的導(dǎo)航功能。但是由于陀螺儀、加速度計(jì)在經(jīng)過一段時(shí)間的使用后會(huì)積累誤差，影響導(dǎo)航準(zhǔn)確性，因此，需要定期對(duì)兩個(gè)裝置進(jìn)行更換。在視覺導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用中，控制系統(tǒng)主要是依靠識(shí)別和處理傳感器收集到的環(huán)境圖像信息，得出機(jī)器人的當(dāng)前位置、運(yùn)行狀態(tài)，然后按照上述信息對(duì)機(jī)器人加以導(dǎo)航控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)航。

3 系統(tǒng)的機(jī)器智能調(diào)度分析

3.1 任務(wù)調(diào)度

系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人開展的調(diào)度控制主要有兩種，即任務(wù)調(diào)度、沖突調(diào)度。其中，任務(wù)調(diào)度的系統(tǒng)控制內(nèi)容為，當(dāng)場(chǎng)地上設(shè)有多個(gè)進(jìn)件口時(shí)，按照時(shí)間代價(jià)最小原則，幫助機(jī)器人對(duì)進(jìn)件口進(jìn)行選擇。在此過程中，系統(tǒng)需要將當(dāng)前位置到與進(jìn)件口之間的路程長度、路程擁堵情況、排隊(duì)等待情況等納入到選擇考量中，再做出進(jìn)口選擇決策，增強(qiáng)任務(wù)調(diào)度效果。在決策過程中，系統(tǒng)通常會(huì)使用評(píng)價(jià)函數(shù)來得出最終的任務(wù)調(diào)度決策。該函數(shù)為g（n）=wfn+Pfntn，其中g(shù)（n）為總代價(jià)，fn為選擇最佳路徑時(shí)當(dāng)前位置到進(jìn)件口的代價(jià)，w為擁堵系數(shù)，Pfn為排隊(duì)機(jī)器人數(shù)量，tn為單位包裹的作業(yè)時(shí)間。

3.2 沖突調(diào)度

沖突調(diào)度是指在道路交叉時(shí)，為了避免機(jī)器人運(yùn)行碰撞，系統(tǒng)會(huì)在兩個(gè)機(jī)器人同時(shí)到達(dá)一點(diǎn)時(shí)，對(duì)其運(yùn)行做出合理調(diào)度，使一個(gè)機(jī)器人先行，達(dá)到規(guī)避碰撞的效果。一般來說，系統(tǒng)會(huì)將縱向道路定位為主干道，橫向道路則定位為輔路，然后在沖突調(diào)度時(shí)，讓位于主干道的機(jī)器人先行、位于輔路的機(jī)器人讓行。在此過程中，系統(tǒng)會(huì)讓位于輔路的機(jī)器人，接收到坐標(biāo)點(diǎn)被占用的信息，使其在原地等待讓行，待位于主路的機(jī)器人通行完畢后才會(huì)解除坐標(biāo)點(diǎn)占用，讓輔路處的機(jī)器人通行。在此過程中，通過設(shè)置占用等待指令來實(shí)現(xiàn)沖突調(diào)度，能夠簡(jiǎn)化讓行指令的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)指令生成效率，增強(qiáng)沖突調(diào)度功能的實(shí)現(xiàn)效果。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)功能

智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)功能主要有兩種，即后臺(tái)數(shù)據(jù)管理功能和歷史數(shù)據(jù)記錄功能。

（1）后臺(tái)數(shù)據(jù)管理。在后臺(tái)數(shù)據(jù)管理功能的運(yùn)行中，控制系統(tǒng)會(huì)借助路徑規(guī)劃算法，將規(guī)劃好的運(yùn)行路徑發(fā)送給機(jī)器人，同時(shí)也會(huì)將該路徑數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，當(dāng)后續(xù)的機(jī)器人申請(qǐng)同樣的運(yùn)行路徑時(shí)，控制系統(tǒng)則無需再次規(guī)劃路徑，而是直接從數(shù)據(jù)庫中提取路徑信息，再將其發(fā)送給機(jī)器人，減少控制系統(tǒng)的決策工作量，也縮短了機(jī)器人的等待時(shí)間，有助于自動(dòng)化快遞包裹分揀效率的提升。在此過程中，路徑信息均由坐標(biāo)表示，而且智能控制系統(tǒng)的后臺(tái)數(shù)據(jù)管理體系支持在TextBox（文本框）上進(jìn)行路徑修改、增刪、查詢，以便于工作者更好地管理機(jī)器人。

（2）歷史數(shù)據(jù)記錄。在控制系統(tǒng)的運(yùn)行中，歷史數(shù)據(jù)記錄功能的主要作用是保存機(jī)器人運(yùn)行期間產(chǎn)生的各類信息數(shù)據(jù)，以供工作者隨時(shí)加以查看、校驗(yàn)。通常歷史數(shù)據(jù)記錄功能記錄的數(shù)據(jù)類型包括出件口數(shù)據(jù)、進(jìn)件口數(shù)據(jù)、快遞包裹記錄、交通沖突記錄、登錄賬戶記錄等，而且支持歷史記錄的查詢、刪除、導(dǎo)出，導(dǎo)出的文件格式為Excel表格文件。其中，出件口數(shù)據(jù)記錄格式為“機(jī)器人名稱+進(jìn)件口名稱+次數(shù)”，進(jìn)件口數(shù)據(jù)記錄格式為“機(jī)器人名稱+包裹目的地+次數(shù)”?？爝f包裹數(shù)據(jù)記錄以天為記錄單位的表格格式，內(nèi)容包括每個(gè)快件的目的地、出件時(shí)間、操作員、機(jī)器人名稱等。交通沖突數(shù)據(jù)記錄格式為坐標(biāo)，記錄內(nèi)容為坐標(biāo)點(diǎn)信息以及經(jīng)過該坐標(biāo)點(diǎn)的機(jī)器人數(shù)量，由此可以看出機(jī)器人運(yùn)行的交通擁堵情況，登錄數(shù)據(jù)記錄內(nèi)容為登錄、退出時(shí)間[1]。

5 系統(tǒng)前端功能

智能控制系統(tǒng)在作業(yè)過程中，會(huì)運(yùn)行兩個(gè)關(guān)鍵的前端功能，即監(jiān)控功能和參數(shù)設(shè)置功能，以保證機(jī)器人的正常運(yùn)作，提高自動(dòng)化分揀業(yè)務(wù)的執(zhí)行效果。

（1）在監(jiān)控功能方面，系統(tǒng)主要依靠?jī)?nèi)部的監(jiān)控模塊、用戶模塊、分揀任務(wù)完成量現(xiàn)實(shí)模塊、消息面板模塊，來實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)功能。在該項(xiàng)功能的運(yùn)行中，監(jiān)控模塊可以利用VS2010的GDI（Graphics Device Interface，圖形設(shè)備接口）+畫面功能，結(jié)合其他模塊所提供的信息數(shù)據(jù)，模擬出場(chǎng)地與機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在此過程中，模擬的監(jiān)控視頻會(huì)被保留在數(shù)據(jù)庫中，工作者可以隨時(shí)調(diào)取觀看，滿足其快遞包裹分揀工作管理需求。此外，該功能還支持工作者選取某一機(jī)器人，單獨(dú)查看其運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，同時(shí)還可以通過消息面板查閱該機(jī)器人的通信記錄，提高人工監(jiān)管工作的便捷性與針對(duì)性，有助于自動(dòng)化分揀工作水平的提升[2]。

（2）參數(shù)設(shè)置功能。參數(shù)設(shè)置功能的主要作用是，支持工作者對(duì)場(chǎng)地信息的修改，以確保場(chǎng)地改建、擴(kuò)建之后，該套智能控制系統(tǒng)以及機(jī)器人依然可以正常使用。在該項(xiàng)功能下，工作者可以修改的參數(shù)包括進(jìn)出件口數(shù)量、名稱、位置、顯示顏色，機(jī)器人顯示顏色、卸貨方式以及道路方向指示標(biāo)識(shí)顏色、樣式等多種參數(shù)。待修改完畢后，工作者退出重新登錄，即可使修改后的參數(shù)生效。在此過程中，考慮到信息安全問題，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)通常會(huì)為該項(xiàng)功能設(shè)置專門的權(quán)限機(jī)制，只有管理員可以分配相應(yīng)的訪問權(quán)限。同時(shí)，在配套信息安全防護(hù)系統(tǒng)方面，人們一般也會(huì)針對(duì)該項(xiàng)功能的運(yùn)行體系設(shè)置防護(hù)措施，以增強(qiáng)智能控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[3]。

6 結(jié)論

綜上所述，增強(qiáng)智能控制系統(tǒng)的建設(shè)效果，能夠提升快遞物流產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化水平。在快遞物流運(yùn)營中，借助快件分揀機(jī)器人智能控制系統(tǒng)設(shè)施，可以提高快件分揀效率、降低分揀工作成本、增強(qiáng)自動(dòng)分揀機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而加快推動(dòng)快遞物流產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化發(fā)展。