智能物料搬運機器人的研究與實現(xiàn)

北京聯(lián)合大學(xué) 禪 翔 賀凱鑫 郭煥萍

本文主要從迎合智能化時代和自動化行業(yè)不斷發(fā)展出發(fā)，提出了一款智能物料搬運機器人的設(shè)計思路和構(gòu)想，并且設(shè)計出了一款基于Arduino的智能搬運小車，該小車擁有多個傳感器，實現(xiàn)了路線規(guī)劃、顏色識別、傳感技術(shù)、灰度循跡和二維碼掃描識別信息等功能。文章詳細(xì)介紹了設(shè)計思路和設(shè)計過程，并且通過測試和調(diào)試后完善了相關(guān)功能，最終完成了本項目。

1 研究背景

在人工智能革命到來之際，每個行業(yè)都在追求自動化和智能化，對于物流行業(yè)來說更是如此，實現(xiàn)物料的自動搬運能解放出大量的勞動力，節(jié)約了人力成本，還能提高工作效率。眾所周知，物流行業(yè)是工業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)，其市場規(guī)模逐年擴大，因此，智慧物流的研究與實現(xiàn)顯得格外重要。基于對行業(yè)現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢的研究，本項目目的是設(shè)計并且制作出一臺能智能搬運物料的物流機器人，該機器人的意義是重大的，能夠?qū)I(yè)產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

世界上最早的搬運機器人是由美國發(fā)明的，所謂搬運機器人，就是運用機器人把物體從一個加工單元搬運到另一個指定的加工單元。目前世界上的搬運機器人已有10萬余臺。目前國內(nèi)搬運機器人大多被應(yīng)用于倉儲系統(tǒng)，相對來說物流行業(yè)應(yīng)用較多，比較典型的有阿里和京東的倉儲搬運機器人。雖然目前國內(nèi)外已經(jīng)有很多成形的搬運機器人，但是目前技術(shù)還不夠成熟。

目前最常見的機器人是AGV搬運機器人，它的功能就主要實現(xiàn)了物體搬運的自動化。其搬運方式是通過地標(biāo)等信息指引他們把物料搬運到指定地點，但是由于這種機器人對環(huán)境要求比較高，而且成本也比較高，且機器人的外形單一固定，成本造價較高，不能大范圍的使用，具有很大的局限性。

3 系統(tǒng)設(shè)計

綜合考慮搬運機器人的功能、零件材料、加工的難易程度和制造成本等各方面的因素后，最終確定了目前階段可以實現(xiàn)的最佳方案：智能物料搬運機器人主要由控制系統(tǒng)、外形、運動系統(tǒng)、機械臂、檢測系統(tǒng)等幾個系統(tǒng)構(gòu)成。

3.1 外形設(shè)計

搭建車身時，我們的核心概念是小巧靈活功能強大，因此我們有意識地控制了機器人的大小和重量，并且通過降低重心來保證機器人的穩(wěn)定性能，底板的材料為亞克力板，輕巧且承重能力比較好，車身盡量不要太寬以保證機器人轉(zhuǎn)向的靈活性還能防止機器人偏離行進(jìn)路線。

3.2 運動系統(tǒng)

小車運動采用四輪驅(qū)動，由四個電機控制四個麥克納姆輪來控制小車的運動和轉(zhuǎn)向。麥克納姆輪可以實現(xiàn)前進(jìn)、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)等運動形態(tài)，非常靈活，能夠自由的運動。

3.3 機械臂設(shè)計

機械臂主要是通過Arduino控制舵機來控制機械臂的運動，一共有6個舵機，1個負(fù)責(zé)機械臂的旋轉(zhuǎn)，2個負(fù)責(zé)爪子的旋轉(zhuǎn)，1個負(fù)責(zé)控制爪子的開合，2個負(fù)責(zé)控制機械臂運動。機械爪的開合角度為180°方便抓取不同形狀的物料，形狀為鉗形以此適應(yīng)不同形狀的物料。

3.4 檢測系統(tǒng)

機器人底盤一共安裝有10個灰度傳感器，作用是檢測小車在行駛路線上有沒有走偏和檢測小車是否到達(dá)指定地點，其中底盤前方有3個灰度傳感器，用來檢測小車是否在行駛路線上；后方有4個灰度傳感器，用來判斷小車是否偏離路線；左側(cè)有3個灰度傳感器用來判斷是否到達(dá)停車地點。

3.5 控制系統(tǒng)

（1）主控單元

采用基于Arduino的Basra主控板和Bigfish擴展板共同組成系統(tǒng)的主控單元，該開發(fā)板可以通過各種傳感器來感知環(huán)境信息，并且運用裝置可以去改變環(huán)境。該開發(fā)版的好處是體積小且性能優(yōu)良，供電范圍比較廣泛，電壓可以是3V到12V之間。

（2）定位單元

小車在行進(jìn)過程中是通過激光傳感器來實現(xiàn)的，其中X軸用大功率激光，Y軸用小功率激光，大功率激光的量程為2m以上，小功率激光的量程為1m到2m。單片機通過三軸陀螺儀讀取小車的速度信息和加速度信息，然后進(jìn)行根據(jù)反饋回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整從而保證小車能夠穩(wěn)定前進(jìn)。

（3）底盤運動單元

采用常見的直流減速電機控制麥克納姆輪實現(xiàn)前后左右運動，通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來調(diào)節(jié)小車的運動速度。

（4）顏色識別

采用OPENMV攝像頭進(jìn)行物料色彩辨認(rèn)，性能優(yōu)良，可以迅速辨認(rèn)物料色彩信息并傳輸給主控單元。將物體顏色同參考顏色進(jìn)行比較來檢測顏色的裝置。當(dāng)兩種顏色在一定的誤差范圍程度內(nèi)相似時，輸出檢測結(jié)果。

（5）灰度傳感器

檢測面上光的反射程度是和顏色有關(guān)的，顏色不同，反射程度也就不同。利用光敏電阻對不同檢測面的不同的阻值進(jìn)行對比，從而進(jìn)行顏色深淺檢測，在一定的距離范圍內(nèi)，發(fā)白光的發(fā)光二極管，照射在檢測面上，光線被反射面反射，通過光敏電阻檢測光的強度之后再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茊卧小?/p>

（6）電源單元

選用輸出電流最大為3A、92%的轉(zhuǎn)換效率的12V轉(zhuǎn)5V轉(zhuǎn)壓模塊。雙線輸入一節(jié)12V鋰電池，一路則通過轉(zhuǎn)壓模塊將其轉(zhuǎn)為5V，一路接電機驅(qū)動模塊。

4 技術(shù)實現(xiàn)

首先對主控板進(jìn)行復(fù)位，進(jìn)行程序初始化，然后各模塊的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)被主控板讀取，復(fù)位機械臂，然后啟動機器人，給定掃碼地點之后，主控板根據(jù)PID運算計算運動路徑并選擇出最優(yōu)路徑，然后運動到指定的地點。在運動到指定地點的過程中開啟攝像頭，并且開啟顏色識別，從左到右開始識別并且記錄每個物料的顏色信息和位置信息。到達(dá)掃碼地點后，開啟二維碼信息識別并且進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，獲取顏色信息、坐標(biāo)信息、存放點信息等，之后進(jìn)行任務(wù)處理，待完成所有任務(wù)之后，小車返回起點。

5 系統(tǒng)測試

灰度循跡：

判斷小車是否走偏是通過灰度傳感器對黑色線條的感應(yīng)來確定的，小車底盤前面的灰度傳感器，位于中間的那個是用來檢測白色線，左右兩邊檢測黑色線。小車底盤后方的灰度傳感器，位于中間的檢測黑色線，兩邊的檢測白色線，若左側(cè)傳感器檢測到黑色線則說明小車向右偏移，反之小車向左偏移。在底盤兩側(cè)的傳感器是用來判斷停車地點的，若檢測到出現(xiàn)三根單獨的線條，則停車進(jìn)行信息讀取和物料抓取。

機械臂：

調(diào)節(jié)機械臂主要是調(diào)節(jié)各舵機的參數(shù)設(shè)置，起初發(fā)現(xiàn)每次抓取物料的時候發(fā)現(xiàn)抓取物體時不牢固，導(dǎo)致物料脫落，不能到達(dá)終點，后經(jīng)過多次調(diào)節(jié)舵機參數(shù)和測試后改正了這個問題。

結(jié)語：本文從智能物料搬運方面出發(fā)，設(shè)計并開發(fā)出了一款能通過二維碼傳遞任務(wù)信息，自動規(guī)劃路線，自動識別顏色和地點、循跡避障、自動抓取物料和擺放物料的智能機器人。該機器人目前成本較低，工作效率較高，基本實現(xiàn)了物料的自動搬運功能。

通過對該項目的研究，我們學(xué)到很多的知識，首先為了能夠確保該項目順利完成，我們自主學(xué)習(xí)了有關(guān)單片機的一些專業(yè)知識，其中對Arduino的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，其次為了能夠讓系統(tǒng)更高效穩(wěn)定的運行，我們對本次項目中使用的各個模塊進(jìn)行了一些學(xué)習(xí)，比如了解各個模塊的基本原理以及各個模塊分別可以實現(xiàn)什么功能。學(xué)習(xí)專業(yè)知識還不能讓我們完成該項目，懂得理論知識并不代表就能在實際操作中游刃有余，恰恰相反的是在實踐中我們遇到的許多問題都不是僅僅靠理論知識能夠解決的，往往靠的都是理論和實踐相結(jié)合，將實際情況與理論知識做比較，在不斷的實踐中去發(fā)現(xiàn)解決問題的方法，這樣可以慢慢積累我們的經(jīng)驗。