智能搬運機器人的設(shè)計

鄭彩麗 司麗娜 文桂伏

（北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院，北京100144）

0 引言

近年來，隨著社會的發(fā)展和科技的進步，工廠自動化程度不斷提高，機器人或者自動化設(shè)備的使用提高了貨物搬運、存儲的效率，AGV小車作為一種輪式機器人在貨物搬運中大幅降低了人力和物力的投入。本文規(guī)劃了三種較為復雜的場地，設(shè)計并制作了一種遙控型AVG小車，這種小車能實現(xiàn)爬臺階、過斜坡、鉆U形管道、物料顏色和形狀識別等任務(wù)，進而將三種不同顏色和不同形狀的物塊運送到指定形狀和位置的放置點中，小車的導向和輔助升降結(jié)構(gòu)能夠使其適應(yīng)不同的地形，在指定區(qū)域內(nèi)完成貨物搬運等任務(wù)。

1 整體方案設(shè)計

遙控AGV小車為采用安卓系統(tǒng)控制的具有搬運功能的藍牙小車[1]，通過安裝在Android操作系統(tǒng)上的App程序的手機（具備藍牙功能）控制，分別完成直行、上下坡、上下臺階、鉆內(nèi)洞、轉(zhuǎn)彎、抓取以及搬運貨物并放置到指定地點等一系列動作，小車在完成各項任務(wù)后回到出發(fā)區(qū)域。小車的設(shè)計包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制部分設(shè)計，在完成AGV小車的安裝后對整車的功能進行了測試。

2 AGV小車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)功能需求，該遙控型AGV小車除了完成抓取和搬運物料的任務(wù)外，同時還能越過場地中設(shè)置的斜坡、臺階、彎道等障礙，這就需要小車具備特定的機械結(jié)構(gòu)來完成相應(yīng)的功能。

2.1 遙控AGV小車輪子的設(shè)計與選定

全地形小車目前普遍見到的是六輪式結(jié)構(gòu)[2]，該結(jié)構(gòu)較為復雜并且對于兩級以上臺階的翻越成功率和效率較高，本文規(guī)劃的場地為兩級臺階，如圖2所示，綜合考慮后采用一種更簡單的四輪結(jié)構(gòu)。很明顯普通的四輪結(jié)構(gòu)很難完美越過障礙物，為了解決該問題就必須增加其他輔助結(jié)構(gòu)。四輪結(jié)構(gòu)一個很大的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單，行動靈活，同時也能在很大程度上降低操作難度。

圖2 二級臺階

圖3 雙邊窄橋

采用四輪結(jié)構(gòu)時小車與地面及斜坡的摩擦力也會有所減小，可能無法翻越斜坡。為了解決這一問題，選擇黑色橡膠輪來增大小車與地面及障礙物表面的摩擦力，并且能夠提高小車行駛過程中的穩(wěn)定性。

2.2 遙控型AGV小車輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計

四輪小車難以越過臺階的主要原因是小車受限于車長、輪徑以及車體的動力大小。當小車前面兩輪與第一級臺階接觸時，就需要四驅(qū)式小車的各個動力源提供足夠的推力，使得小車獲得足夠的牽引力來越過第一級臺階?？梢姡灰啅胶线m，加之動力足夠的情況下，小車越過第一級臺階的難度不大。難點在于小車如何使得前輪登上二級臺階，后輪登上一級臺階，因為此種狀態(tài)更有利于小車的后續(xù)抓取物料以及小車姿態(tài)的調(diào)節(jié)。因此，在這種情況下，沒有任何輔助機構(gòu)的小車就很難實現(xiàn)功能。

考慮到一級臺階與二級臺階之間的余量，無法讓小車整體同時在這個余量范圍內(nèi)，此時小車后輪在地面，前輪在一級臺階上，為了減小小車動力不足的影響，可以通過一個結(jié)構(gòu)輔助前輪“爬坡”，結(jié)構(gòu)的三維模型如圖4所示，放下此支撐結(jié)構(gòu)時小車前輪抬高，在后輪的推動下，使得小車整體向前移動一小段距離，此時前輪處于抬起狀態(tài)，當前輪的底部圓心越上第二級臺階時，收起該支撐結(jié)構(gòu)，同時繼續(xù)讓后輪提供動力，前輪接觸二級臺階上部平面，此時小車再一次獲得四驅(qū)動力，通過調(diào)整后可以達到抓取指定地點物體的姿態(tài)，再配合機械臂機械爪的運動，從而實現(xiàn)準確的抓取。

圖4 輔助結(jié)構(gòu)的三維模型

2.3 AGV小車機械臂的設(shè)計

機械臂是小車能夠順利調(diào)整姿態(tài)并完成抓取的關(guān)鍵部件。設(shè)計機械臂需要考慮重點是：機械臂關(guān)節(jié)的自由度以及各個關(guān)節(jié)的尺寸。原因如下：（1）自由度不夠的話，很明顯會有抓取盲區(qū)；（2）自由度多余的話，使得整體的機械和電氣結(jié)構(gòu)更加復雜，同時增加操作手的操作難度。因此，需要通過分析與實際模擬，設(shè)計確定的機械臂的自由度數(shù)。

對于遙控小車來說，無須云臺的轉(zhuǎn)動自由度，反而可以保證小車在某一個方向上的準確性。而全自動小車為了滿足機械臂可以抓起斜橋、U形管道以及二級臺階上的物塊，同時便于抓取時的動作調(diào)整，經(jīng)過綜合計算與仿真，設(shè)計的機械臂結(jié)構(gòu)如下：機械臂本身選擇三自由度、加上一個與機械爪連接部分的手腕部的旋轉(zhuǎn)自由度，以及爪子的開合自由度，共可以實現(xiàn)五個自由度。機械臂尺寸方面，由于采用舵機串聯(lián)開環(huán)連接，因此采用市面上的舵機標準支架連接即可。

2.4 遙控AGV小車手爪的設(shè)計

手爪對物體的抓取至關(guān)重要，只有準確的抓取才能保證后面的搬運和放置功能。如果抓取位置不合適，出現(xiàn)放置失誤或抓取不牢固的情況，甚至物料在運輸過程中掉落。因此手爪設(shè)計必須結(jié)合物料尺寸和形狀進行。物料形狀分為單圓柱型、圓柱和長方體拼接型以及正六棱柱型。因此，單純的圓弧形手爪只能保證圓柱體型的物料抓取精度，很難保證正六棱柱型物體的抓取，而平行手爪又不能保證圓柱體型物料的抓取和運輸穩(wěn)定。經(jīng)過實際試驗，最終采取圓弧形手爪并用泡沫材料對手爪包裹的方案。在手爪保持一定抓緊力的時候，泡沫材料會發(fā)生較大形變，從而與各物料的接觸面積增大，同時泡沫材料與亞克力或金屬材料相比，還可以在很大程度上增大摩擦力。同時，為了進一步保障抓取的可靠，手爪部分縱向布置三層，手爪結(jié)構(gòu)的三維模型如圖5所示。

圖5 手爪的三維模型

2.5 遙控AGV小車前置導向輪設(shè)計

前置導向輪的作用就是便于小車順利通過U形管道，尺寸要求如圖6所示。小車在通過U形管道時，若操作偏差就會導致小車被卡住。導向輪的局部自由度就可以很好地解決這個問題，由于兩側(cè)導向輪的整體寬度大于小車底板寬度，使得小車整體能夠順著導向輪和管道壁的滾動滑移順利通過管道。導向輪結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 U形管道

圖7 前置導向輪結(jié)構(gòu)

2.6 遙控AGV小車底板設(shè)計

底板是機械臂安裝的基臺，是輪子、控制板、驅(qū)動板以及電源線和信號線的載體，因此底板的設(shè)計需要留足夠的空間便于布置以上部件，還要盡可能地設(shè)法減重，以便于減輕整車質(zhì)量。底板的具體形狀和尺寸以及一些定位孔的不確定，需要根據(jù)實際的零部件的安裝和布局進行多次調(diào)整。

3 AGV小車控制部分設(shè)計

控制部分主要包括攝像頭控制、電機驅(qū)動、舵機控制和藍牙模塊的連接，整個控制系統(tǒng)采用12 V的鉛蓄電池供電，通過電源轉(zhuǎn)換芯片得到5.0 V和3.3 V的電壓為其他芯片供電，控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

控制對象主要包括直流電機、機械臂及底部輔助機構(gòu)的舵機。直流電機選擇最簡單實用的TT馬達，為了方便對舵機進行控制，統(tǒng)一選擇15 kg扭矩的單或雙軸數(shù)字舵機。選擇型號為HC-05的藍牙模塊，手機通過藍牙信號傳輸?shù)紿C-05上，再通過串口和微控制器進行通信。此外，通過移動端的App給AGV小車發(fā)送不同的控制指令。選擇Arduino mega 2 560作為本次電控部分的主控板，其豐富的接口，數(shù)字I/O口，模擬I/O口，支持多種串口通信的特點，加之使用簡單，不需要相對復雜的底層代碼就可完成控制功能[3]。選用可編程的攝像頭Openmv[4，5]進行物料的拍照和顏色識別，內(nèi)置圖像處理功能，處理信號容易，能降低編程難度和減輕主控制版的負荷。使用數(shù)碼管實時顯示電池的電壓以監(jiān)測電池的電量，當電池的電量過低時就會通過蜂鳴器發(fā)出提示信息。系統(tǒng)的程序流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)程序流程圖

4 測試結(jié)果及結(jié)論

完成AGV小車各部分的軟硬件設(shè)計和組裝后得到的實物圖如圖10所示，前端的導向結(jié)構(gòu)可以使小車適應(yīng)管道型的地形，底部的支撐結(jié)構(gòu)可以使小車的前半部分抬升以爬越臺階。測試結(jié)果表明AGV小車能夠準確識別和執(zhí)行移動端發(fā)出的控制指令并且完成物料的抓取、搬運以及放置到指定位置等任務(wù)。

圖1 不同地形布局平面圖

圖10 AGV小車實物圖

實驗驗證了AGV小車能夠適應(yīng)多種工作環(huán)境并且能夠完成物體的顏色識別、抓取、搬運和放置到指定位置等任務(wù)，為開發(fā)更加智能和自動化程度更高的搬運機器人提供了設(shè)計參考方案。