基于激光傳感器的柔性自組織輸送鏈路微輸送單元連接方法研究

吳健 韓金龍 方愿捷 劉婷婷 童山 王駿杰 張喆

摘 要：針對(duì)自組織輸送鏈路中微輸送單元連接無(wú)機(jī)械硬約束、準(zhǔn)確對(duì)接困難等問(wèn)題，借助測(cè)距傳感器對(duì)輸送單元進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)邊界與閾值判定來(lái)獲得對(duì)接問(wèn)題的解決方案?；谠摻鉀Q方案來(lái)構(gòu)建微輸送單元的軟連接系統(tǒng)，并對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行實(shí)物測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，在邊界條件的區(qū)間范圍內(nèi)，微輸送單元能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)接。該研究在一定程度上解決了自組織輸送鏈路中物料難以準(zhǔn)確對(duì)接的問(wèn)題，提高了對(duì)接的準(zhǔn)確性及可靠性。

關(guān)鍵詞：微輸送單元;自組織輸送鏈路;激光傳感器;軟連接系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP211.6 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）12-0042-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.008

Research on Micro Conveyor Unit Connection Method in Flexible

Self-Organizing Conveying Link Based on Laser Sensor

WU Jian1? ? HAN Jinlong2? ? FANG Yuanjie1? ? LIU Tingting1? ? TONG Shan1

WANG Junjie1? ? ZHANG Zhe1

（1.Chaohu University，Industrial Process Control Optimization and Automation Engineering Research Center，Hefei 238000，China;2.Anhui China Longyang Power Group New Energy Development Co.，Ltd.，Hefei 238000，China）

Abstract：Aiming at the problem that the connection of micro conveying units under self-organizing conveying link has no mechanical and hard constraints and it is difficult to connect accurately.With the help of the detection method of the distance sensor to the conveying unit，the solution of the corresponding docking problem is obtained through the determination of the boundary and threshold.Based on the above solution，the soft connection system of micro conveying unit is constructed.And carry out physical test on relevant performance.The test results show that the micro conveying unit can realize accurate docking within the range of boundary conditions.The research solves the problem of accurate docking of materials under the self-organized transportation link to a certain extent，and improves the accuracy and reliability of docking.

Keywords：micro conveyor unit;self organizing transport link;laser sensor;soft connection system

0 引言

在現(xiàn)代化工廠(chǎng)中，柔性生產(chǎn)是降低制造成本的重點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)生產(chǎn)線(xiàn)中傳送帶的輸送鏈路固化、基于自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)（Automated Guided Vehicle，AGV）運(yùn)載量離散化、效率低下，已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)柔性工況下的需求。多樣化生產(chǎn)、制造周期短的柔性生產(chǎn)線(xiàn)已成為生產(chǎn)線(xiàn)發(fā)展的主要方向[2]。

在實(shí)際工業(yè)場(chǎng)景中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已重點(diǎn)研究柔性傳送帶的靈活應(yīng)用和自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)的使用。晁用璽[3]設(shè)計(jì)出一種蛇形移動(dòng)帶式傳動(dòng)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)物料在不同工位上的連續(xù)傳遞;王趙強(qiáng)等[4]針對(duì)帶式輸送過(guò)程中傳送帶跑偏的問(wèn)題，借助外力裝置，來(lái)改進(jìn)物料傳送系統(tǒng);錢(qián)東海等[5]為了提高AGV在行徑路程中的定位精度，利用激光雷達(dá)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的姿態(tài)算法;時(shí)光等[6]將AGV與機(jī)器人結(jié)合，并將其運(yùn)用于實(shí)際;在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)有大量的分揀任務(wù)，于會(huì)群等[7]設(shè)計(jì)出多AGV的路徑規(guī)劃方案，從而提高物料的分揀效率。

綜上所述，傳統(tǒng)傳送帶系統(tǒng)運(yùn)輸量大，但其是在固定軌跡路線(xiàn)下運(yùn)行，導(dǎo)致其靈活度不高、自由度小。自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)雖然具備靈活、自組織特性，但在運(yùn)輸能力上明顯低于傳送帶系統(tǒng)。將AGV小車(chē)與短距離微輸送單元自組織架構(gòu)下的柔性帶傳送系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，可有效解決上述缺陷，但各單元間的對(duì)接關(guān)鍵技術(shù)仍存在缺失，亟待解決。

本研究針對(duì)物料傳送過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)接，提出了基于激光傳感器TOF200F的微輸送單元自組織輸送鏈路匹配法，并從微輸送單元的機(jī)械結(jié)構(gòu)、對(duì)接匹配檢測(cè)原理展開(kāi)研究。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 微輸送單元結(jié)構(gòu)

微輸送單元是具備輸送長(zhǎng)度、位姿連續(xù)有限可調(diào)，且能串聯(lián)或并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的柔性輸送系統(tǒng)的最小輸送單元。在其通過(guò)上位機(jī)時(shí)可得到一條路徑軌跡，并可計(jì)算出每個(gè)微輸送單元的位姿，將位姿通過(guò)上位機(jī)串口發(fā)送給Zigbee通信模塊，并對(duì)每一個(gè)微輸送單元所應(yīng)到達(dá)的位姿進(jìn)行分配。當(dāng)其到達(dá)指定位置后，每個(gè)微輸送單元的傳送帶伸縮裝置進(jìn)行伸縮，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接，構(gòu)建出一條柔性輸送路徑。

微輸送單元如圖1所示，其是以麥克納姆輪為核心的全向移動(dòng)系統(tǒng)，并在全向移動(dòng)系統(tǒng)上搭建了可調(diào)的微型輸送帶。微型輸送帶整體采用雙層伸縮裝置，由兩塊側(cè)面擋板、雙層彈性皮帶和滾軸、伸縮滑塊組、兩組驅(qū)動(dòng)皮帶的減速電機(jī)、絲桿螺母及其推塊、步進(jìn)電機(jī)及其螺桿組成。兩組減速電機(jī)通過(guò)同步帶輪與一個(gè)滾軸相連，使其成為主動(dòng)軸，從而驅(qū)動(dòng)上下兩組傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng);步進(jìn)電機(jī)與螺桿連接，通過(guò)螺桿、螺母及其推桿與滑塊組連接，進(jìn)而通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿的旋轉(zhuǎn)，使滑塊組向前移動(dòng)。

在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，當(dāng)一條鏈?zhǔn)捷斔吐肪€(xiàn)形成時(shí)，輸送單元開(kāi)始運(yùn)作，通過(guò)多個(gè)單元不斷對(duì)接來(lái)實(shí)現(xiàn)貨物的運(yùn)輸（見(jiàn)圖2）。當(dāng)2個(gè)以上的微輸送單元以一定角度進(jìn)行對(duì)接時(shí)，其對(duì)接方式一般為首尾連接，并借助傳感器的輔助測(cè)量來(lái)進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)物料的傳送。

1.2 微輸送單元模型幾何關(guān)系

微輸送單元需要嚴(yán)密配合才能實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸送單元的緊密連接。因此，其基礎(chǔ)幾何模型需要進(jìn)行嚴(yán)格論證（見(jiàn)圖3）。H1是第二級(jí)傳送帶的前端最底部;H2是第一級(jí)傳送帶后端的最頂部;[ΔH]是H1的最小值和H2的差值;θ為兩級(jí)傳送帶與水平面的斜度，取值為20°;L2是第二級(jí)傳送帶可伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度;L1是第二級(jí)傳送帶的總長(zhǎng)度，取值為325 mm。對(duì)模型進(jìn)行分析計(jì)算，可得如式（1）所示的關(guān)系式。

[H2+ΔH+L2·sin20°=H1]? ?（1）

式中：H1最小值為390.55 mm，最大值為533.9 mm;h2為340.97 mm;[ΔH]為390.55 -340.94=49.61 mm;L2最小值為0 mm，最大值為325 mm，當(dāng)L2伸長(zhǎng)1 mm，H1就會(huì)升高0.34 mm。

2 對(duì)接匹配檢測(cè)原理

2.1 對(duì)接檢測(cè)原理

由式（1）可知，前級(jí)微輸送單元與后級(jí)微輸送單元的對(duì)接匹配程度取決于二級(jí)傳送帶的伸縮長(zhǎng)度變量[ΔS]，而[ΔS]可由高度差[ΔH]的測(cè)量值計(jì)算得出，借助TOF200F激光傳感器可獲得相應(yīng)的[ΔH]數(shù)據(jù)。所采用的激光傳感器是基于時(shí)間飛行原理（Time of Flight，TOF）[8]，其結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4。

激光傳感器可周期性地向外發(fā)出近紅外光調(diào)制波，調(diào)制波遇到物體時(shí)會(huì)發(fā)生反射，通過(guò)測(cè)量調(diào)制波往返相位差，可以得到飛行時(shí)間，再計(jì)算出此時(shí)物體與被測(cè)目標(biāo)之間的相對(duì)距離（見(jiàn)圖5），其距離計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

式中：[Δφ]為調(diào)制光在距離為2D上的相位差;C為調(diào)制光的傳播速度;t為調(diào)制光在待測(cè)距離往返一次所需要的時(shí)間;f為調(diào)制光的頻率。

在對(duì)接過(guò)程中，二級(jí)傳送帶的伸長(zhǎng)量是待求解的參數(shù)，利用二級(jí)傳送帶的前端是否落入預(yù)定區(qū)域的高度范圍內(nèi)，來(lái)判斷二者鏈路是否搭建成功。二級(jí)傳送帶通過(guò)傳感器回送的距離值，來(lái)調(diào)整自身的伸長(zhǎng)距離，當(dāng)達(dá)到一定條件范圍時(shí)，表示軟對(duì)接完成。

2.2 邊界條件

微輸送單元按照上位機(jī)規(guī)劃好的路線(xiàn)運(yùn)輸物料時(shí)，每個(gè)微輸送單元會(huì)從后方接近前一級(jí)輸送單元。但對(duì)如何控制二級(jí)伸縮傳送帶的伸縮距離需要進(jìn)行分析，并歸納其對(duì)應(yīng)的邊界條件。在檢測(cè)環(huán)節(jié)中，傳感器的回送距離值落在邊界區(qū)間內(nèi)的增量區(qū)間內(nèi)，均可判定為對(duì)應(yīng)的軟對(duì)接成功。

2.2.1 第一種極端情況下相應(yīng)的對(duì)接情況。如圖6所示，微輸送單元的側(cè)面中軸線(xiàn)與下一輛微輸送單元中軸線(xiàn)呈90°。微輸送單元在行進(jìn)到指定位置時(shí)，開(kāi)始伸長(zhǎng)二級(jí)傳送帶。此時(shí)，二級(jí)傳送帶與下一級(jí)微輸送單元的傳送帶并不平行，斜率不一致。圖6中的θ是傳送帶與地面的夾角。通過(guò)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使得二級(jí)傳送帶伸長(zhǎng)[ΔL]，傳送帶在距離上次的位置升高[ΔS]，通過(guò)激光傳感器兩次測(cè)距的高度差可測(cè)得[ΔS]的大小。在對(duì)接時(shí)，兩輛微輸送單元的中軸線(xiàn)相交的角度無(wú)法完全確定?？刂泼看味?jí)傳送帶伸長(zhǎng)距離[Δl]為固定值，當(dāng)微輸送單元的側(cè)面中軸線(xiàn)與下一輛微輸送單元中軸線(xiàn)呈90°時(shí)，[ΔS]取得最大值[ΔSmax]，見(jiàn)式（3）。

[ΔSmax=sinθ·ΔL]? ? ?（3）

通過(guò)步進(jìn)電機(jī)說(shuō)明書(shū)中的參數(shù)可確定二級(jí)傳送帶伸長(zhǎng)速度為15 mm/s，規(guī)定伸長(zhǎng)時(shí)間為2 s，可通過(guò)式（3）計(jì)算得出[ΔSmax=10.27 mm]。

2.2.2 第二種極端情況下相應(yīng)的對(duì)接情況。如圖7所示，微輸送單元的正后方方向的中軸線(xiàn)與下一輛微輸送單元中軸線(xiàn)呈0°。

此時(shí)，二級(jí)傳送帶與下一輛微輸送單元能夠達(dá)到相對(duì)平行的狀態(tài)，斜率相同。由于兩個(gè)二級(jí)傳送帶平面與下一輛微輸送單元平面平行，二級(jí)傳送帶每次伸長(zhǎng)[ΔL]時(shí)，傳送帶升高的高度h都相同，所以高度差[ΔS]為0，即可得[ΔSmin=0]。

對(duì)以上兩種極端情況進(jìn)行分析，可得出微輸送單元在進(jìn)行對(duì)接時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)接相應(yīng)的邊界條件，見(jiàn)式（4）。

[0≤ΔS<10.27 mm]? ? （4）

在對(duì)接時(shí)，通過(guò)激光傳感器獲取實(shí)時(shí)測(cè)距傳輸數(shù)據(jù)，可得到對(duì)接過(guò)程的圖像，并通過(guò)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，分析[ΔS]是否在邊界條件內(nèi)，判斷微輸送單元是否完成準(zhǔn)確對(duì)接。

本研究所采取的微輸送單元的對(duì)接方向僅供參考，其實(shí)際意義具有普遍性，結(jié)論適用于對(duì)接時(shí)所產(chǎn)生的角度。

2.3 對(duì)接匹配算法

結(jié)合TOF200F激光傳感器的檢測(cè)原理、對(duì)接檢測(cè)[ΔH]的邊界判定，可獲得二級(jí)傳送帶停止伸長(zhǎng)的條件，具體流程如圖8所示。

通過(guò)設(shè)置上位機(jī)總控系統(tǒng)來(lái)對(duì)傳送現(xiàn)場(chǎng)的障礙地圖進(jìn)行分析，然后規(guī)劃貨物的傳送路徑。當(dāng)微輸送單元行駛到指定位置進(jìn)行物料輸送時(shí)，上位機(jī)采集激光傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)。由于對(duì)接時(shí)微輸送單元之間產(chǎn)生的角度不是唯一確定的，所以需要對(duì)測(cè)定的[ΔS]進(jìn)行判定，得出相應(yīng)的邊界條件。

對(duì)于測(cè)量計(jì)算得到的[ΔS]，當(dāng)[ΔS]的值滿(mǎn)足邊界條件式（4）中的范圍時(shí)，則二級(jí)傳送帶可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)接。反之，傳送帶需要繼續(xù)伸長(zhǎng)，并重新采集數(shù)據(jù)，并對(duì)[ΔS]進(jìn)行判斷，直至達(dá)到其范圍內(nèi)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證理論分析的可行性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行多次對(duì)接測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容為多個(gè)微輸送單元根據(jù)上位機(jī)指令到達(dá)指定位置實(shí)行兩兩對(duì)接。測(cè)試裝置及測(cè)試條件如圖9、圖10所示。

激光傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定的距離曲線(xiàn)及線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)如圖11、12所示。從圖11可以看出，在A(yíng)B段，激光傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定距離為二級(jí)傳送帶對(duì)地距離;在B點(diǎn)，微輸送單元到達(dá)指定位置;在BC段，二級(jí)傳送帶開(kāi)始上升;在C點(diǎn)，即將與下輛微輸送單元的傳送帶進(jìn)行對(duì)接;在CD段，二級(jí)傳送帶平面與下一輛微輸送單元平面接觸;在DE段，二級(jí)傳送帶平面與下一輛微輸送單元平面實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通過(guò)激光傳感器兩次測(cè)距的高度差測(cè)得的[ΔS]在理論數(shù)值區(qū)間內(nèi)，驗(yàn)證了本研究微輸送單元對(duì)接判定條件的可靠性及準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究基于微輸送單元的基本結(jié)構(gòu)與幾何關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種基于微輸送單元柔性帶傳送下的激光測(cè)距對(duì)接系統(tǒng)，重點(diǎn)研究微輸送單元對(duì)接過(guò)程中的邊界條件及其應(yīng)用，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)定值來(lái)計(jì)算出邊界值，對(duì)邊界條件則重點(diǎn)研究了對(duì)激光傳感器數(shù)據(jù)曲線(xiàn)特征的提取與擬合。最后，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了本研究所提出的激光測(cè)距對(duì)接系統(tǒng)對(duì)接策略的有效性，保障了微輸送單元對(duì)接的準(zhǔn)確性，在一定程度上解決了實(shí)際工業(yè)場(chǎng)景中物料對(duì)接輸送時(shí)的損耗問(wèn)題。

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