全地形智能倉儲物品歸整機器人的設(shè)計*

尹翔飛 楊立龍 鄭飛杰

三明學(xué)院機電工程學(xué)院 三明 365004

0 引言

近年來，人工成本不斷上漲，各個領(lǐng)域都出現(xiàn)“機器換人”的現(xiàn)象，工業(yè)領(lǐng)域尤為普遍，工業(yè)機器人轉(zhuǎn)型智能制造發(fā)展態(tài)勢強勁，前景廣闊[1,2]。工業(yè)機器人助推制造業(yè)的生產(chǎn)力大幅度提升，商品的存量越來越龐大，而快速、有序、準(zhǔn)確地儲存歸整問題的解決也更加緊迫，智能化的倉儲物品歸整機器人成為關(guān)注熱點。另外，由于新冠肺炎疫情發(fā)展過程中，有發(fā)現(xiàn)在冷鏈?zhǔn)称吠獍b分離出新冠活病毒的情況[3]，出于對工作人員的生命健康安全的考慮，物流接收、分揀、歸整等過程的工作，需要完全由機器人代替人工來完成，直至所有物品經(jīng)過全面消毒之后，保證安全的情況下再進行人工介入，故倉儲物品分揀歸整類的機器人更是一度成為焦點。

目前，倉儲物品歸整機器人主要分為2種：一種是擁有靈活的機械臂但位置固定不能移動且無法智能控制和無視覺識別功能的純機械化的操作；另一種是智能化可自由移動搬運物品的機器人，但它無法在復(fù)雜地形中正常工作，無抓取功能，只能依靠其他輔助設(shè)備完成倉儲規(guī)整。

在許多行業(yè)中，尤其是物流行業(yè)，對貨物的搬運、歸整基本仍為人工完成，無法滿足快速發(fā)展的市場需求，搬運效率低且成本高。另外，無法滿足疫情防控的要求，對工作人員的生命健康安全無法做到完全可控。由市場驗證可知，以機器人替代人工，既能滿足疫情防控要求，又可提高生產(chǎn)效率，從長遠來看可降低成本[4,5]。因為物流貨物搬運的場所較復(fù)雜，而當(dāng)下搬運歸整機器人一般是在環(huán)境良好的場所使用，無法滿足崛起的物流行業(yè)的搬運歸整環(huán)境。所以，為了解決搬運機器人無法適應(yīng)崎嶇地形、造價高、操作困難等問題，本文設(shè)計了一款造價低、操作簡單、能對貨物進行搬運且適應(yīng)各種地形的全地形智能倉儲物品歸整機器人，提高物流等搬運歸整量大的行業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 運行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著運行工作環(huán)境復(fù)雜程度的增加，對全地形智能倉儲物品歸整機器人的性能要求也隨之提升，但仍存在轉(zhuǎn)向過程中車身不穩(wěn)的問題[6]。對此，出現(xiàn)了一些改善機器人運行震動問題的方法，如通過預(yù)先編制智能算法來控制車身運動姿態(tài)，從而改善車身震動程度[7]。通過設(shè)計出不同類型的行走部件，改善行走部件與地面的貼合度，進而改善車身震動狀態(tài)[8]。然而，對于較復(fù)雜的搬運歸整場所，這些方法都不能完全解決震動影響機器人運行穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)在各種地形條件下的搬運及其他功能，全地形智能倉儲物品歸整機器人的可靠運行是保障以上工作能順利完成的必要條件，而運行系統(tǒng)的車身運動穩(wěn)定性是其可靠運行的重要前提[9，10]，故對改善車身運動穩(wěn)定性的研究具有重要意義。

車身運動穩(wěn)定性是指機器人在復(fù)雜的地形上運行時車身震動小，物品偏移度小，保障物品完好運送到指定位置，震動小主要靠運行系統(tǒng)中的減震器來實現(xiàn)，本文針對需求進行全新設(shè)計。如圖1所示，運行系統(tǒng)由運行車身、減震器、履帶、驅(qū)動輪、承重輪、誘導(dǎo)輪等組成。運行車身作為框架，連接固定住除履帶的其他部件，履帶包絡(luò)住除車身的其他部件。

圖1 運行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示圖

如圖2所示，減震器由彈簧、連接軸、液壓柱、連接器、承重輪等組成，其中液壓柱是減震的最主要緩沖元件。當(dāng)履帶受力時，由承重輪傳遞給彈簧和液壓柱，彈簧受力開始被擠壓，隨后產(chǎn)生同等的力反向施力。當(dāng)彈簧受力達到一定程度時，力就會傳遞給液壓柱，液壓柱受力后開始緩沖。當(dāng)壓力全部被緩沖掉后，彈簧和液壓柱開始恢復(fù)原樣，實現(xiàn)減震作用，達到穩(wěn)定機器人的目的。連接軸使減震器連接固定在運行車身上，連接器連接承重輪和連接軸。承重輪既能起到承載機器人整體質(zhì)量，也是減震器的從動輪，具有很強的穩(wěn)定性。誘導(dǎo)輪也是從動輪，用來誘導(dǎo)和支撐履帶，與履帶調(diào)整器一起調(diào)整履帶的松緊程度，同時能固定上端履帶，以防上方履帶塌陷而影響使用。驅(qū)動輪靠高速電動機來轉(zhuǎn)動，強勁的效率能夠保證機器人的正常運行，且工作可靠，后期維護保養(yǎng)成本低。

圖2 減震器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 六自由度機械臂的設(shè)計

機械臂是搬運機器人實現(xiàn)搬運歸整目的最重要的工具，是保證被搬運物件完整和其放置位置精確度的主要機構(gòu)。因此，要求機械臂具有適當(dāng)?shù)淖杂啥?，且要保證其具有足夠的剛度和強度，機器臂的伸縮和旋轉(zhuǎn)要準(zhǔn)確和高效[11]。機械臂的穩(wěn)定性、靈活性、安全性是決定一個機器人是否能高效穩(wěn)定完成工作的重要保障。

如圖3所示，機械臂結(jié)構(gòu)由42BYG34-401A步進電動機、傳動板塊、旋轉(zhuǎn)底盤等組成。42BYG34-401A步進電動機是整個機械臂的動力來源，傳動板塊附著在42BYG34-401A步進電動機旁邊，隨電動機的運作帶動傳動板塊，板塊角度可達到27°～136°，能使整個機械臂完成前進和后退、繞X軸和Z軸旋轉(zhuǎn)、沿X軸與Y軸移動，能夠精確、高效率地完成指令。旋轉(zhuǎn)底盤下裝有恒速電動機，能夠?qū)崿F(xiàn)繞Z軸旋轉(zhuǎn)。

圖3 機械臂結(jié)構(gòu)

如圖4所示，機械臂驅(qū)動單元是機械臂運動板塊的主要部分，整個機械臂都靠這種結(jié)構(gòu)來完成運動。其中連接板塊與步進電動機固定連接，便于驅(qū)動結(jié)構(gòu)的連接且可保證安全穩(wěn)定。步進電動機是驅(qū)動結(jié)構(gòu)的動力來源，保證整個機械臂的正常運行工作。步進電動機靠脈沖信號控制驅(qū)動，其轉(zhuǎn)子隨脈沖信號的變化進行一定角度的轉(zhuǎn)動，從而精確地調(diào)整整個驅(qū)動結(jié)構(gòu)的運動。從動板一側(cè)通過聯(lián)軸器與步進電動機連接，另一側(cè)與下一個驅(qū)動結(jié)構(gòu)的連接，隨步進電動機轉(zhuǎn)動角度的改變而改變，選用的42BYG34-401A步進電動機的步距角為3°～5°。剛性聯(lián)軸器的作用是與步進電動機的轉(zhuǎn)子相連接來帶動從動板，其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，工作可靠，且可傳遞較大轉(zhuǎn)矩，能保證2軸間較高的對中精度，常用于載荷平穩(wěn)、高速或傳動精度要求較高的軸系傳動。

圖4 驅(qū)動單元示意圖

1.3 機械抓手的設(shè)計

如圖5所示，機械臂手部的動力源是靠步進電動機帶動主動齒輪，主動齒輪帶動2個從動齒輪。2個從動齒又連接抓手的2個桿，桿帶動抓手其他部分。當(dāng)驅(qū)動主動齒輪順時針運轉(zhuǎn)時，抓手收縮抓取物體；當(dāng)主動驅(qū)動齒輪逆時針運轉(zhuǎn)時，抓手松弛可放開物體。根據(jù)物品的大小，通過脈沖信號發(fā)送指令來控制抓手的收縮量和松弛量。

圖5 機械抓手結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

如圖6所示，以全地形智能倉儲物品歸整機器人主要由多自由度靈活機械手、二維碼顏色識別攝像頭模塊（1 080 p）、自主設(shè)計創(chuàng)新型履帶式減震底盤等部分組成。在實際工作中，機器人會根據(jù)具體任務(wù)要求，通過控制中心進行接收和發(fā)送信息、指令來控制機器人本體，實現(xiàn)具體工作流程。

圖6 整體結(jié)構(gòu)示意圖

首先，控制程序準(zhǔn)備就緒，無接觸啟動機器人，機械手頂部的攝像頭啟動捕捉信息，將信息反饋給控制中心，控制中心發(fā)出指令，驅(qū)動機械手上4個步進電動機，實現(xiàn)機械抓手的方向和角度的調(diào)整，而機械手傳動板塊內(nèi)的電動機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機械抓手的抓取動作。在抓取過程中，頂部的攝像頭會識別機械抓手的抓取狀態(tài)，抓取任務(wù)完成后反饋給樹莓派控制板塊?？刂浦行陌l(fā)送指令到底盤上的步進電動機，帶動履帶主動輪實現(xiàn)運動或停止，主動輪在運動過程中，根據(jù)指令進行速度調(diào)節(jié)，從而達到底盤的直線運動或轉(zhuǎn)向，進而實現(xiàn)對物體的搬運。在運送過程中，紅外測距儀在檢測到障礙后反饋給控制中心，控制中心發(fā)送指令到底盤上的步進電動機，獲得合理的轉(zhuǎn)向角度以達到規(guī)避的目的。到達指定地點后，頂部攝像頭識別指定區(qū)域，將信息反饋給樹莓派控制板塊，控制中心將指令發(fā)送給機械手上的步進電動機，調(diào)整機械手的方向和角度，機械手傳動板塊內(nèi)的電動機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機械抓手對物品的放置。任務(wù)完成后，機器人各部分根據(jù)程序指令自動回到初始位置或指定位置。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

全地形智能倉儲物品歸整機器人的控制系統(tǒng)由二維碼、樹莓派、Arduino、循跡模塊、舵機控制模塊、電動機驅(qū)動模塊、超聲波模塊、舵機、減速電動機等組成。如圖7所示，攝像頭是通過樹莓派串口通信Arduino來實現(xiàn)攝像頭的物料顏色識別和二維碼識別，循跡模塊與超聲波模塊將信號傳給Arduino，控制中心進行判斷后控制電動機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)及停止來控制物料分揀機器人的轉(zhuǎn)彎、后退、前進及停止，控制舵機的正傳或反轉(zhuǎn)來控制機械臂抓手的開合。

圖7 控制流程圖

1）二維碼識別 二維碼識別是通過設(shè)備將二維碼的圖形轉(zhuǎn)換為可用信息。如果根據(jù)條形碼編程的原理來識別的話，工作太繁瑣，每一個編程人員都必須知道每種條形碼的原理，而且不方便實用。本設(shè)計采用的是條形碼識別工具包，結(jié)合樹莓派Linux平臺來實現(xiàn)二維碼的識別，這種工具包的優(yōu)點是不需要掌握各種條形碼的編碼規(guī)則簡化了編程，且識別率高。

2）顏色識別 數(shù)字圖片一般采用RGB模式、CMYK模式和HSV模式。RGB顏色模式和CMYK顏色模式廣泛應(yīng)用于視頻攝像頭、數(shù)字圖片和數(shù)字視頻等，但HSV模型才更加符合人對顏色的描述和解釋(H為色調(diào)，S為飽和度，V為亮度 )。所以，選擇通過識別物料RGB的數(shù)值來轉(zhuǎn)換為HSV模式來實現(xiàn)物料顏色的識別。

3 實驗分析

根據(jù)設(shè)計方案進行樣機制作，并進行相關(guān)測試實驗，通過樣機實行二維碼識別功能、攝像頭顏色識別功能、復(fù)雜地形運行、物品搬運與歸整等實驗，驗證設(shè)計方案的可行性。

1）二維碼識別功能 運行穩(wěn)定，識別率百分百；

2）攝像頭顏色識別功能 運行穩(wěn)定，正確率達到預(yù)期要求，其中錯誤部分經(jīng)分析不是硬件問題，而是識別算法精度有待于提高；

3）復(fù)雜地形運行 運行良好，對各種地形也有不錯的適應(yīng)能力，穩(wěn)定性達到基本要求，有提高空間；

4）物品搬運與歸整 運行良好，基本完成任務(wù)要求，但效率偏低。

4 總結(jié)

全地形智能倉儲物品歸整機器人結(jié)構(gòu)主要由全地形減震系統(tǒng)、機械臂、機械抓手等組成，實現(xiàn)了在各種地形上能夠正常的進行搬運工作。經(jīng)過制作樣機測試，該機器人能夠?qū)崿F(xiàn)在各種地形的平穩(wěn)運行工作，且具有穩(wěn)定性好、操作簡單、智能化程度高、造價低等優(yōu)點。未來不論是在農(nóng)業(yè)、采礦業(yè)、物流業(yè)等行業(yè)都能有很好的應(yīng)用前景。