一種危險(xiǎn)化學(xué)藥品自動(dòng)搬運(yùn)和存儲(chǔ)小車*

李芮政，郭佳浩，徐澤靖，張景波，李帛洋，劉佳意，劉曉陽(yáng)

（1.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；2.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

危險(xiǎn)化學(xué)藥品在搬運(yùn)和存儲(chǔ)時(shí)，易受到震動(dòng)、碰撞、摩擦、溫度變化等外界因素的影響，而發(fā)生泄露、爆炸等危險(xiǎn)，對(duì)工作人員的生命安全存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)隱患。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于工廠生產(chǎn)中，代替人工勞動(dòng)，已經(jīng)成為時(shí)代的需求[1-2]。

本文通過對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)藥品生產(chǎn)線的調(diào)查研究，了解其生產(chǎn)方法及流程，分析其搬運(yùn)和存儲(chǔ)特點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 小車總體設(shè)計(jì)方案

1.1 小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)

危險(xiǎn)化學(xué)藥品自動(dòng)搬運(yùn)和存儲(chǔ)小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由升降系統(tǒng)、水平移動(dòng)系統(tǒng)、抓取系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)等部分組成。

圖1為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。如圖1所示，小車在進(jìn)行搬運(yùn)和存儲(chǔ)工作時(shí)，通過一對(duì)平行的爪帶將化學(xué)藥品瓶傳輸?shù)剿絺魉蛶?，隨后進(jìn)入轉(zhuǎn)盤的槽孔里面，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)將化學(xué)藥品瓶傳輸?shù)剿絺魉蛶噜彽墓潭ò迕嫔稀?/p>

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

當(dāng)化學(xué)藥品瓶裝滿后，小車通過麥克納姆輪和視覺避障系統(tǒng)按照設(shè)定的路線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定位置后，通過轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)、水平傳送帶傳輸、爪帶傳輸以及電機(jī)反轉(zhuǎn)，將小車內(nèi)的化學(xué)藥品瓶依次輸出到指定的放置位置，進(jìn)而完成化學(xué)藥品瓶的自動(dòng)搬運(yùn)和存儲(chǔ)。

1.2 小車的控制系統(tǒng)

第103頁(yè)圖2為總體設(shè)計(jì)方案圖。小車的控制系統(tǒng)主要功能包括車身升降控制系統(tǒng)、車身水平移動(dòng)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)以及視覺避障系統(tǒng)。

圖2 總體設(shè)計(jì)方案圖

2 小車主要機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 升降系統(tǒng)

在圖1中，小車的升降系統(tǒng)采用導(dǎo)軌式升降結(jié)構(gòu)，升降范圍在1.5~2 m之間，設(shè)計(jì)符合工廠生產(chǎn)線使用要求。升降平臺(tái)主要包括框架、雙滑塊機(jī)構(gòu)、推桿電機(jī)組等結(jié)構(gòu)。工作時(shí)由電推桿驅(qū)動(dòng)滑塊沿導(dǎo)軌上下滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)升降功能，在運(yùn)動(dòng)過程中具有較高的可靠性和穩(wěn)定性[3]。雙層設(shè)計(jì)及多輛小車交替循環(huán)運(yùn)行模式可以大大提高搬運(yùn)存儲(chǔ)效率。

2.2 水平移動(dòng)系統(tǒng)

小車的水平移動(dòng)系統(tǒng)采用滑軌式移動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過滑塊在軌道上的移動(dòng)，控制這一對(duì)爪帶之間的實(shí)際距離，以符合化學(xué)藥品瓶的直徑尺寸，保證恰好能夠抓取并傳輸化學(xué)藥品瓶。

此外，爪帶采用帶傳動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)方式。由于化學(xué)藥品瓶的包裝一般為玻璃瓶或者塑料瓶，故在爪帶的外側(cè)粘一排均勻分布的橡膠管，以加大抓取化學(xué)藥品瓶時(shí)的摩擦力，同時(shí)在爪帶下面有一個(gè)托盤與之聯(lián)動(dòng)，防止抓取化學(xué)藥品瓶時(shí)，化學(xué)藥品滑落而發(fā)生危險(xiǎn)。

2.3 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)由槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，槽輪機(jī)構(gòu)由裝有圓柱銷的主動(dòng)撥盤、槽輪和機(jī)架組成，具有間歇運(yùn)動(dòng)特性[4]。槽輪機(jī)構(gòu)使傳輸過程更平穩(wěn)、更準(zhǔn)確。圖3為槽輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。此外，轉(zhuǎn)盤采用樣條曲線建模，以適應(yīng)不同直徑尺寸的化學(xué)藥品瓶。

圖3 槽輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.4 行走系統(tǒng)

圖4為行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖。如圖4所示，行走系統(tǒng)由框架、麥克納姆輪、輪組、減震器等組成。其中，每個(gè)輪組裝配有兩個(gè)減震器，減震效果好。麥克納姆輪可全方位移動(dòng)，由輪轂和圍繞輪轂的輥?zhàn)咏M成，麥克納姆輪的輥?zhàn)虞S線和輪轂軸線夾角成45°。在輪轂的輪緣上斜向分布著許多小輪子，即輥?zhàn)?，故麥克納姆輪可以橫向滑移。輥?zhàn)邮且环N沒有動(dòng)力的小滾子，小滾子的母線很特殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，故該輪能夠連續(xù)地向前滾動(dòng)[5-6]。由4個(gè)這種麥克納姆輪加以組合，可實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能。

圖4 行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2.5 避障系統(tǒng)

小車完成搬運(yùn)是以導(dǎo)航控制為基礎(chǔ)條件的。假設(shè)小車和障礙物是一個(gè)粒子和一個(gè)近似多邊形的關(guān)系，其每個(gè)頂點(diǎn)僅通過線段來連接，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行路徑規(guī)劃。這個(gè)問題則轉(zhuǎn)變?yōu)椴檎移鹗键c(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)之間的最短線段的集合，即線不能通過障礙物多邊形。路徑規(guī)劃是導(dǎo)航中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，本文使用可視圖法。導(dǎo)航控制算法[7]決定小車行為，使用A*算法尋找最短路徑，對(duì)硬件的要求低，成本低。當(dāng)環(huán)境較復(fù)雜時(shí)，由于查找到的是線段，小車與障礙物之間容易發(fā)生相互碰撞，搜索時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，但仍滿足當(dāng)前的生產(chǎn)運(yùn)輸需要。

小車避障策略采用了直線運(yùn)動(dòng)和圓弧運(yùn)動(dòng)的方式。當(dāng)障礙物離小車比較遠(yuǎn)或者對(duì)小車的前進(jìn)路線沒有影響時(shí)，采用直線運(yùn)動(dòng)方式；當(dāng)障礙物對(duì)小車的行進(jìn)方向產(chǎn)生影響時(shí)，采用圓弧運(yùn)動(dòng)方式[8]。

小車運(yùn)動(dòng)區(qū)域的劃分示意圖和圓弧運(yùn)動(dòng)示意圖，分別見圖5和第104頁(yè)圖6。

圖5 劃分示意圖

圖6 圓弧運(yùn)動(dòng)示意圖

3 小車主要控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小車的底盤電機(jī)采用DJI3508，機(jī)械臂電機(jī)使用DJI6020。主控板通過控制器域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）接口實(shí)現(xiàn)與電機(jī)的通信，使用比例-積分-微分（Proportion-Integration-Differentiation，PID）算法使運(yùn)動(dòng)更加精準(zhǔn)。

圖7為硬件連接圖。將GM6020電機(jī)CAN、脈沖寬度調(diào)制（Pulse-Width Modulation，PWM）和電源線分別連接到開發(fā)板的CAN1、TIM1和24 V可控電源輸出接口上。此外，還用到陀螺儀、超聲波、激光測(cè)距等模塊共同實(shí)現(xiàn)功能。

圖7 硬件連接圖

4 結(jié)論

綜上所述，危險(xiǎn)化學(xué)藥品自動(dòng)搬運(yùn)和存儲(chǔ)小車具有自動(dòng)化、可全方位運(yùn)動(dòng)、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可代替人工進(jìn)行危險(xiǎn)化學(xué)藥品搬運(yùn)和存儲(chǔ)的工作。車身具有升降、水平移動(dòng)等功能，且小車具有視覺避障系統(tǒng)，工作過程無需鋪線或鋪設(shè)軌道,不受空間、道路和場(chǎng)地的限制，柔性好，工作靈活。因此，危險(xiǎn)化學(xué)藥品自動(dòng)搬運(yùn)和存儲(chǔ)小車的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。