孫鵬偉 石巖 石佳鵬 鐘學(xué)文 卜秋雨 孫宇捷

摘要：隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人在物流行業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。不同于傳統(tǒng)的物流行業(yè)，“機(jī)器人+”物流不僅提升了倉(cāng)儲(chǔ)物流的搬運(yùn)效率，減輕了人類繁重的體力勞動(dòng)，還有助于優(yōu)化資源，提升效益，具有廣闊的發(fā)展前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益。但是，傳統(tǒng)老式物流機(jī)器人的設(shè)計(jì)大多是把夾持機(jī)構(gòu)和搬運(yùn)機(jī)構(gòu)結(jié)合一體化，這可能會(huì)由于貨物大小和形狀的不同以及夾持精度的問(wèn)題給夾持和搬運(yùn)帶來(lái)困難，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的這款智能物流機(jī)器人把夾持和搬運(yùn)機(jī)構(gòu)分成了獨(dú)立的兩部分，加持機(jī)構(gòu)對(duì)貨物進(jìn)行識(shí)別分類，再由不同的搬運(yùn)機(jī)構(gòu)搬運(yùn)到不同的目的地，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的處理。

關(guān)鍵詞：“機(jī)器人+”;物流;夾持;搬運(yùn)

一、概述

未來(lái)物流業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)機(jī)器人技術(shù)的支持。機(jī)器人技術(shù)在物流作業(yè)過(guò)程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，將成為引領(lǐng)現(xiàn)代物流業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的重要因素。

機(jī)器人技術(shù)在裝卸搬運(yùn)中的應(yīng)用裝卸搬運(yùn)是物流系統(tǒng)中最基本的功能要素之一，存在于貨物運(yùn)輸、儲(chǔ)存、包裝、流通加工和配送等過(guò)程中，貫穿于物流作業(yè)的始末。目前，機(jī)器人技術(shù)正在越來(lái)越多的被應(yīng)用于物流的裝卸搬運(yùn)作業(yè)，大大提高了物流系統(tǒng)的效率和效益。搬運(yùn)機(jī)器人的出現(xiàn)不僅可以充分利用工作環(huán)境的空間，提高物料的搬運(yùn)能力，大大節(jié)約裝卸搬運(yùn)過(guò)程中的作業(yè)時(shí)間，提高裝卸效率，還減輕了人類繁重的體力勞動(dòng)。目前已被廣泛應(yīng)用到工廠內(nèi)部工序間的搬運(yùn)、制造系統(tǒng)和物流系統(tǒng)連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)以及國(guó)際化大型港口的集裝箱自動(dòng)搬運(yùn)。^[1]

根據(jù)目前市面上出現(xiàn)的各種物流機(jī)器人，我們知道現(xiàn)在物流機(jī)器人的主流都是主導(dǎo)搬運(yùn)，沒(méi)有夾持和搬運(yùn)一體化的情況，因此，本文設(shè)計(jì)的是貨物夾持分揀和搬運(yùn)可以單獨(dú)作業(yè)的機(jī)器人。

二、系統(tǒng)及硬件設(shè)計(jì)

本機(jī)器人主要分為夾持分揀和搬運(yùn)兩個(gè)部分，夾持機(jī)構(gòu)以O(shè)penMV作為貨物識(shí)別的處理器，由機(jī)械臂將貨物分揀;搬運(yùn)機(jī)構(gòu)以STM32F103RCT6單片機(jī)作為處理器，用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)循跡導(dǎo)航，由超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)避障。

（一）設(shè)計(jì)思路

首先，夾持機(jī)構(gòu)由機(jī)械臂和OpenMV及其擴(kuò)展板組成，通過(guò)OpenMV攝像頭對(duì)貨物進(jìn)行識(shí)別，控制機(jī)械臂對(duì)貨物夾持，分揀到相應(yīng)小車的托盤(pán)上;搬運(yùn)機(jī)構(gòu)由stm32單片機(jī)，電機(jī)，紅外傳感器，超聲波傳感器及小車底盤(pán)組成，通過(guò)提前規(guī)劃好的路徑，小車把貨物搬運(yùn)到相應(yīng)的區(qū)域。

（二）主要模塊

1.OpenMV模塊

OpenMV是一個(gè)開(kāi)源，低成本，功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺(jué)模塊。以STM32F767為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用C語(yǔ)言高效的實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺(jué)算法，通過(guò)其來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同貨物的識(shí)別及空間坐標(biāo)分析，再通過(guò)與pca9685舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板相連控制機(jī)械臂夾取物體。

2.機(jī)械臂模塊

采用六自由度機(jī)械臂，配置六個(gè)MG996舵機(jī)，相當(dāng)于六個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)三維旋轉(zhuǎn)抓取物體，最大抓取重量500g。舵機(jī)具體參數(shù)如下：

尺寸：40.8*20*38mm

重量：55g

速度：4.8V：0.20sec/60°6.0V：0.19sec/60°

扭力：4.8V：13kg-cm

6.0V：15kg-cm

電壓：4.8V-7.2V

空載工作電流：120mA

堵轉(zhuǎn)工作電流：1450mA

響應(yīng)脈寬時(shí)間：≤5usec

角度偏差：回中誤差0度，左右各45°誤差≤3°

齒輪：5級(jí)金屬齒輪組

機(jī)械臂

3.單片機(jī)主板模塊

基于STM32F103RCT6單片機(jī)，與轉(zhuǎn)接板配合使用，具體功能特點(diǎn)如下：

（1）stm32主板支持USB一鍵下載，增加了電壓自保護(hù)，防止燒壞PC端;

（2）stm32主板采用了大容量64腳STM32F103RCT6 ARM芯片，擴(kuò)展出大部分的IO口和AD模擬信號(hào)端口;

（3）stm32主板與轉(zhuǎn)接板很好地對(duì)接起來(lái)，通過(guò)轉(zhuǎn)接板將stm32的IO口全部引出來(lái)，方便連接做實(shí)驗(yàn);

4.循跡模塊

采用紅外傳感器，基于TCRT5000紅外反射傳感器，傳感器由紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管組成，可檢測(cè)反射范圍為1mm～25mm，靈敏度可調(diào)節(jié)。工作時(shí)，紅外發(fā)射管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒(méi)有被反射回來(lái)或反射回來(lái)但強(qiáng)度不夠大時(shí)，紅外接收管一直處于關(guān)閉狀態(tài)，輸出端為高電平，指示燈熄滅;當(dāng)紅外線被反射回來(lái)且強(qiáng)度足夠大時(shí)，紅外接收管飽和，輸出端為低電平，指示燈點(diǎn)亮。

紅外傳感器

5.避障模塊

采用超聲波測(cè)距傳感器，HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器，該模塊可提供2cm-400cm的非 接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)到0.2cm，即障礙物最大檢測(cè)距離為4m，精度為0.2cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2cm;障礙物最小檢測(cè)距離為2cm，滿足設(shè)計(jì)要求。

超聲波測(cè)距傳感器

6.小車底盤(pán)模塊

由1塊鋁合金底板，2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，10個(gè)承重輪，兩條履帶，兩個(gè)電機(jī)組成。

小車底盤(pán)

（二）主要功能

7.循跡

此功能主要利用紅外傳感器，在小車的前端左右分別一個(gè)紅外傳感器，兩紅外傳感器相距的距離約等于所巡黑線的寬度。當(dāng)小車被啟動(dòng)時(shí)，兩個(gè)傳感器同時(shí)開(kāi)始工作，分別檢測(cè)左右兩邊黑線的邊緣，當(dāng)左邊的紅外傳感器接收不到反射回來(lái)的紅外線時(shí)，說(shuō)明左邊的紅外傳感器檢測(cè)到了黑線，此時(shí)單片機(jī)執(zhí)行左轉(zhuǎn)的程序;當(dāng)右邊的紅外傳感器接收不到反射回來(lái)的紅外線時(shí)，說(shuō)明右邊的紅外傳感器檢測(cè)到了黑線，此時(shí)單片機(jī)執(zhí)行右轉(zhuǎn)的程序;當(dāng)左右兩邊的紅外傳感器都能接收到反射回來(lái)的紅外線時(shí)，小車向前直走;否則，小車停下（這種情況一般不會(huì)出現(xiàn)），從而實(shí)現(xiàn)了循跡功能。

8.避障

機(jī)器人進(jìn)行避障時(shí)，我們需要提前探知其前方是否存在障礙物，這樣就可以在行進(jìn)過(guò)程中，自動(dòng)選擇遠(yuǎn)離障礙物的路線。在避障模塊的選擇時(shí)，有兩種選擇，一種是使用紅外避障，還有一種是超聲波避障，這里我們采用超聲波避障。

超聲波避障：首先利用單片機(jī)輸出一個(gè)40kHz的觸發(fā)信號(hào)，把觸發(fā)信號(hào)輸入到超聲波測(cè)距模塊，再由超聲波測(cè)距模塊的發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)單片機(jī)通過(guò)軟件開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物返回，超聲波測(cè)距模塊的接收器收到反射波后通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)回應(yīng)信號(hào)反饋給單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)就立即停止計(jì)時(shí)。由于超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，即S=VT/2，通過(guò)單片機(jī)來(lái)算出距離，當(dāng)達(dá)到安全距離時(shí)，開(kāi)始自動(dòng)避障。

3.貨物識(shí)別與夾取

貨物識(shí)別：

利用OpenMV機(jī)器視覺(jué)選中目標(biāo)色塊，將色彩格式調(diào)換為 LAB Color，記錄L，A，B 三者的最大值（MAX）與最小值（MIN），將LAB的取值范圍設(shè)置為閾值（threshold），將閾值傳入find_blobs函數(shù)中，根據(jù)需求設(shè)定像素點(diǎn)與矩形面積等閾值約束，將攝像頭檢測(cè)到符合目標(biāo)顏色閾值的部分用矩形框標(biāo)識(shí)出。

貨物夾取：

在進(jìn)行貨物識(shí)別完成后，OpenMV通過(guò)多次測(cè)量，精準(zhǔn)獲得物體位置坐標(biāo)（分紅色和綠色），通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)^[2]得到機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)即各個(gè)自由度舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度夾取物塊最后將紅綠物塊放到不同的地方。

三、結(jié)語(yǔ)

本文介紹的物流機(jī)器人可以有效地提高物流效率和質(zhì)量，而且對(duì)保障人身安全、改善勞動(dòng)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約材料消耗以及降低生產(chǎn)成本都具有十分重要的意義。

隨著機(jī)器人技術(shù)不斷進(jìn)步和物流市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，物流機(jī)器人在物流業(yè)中的應(yīng)用范圍和規(guī)模必將逐步擴(kuò)大，物流機(jī)器人將更好、更高效地服務(wù)于物流業(yè)，從而促進(jìn)現(xiàn)代物流業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]紀(jì)壽文，李克強(qiáng).智能化的物流搬運(yùn)機(jī)器人.中國(guó)物流與采購(gòu)設(shè)備與技術(shù)，2014

[2]周友行，何清華，鄧伯祿. 一種改進(jìn)的爬山法優(yōu)化求解冗余機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解[J].機(jī)器人，2003

基金項(xiàng)目：本文系天津市級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目智能物流機(jī)器人研究成果，項(xiàng)目編號(hào)：201810059106

（作者單位：電子信息與自動(dòng)化學(xué)院 中國(guó)民航大學(xué)）