陳祥龍 劉恩昌 姚文博 華北水利水電大學機械學院 河南省鄭州市 450045

1 機器人系統(tǒng)概述

全自動物料搬運機器人在設計時運用了模塊化思想,符合當前自動化與模塊化發(fā)展趨勢，與現(xiàn)階段車間物料搬運作業(yè)有較高的耦合性和可開發(fā)性，能夠適應不同物料搬運作業(yè)條件與搬運任務。

搬運機器人可自主循跡至任務區(qū)讀取任務二維碼，自主進行任務要求處理和路徑規(guī)劃，然后自動運行至物料提取區(qū)按搬運要求進行物料抓取，再移動至物料擺放區(qū)進行物料的放置，整個過程無需人工操作與遙控，減少了人工搬運的效率低下、人工成本高以及安全隱患問題，在物料識別方面運用了顏色傳感器來識別物料種類以及物料的位置，以此更好地進行搬運任務的實現(xiàn)。該全自動物料搬運機器人系統(tǒng)具有效率高，適用范圍廣，無需人工輔助，安全穩(wěn)定等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設計

2.1 設計方法

設計時利用機械繪圖軟件對搬運機器人進行建模和運動仿真，利用有限元分析軟件對整體進行了有限元受力分析。在結(jié)構(gòu)方面，利用激光切割機切割亞克力板以此制作車架及機械臂下部旋轉(zhuǎn)模塊，利用3D打印機來打印所設計的爪子三維模型作為搬運機器人的抓取手爪。經(jīng)過多輪分析，該設計結(jié)構(gòu)滿足剛度與強度要求。

2.2 機械結(jié)構(gòu)簡述

圖一 物料搬運機器人組裝實物

結(jié)構(gòu)設計特色說明：

機械臂：小車機械臂采用五個舵機聯(lián)動控制，擁有五個自由度，大大降低了機械臂抓取和放置的運動時間，同時提高機械臂的穩(wěn)定性。

機械手抓：機器人機械手抓部分采取上下兩層設計，提高物料抓取能力和穩(wěn)定性，同時柔性緩沖結(jié)構(gòu)可以使物料抓取更加穩(wěn)定而且一定程度上減少了舵機因驟停導致的機械損傷，起到保護舵機的作用。

定位系統(tǒng)：電機編碼器給定搬運車行駛距離，有助于搬運車實現(xiàn)精準定位。

3 pcb板圖設計與電路搭建

PCB板將mega2560主控芯片和L298N電機驅(qū)動集合，做成集成電路。并將其他物料搬運所需傳感器引腳簡化整合，如圖二所示。

該PCB板中顏色傳感器、二維碼識別模塊、四個灰度模擬傳感器、兩個數(shù)字紅外傳感器這些傳感器的GND、VCC、信號引腳被設計于圖示下方處。構(gòu)成機械臂的五個舵機的引腳被放置于圖示PCB板上方位置處。四個電機驅(qū)動模塊和電機引腳放置于PCB板四角位置。另外，該集成電路板附帶WIFI通訊模塊（位于圖示芯片左側(cè)），并分別帶有5V（傳感器供電）、7V（驅(qū)動舵機）、12V（L298N模塊供電）電源供電引腳及其地線引腳。極大地節(jié)省了器件使用數(shù)量、簡化的電路連接方式，并最大程度的減輕機器人重量，使機器人的整個穩(wěn)定性能得到了大幅度提高。

圖二pcb板圖

機器人電路系統(tǒng)由電源模塊、穩(wěn)壓模塊、移動模塊、循跡模塊、任務識別處理模塊、抓取模塊以及主控板七部分組成。其中電源模塊采用12v2200毫安直流電源，穩(wěn)壓模塊采用LM2596恒流恒壓電源模塊給用電器提供穩(wěn)定的7v驅(qū)動電壓，能夠有效保持機器人搬運時的穩(wěn)定性和準確性。移動模塊采用GM37—520直流減速電機和麥克納姆輪，可以保證搬運平臺全向移動，具有極強的靈活性和高效性。循跡模塊采用模擬灰度傳感器，可以進行差分方法，更能適應更廣范圍的工作光線狀況，而不是像如紅外傳感器那樣只能輸出數(shù)字值，減少了尋跡過程中發(fā)生脫離軌跡的概率。任務識別處理模塊采用GM65掃描設備模塊，其優(yōu)點是功耗低，工作電流小于150mA，一體化設計，體積小準確性高；顏色識別模塊采用GY—31 TCS230顏色識別傳感器，可以讀出物料的RGB值，進行RGB-HSV轉(zhuǎn)換進行色域分析，從而可以讀出不同物料的顏色參數(shù)。抓取模塊采用自行設計的機械手爪與DS3230舵機配合，實現(xiàn)物料的抓取與擺放。

4 物料搬運系統(tǒng)控制算法設計與優(yōu)化

內(nèi)部程序主要有三大模塊構(gòu)成：第一個是運動模塊：運動模塊由小車運動和機械臂運動函數(shù)共同構(gòu)成，內(nèi)部程序中Move函數(shù)內(nèi)嵌PID算法，控制機器人的穩(wěn)定移動和循跡。Action函數(shù)內(nèi)嵌舵機轉(zhuǎn)動函數(shù)，控制機械臂的轉(zhuǎn)動和抓取。第二個是信息模塊：由顏色傳感器和二維碼傳感器模塊組成，二維碼傳感器從外部獲取搬運任務，顏色函數(shù)識別物料顏色信息，再將其與二維碼信息對比。第三個是傳感器定位模塊：四個模擬灰度傳感器幫助小車穩(wěn)定地實現(xiàn)前后方向的循跡。三個數(shù)字傳感器作為觸發(fā)中斷函數(shù)控制小車精準停車。

在此程序設計的過程中搬運車在全程的穩(wěn)定運行取決于很多因素的協(xié)調(diào)配合，其中對搬運車運動穩(wěn)定有重要作用的是PID算法和編碼器定位，其中PID保證了搬運車在物料輸送與前往任務區(qū)讀取任務過程中穩(wěn)定移動，較高速運動時，使車身搖擺幅度降到最低。編碼器幫助搬運車實現(xiàn)精準定位。

4 總結(jié)

本文以提高車間物料搬運高效性與安全性為出發(fā)點，設計開發(fā)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)二維碼物料搬運任務識別，物料識別，自主路徑規(guī)劃，自動循跡，LED顯示搬運任務，物料抓取與擺放，任務完成反饋等功能的全自動物料搬運機器人。經(jīng)組裝調(diào)試測驗，該機器人系統(tǒng)功能穩(wěn)定完善，操作簡單，搬運效率高，投入成本低，響應迅速，實現(xiàn)了自動化智能物料搬運的同時避免了由于人工搬運物料所產(chǎn)生的安全問題。