曹文慧，滿 翼，朱現(xiàn)偉，歐陽幫燕，麻風光，劉長軍

(沈陽工業(yè)大學 化工裝備學院，遼寧 沈陽 111003)

2011～2018年我國AGV市場新增量及增長情況如圖1所示，由此可見，我國對AGV的需求量在逐步增大。

圖1 2011～2018年我國AGV市場新增量及增長情況

1 倉儲物流機器人硬件設計

1.1 系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)

根據(jù)本次機器人所要實現(xiàn)的搬運、導航、避障等功能，對控制系統(tǒng)進行五大模塊的設計：

(1)主控模塊：主要對系統(tǒng)內(nèi)起到各個模塊的平衡作用。

(2)電源及管理模塊：電源是機器人的動力源泉。

(3)運動控制模塊：機器人在接收指令后通過直線行走、轉(zhuǎn)彎等運動到指定位置。

(4)避障模塊：通過紅外光電傳感器檢測障礙物，并及時做出規(guī)避動作。

(5)定位模塊：機器人通過二維碼信息采集技術(shù)進行導航定位，按規(guī)定路線進行運行。

1.2 總體構(gòu)造設計

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

構(gòu)成主要包括搬運機器人的底盤、舉升設施以及傳感器等。物流機器人的底盤是機器人的重要外圍設計，對機器人的整體結(jié)構(gòu)起到支撐作用。

外殼屬于保護部件，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)起保護作用。機器人舉升設施是用來實現(xiàn)舉升、裝卸的關鍵部分，保證機器人可靠行走的部件則為傳感器。

倉儲搬運機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。倉儲物流搬運機器人主體支架由上下兩層組成。其中主要包括控制單元、避障裝置、驅(qū)動裝置、導航定位裝置、舉升設備等部件。

1.3 驅(qū)動方式選擇

圖3 四輪布局

本次設計采用兩輪驅(qū)動方式，為了提高機器人承載重物的能力，選擇使用兩個萬向輪分擔負載。如圖3所示。

此外本次運用Solidworks軟件對機器人的車輪進行設計，并利用以前所制作的3D打印技術(shù)，對機器人車輪進行打印。

1.4 電機選型

出于本次設計的倉儲物流機器人運行速度低，功率也不高，因此，采用直流電機作為驅(qū)動系統(tǒng)足夠滿足此次設計。機器人車體本身重量m1=3 kg，最大負重m2=10 kg，最大移動速度v=0.3 m/s。設最大加速度a=0.3 m2/s，取滑動摩擦系數(shù)μ=0.2，安全裕量k=2，機械傳動效率η=0.8，并假設兩個驅(qū)動電機在理想情況下機械特性、功率曲線一樣，則機器人正常工作時所需總驅(qū)動功率為:

本文采用兩個直流無刷電機進行驅(qū)動，并考慮安全裕量，故單個電機功率需求為：

根據(jù)電機功率進一步計算電機轉(zhuǎn)矩T，本文采用輪子直徑T=650 mm，所需最大轉(zhuǎn)矩為：

T=fr=μ(m1+m2)gr

=0.2×(3+10)×9.8×0.0325=0.8281 N·m

根據(jù)機器人移動速度和驅(qū)動輪輪徑，可計算得到機器人電機所需轉(zhuǎn)速n為：

n=60V/2πr=(60×0.3)/(2π×0.0325)=88.1473 r/min

1.5 供電電池選型

本次研究選用鋰電池作為機器人的動力源泉，所選電池參數(shù)如表1所示。

表1 鋰電池參數(shù)表

1.6 紅外避障模塊選型

如果在行進過程中遇到障礙物擋住發(fā)出的光線，則會使發(fā)射出的紅外光線中的一部分反射回來，通過收光裝置之后，會輸出一個信號，然后經(jīng)過系統(tǒng)的控制所傳遞出的信息使機器人立即停止行進。

2 倉儲物流機器人軟件設計

圖4 功能需求分析圖

倉儲搬運機器人系統(tǒng)的功能需求分析圖如圖4所示，由圖分析機器人需要接收上位機信號并執(zhí)行指令，將貨物搬運至工作區(qū)再返回到出發(fā)區(qū)。途中機器人還需向上位機對機器人的狀態(tài)、信息進行反饋。對于所述要求,倉儲搬運機器人需要具有數(shù)據(jù)采集功能以及搬運等功能。

2.1 二維碼信息采集設計

在模擬搬運環(huán)境中，地面貼有二維碼地標，每個二維碼標志攜帶有位置信息，使用專門模塊掃描二維碼獲取地標信息從而獲取位置信息。

其中數(shù)據(jù)為二維碼對應的位置信息以及是否存在貨架，如果檢測存在貨架，則機器人需要原地旋轉(zhuǎn)180°，并等待舉升機構(gòu)的動作。

2.2 循跡模塊處理設計

倉儲搬運機器人裝有3個灰度傳感器，如圖5所示。

圖5 灰度傳感器分布圖

首先將3個灰度傳感器從左向右分別如圖5編號。機器人沿中心循跡時，②號傳感器能夠檢測，①號、③號傳感器不檢測?；叶葌鞲衅鲯哌^引導線時，傳感器會輸出高信號，STM32首先對高信號進行統(tǒng)計，之后取高信號編號的平均值，與平均值做差，以此來判斷機器人是否偏移，然后進行誤差修正。

2.3 舉升電機控制設計

機器人通過用電動推桿將貨物舉起。本次使用的電動推桿伸縮量可以達到100 mm，使用位置閉環(huán)控制對電機進行控制，反饋電動推桿上下移動的距離則取決于編碼器脈沖數(shù)，由于電動推桿本身自帶限位開關，由此特性來控制是否正常工作。

3 總結(jié)

本次產(chǎn)品有以下特點：(1)采用3D打印技術(shù)制造機器人零部件：使用Solidworks軟件對倉儲搬運機器人的零部件進行設計，通過3D打印技術(shù)打印機器人部分組成零件。(2)二維碼掃描技術(shù)進行指令識別：本機器人主要采用二維碼掃描技術(shù)來進行導航定位并且實現(xiàn)指令的識別。(3)采用四輪設計的驅(qū)動方式：在兩輪驅(qū)動的基礎上，配合兩個萬向從動輪，以此提高倉儲搬運機器人承載重物的能力。(4)實現(xiàn)智能追蹤，擁有避障功能：通過紅外傳感器來實現(xiàn)機器人的尋跡和安全避障。

本次機器人成品圖如圖6所示。

圖6 機器人成品圖