常浩 顧振超 竇巖 沈永楠 蔣鑫 張鳳草

(常熟理工學(xué)院 江蘇常熟 215500)

隨著科技信息化的高速的發(fā)展，大型企業(yè)工廠的材料貨物搬運成為重要的一環(huán)。如何高效率、自動化、智能化的完成將生產(chǎn)、制造、搬運等一系列工作實現(xiàn)自動化和智能化是人們一直所需要探索和研究的。傳統(tǒng)的工業(yè)搬運靠的是人為駕駛叉車進行貨物搬運，我們的產(chǎn)品可以完全依靠智能實時控制，節(jié)約了人力消耗。對于以往的大型貨物只能一個一個去裝卸，我們的機器人可以依靠機械手臂來實現(xiàn)大規(guī)模的搬運，提高了工作效率。同時我們的設(shè)備也可以避免一些意外事故的發(fā)生。所以智能搬運機器人對于現(xiàn)代工業(yè)有著很大的發(fā)展前景。本智能機器人意在實現(xiàn)自動化搬運以及實時控制。

1 機器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

1.1 機器人車體結(jié)構(gòu)及工作原理

車體由門架、鏈條、遮板、配重塊、輪胎、支架組成。整體采用長方體形狀，輪胎采用柔性材料，兩側(cè)對稱分布，使受力均勻。門架與整體為剛性連接，起支撐固定的作用。支架下方有外伸桿連接在轉(zhuǎn)動軸上，采用鏈條與門架連接形成動力傳送。配重塊位于底座內(nèi)部，設(shè)有燕尾型導(dǎo)軌，可在其上方前后滑動，通過智能系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)重塊的位置，進而實現(xiàn)整體裝置在任何場景下仍保持整體的平衡，遮板放置在配重塊的上側(cè)，便于后期的維修和內(nèi)部的防塵，保證導(dǎo)軌的清潔，避免因與外部接觸而造成損壞，使平衡不能精準(zhǔn)。底座上表面前側(cè)共有8個螺紋孔，通過螺紋連接安裝兩只液壓機械手臂。當(dāng)裝卸貨物時，門架帶動支架，完成貨物放置，配重塊整體平衡，車輛進行行駛，完成貨物運輸。

1.2 液壓機械手臂

圖1 智能工業(yè)搬運機器人整體示意圖

液壓機械手臂包括連接桿、活塞、電機箱、層板、支座板、大小齒輪、壓盤、和底座。底座通過螺釘連接固定在車體上，上方依次連接大小齒輪、支座板液壓軸、電機箱、壓盤。三種連接桿由螺栓連接固定，最后與壓盤連接，整個手臂的周向轉(zhuǎn)動通過大齒輪與小齒輪之間嚙合傳動來實現(xiàn)，進而實現(xiàn)貨物的轉(zhuǎn)移，壓盤由電機箱控制液壓系統(tǒng)往復(fù)運動產(chǎn)生壓緊力實現(xiàn)壓緊貨物。上半部分的工作系統(tǒng)和下半部分的動力系統(tǒng)則通過上層板與支座板實現(xiàn)連接固定，并且通過連接軸與齒輪連接并一起周向移動。

1.3 整體裝置的具體實施流程

使用時，內(nèi)置的控制系統(tǒng)發(fā)出指令，車輛整體（見圖1）行駛到達貨物前方，車輛停止，并利用外設(shè)的紅外測量系統(tǒng)來測量物體的位置以及質(zhì)量，在確保安全可行的條件下裝夾物體。由第一電動機帶動鏈齒輪和鏈條實現(xiàn)支架的向上勻速運動，讓物體實現(xiàn)抬高。此時車體內(nèi)部平衡系統(tǒng)通過控制柜計算車輛整體的受力大小，然后由電動機帶動配重塊在燕尾導(dǎo)軌上前后左右滑動來保持車輛的整體平衡。第二電動機使大小齒輪嚙合帶動傳動軸讓機械手臂實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動，當(dāng)機械手臂轉(zhuǎn)動到物體區(qū)域附近時，齒輪停止轉(zhuǎn)動。此時機械手臂下方的液壓裝置開始啟動，動力傳輸?shù)綁罕P產(chǎn)生壓緊力，從而慢慢的將物體在支架和壓盤之間固定。貨物固定后，平衡系統(tǒng)再次調(diào)整配重塊，使車輛整體平衡。控制柜計算輸出運動路線，攝像感應(yīng)監(jiān)測道路狀況控制車輛行駛。到達貨物堆放指定地點后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，使電動機實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，帶動各部件執(zhí)行相反工作步驟，放下貨物，完成搬運工作。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機器人整體控制系統(tǒng)的設(shè)計

搬運機器人的運動行駛，采用無人駕駛技術(shù)，由外部的攝像感應(yīng)裝置，監(jiān)測機器人行駛過程中的道路狀況，實時傳輸?shù)娇刂菩酒?，計算安全可靠的運動路線，同時平衡機器人的整體受力，防止發(fā)生側(cè)翻等意外事故。用戶可通過控制系統(tǒng)界面發(fā)出指令，內(nèi)部預(yù)設(shè)的完整程序進而控制電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)行駛、裝卸貨物等功能。機器人上有無線連接裝置，可以通過物聯(lián)網(wǎng)模塊連接以太網(wǎng)或局域網(wǎng)，實現(xiàn)在電腦、手機APP及專業(yè)的通訊設(shè)備上使用控制操作。

圖2 典型的PID算法框圖

2.2 平衡系統(tǒng)的設(shè)計

由門架上的感應(yīng)測量系統(tǒng)測量貨物質(zhì)量大小，傳回控制芯片，在微控制器中以PID算法（見圖2），并將計算所得數(shù)值通過PWM方式傳回電動機芯片，告知滑移距離調(diào)整配重塊的位置，從而完成車輛的前后平衡。行駛中，采用最常使用的PI控制器，芯片根據(jù)攝像感應(yīng)系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，計算位置參數(shù)，電動機運轉(zhuǎn)使配重塊移動的對應(yīng)位置，電動機調(diào)整機器人的運動速度，兩者相互配合，使其平穩(wěn)工作，并且根據(jù)感應(yīng)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)實時調(diào)整。

2.3 裝卸貨物控制系統(tǒng)的設(shè)計

采用PLC程序進行動作控制，當(dāng)用戶在操作界面發(fā)出工作指令后，按照輸入的路線行駛到貨物面前。點擊裝夾指令，控制柜測量質(zhì)量，第二電動機旋轉(zhuǎn)調(diào)整平衡，第一電動機旋轉(zhuǎn)，門架、支架工作抬升貨物，機械手臂上的液壓系統(tǒng)開始工作，通過連接桿傳遞壓緊力到壓盤，固定貨物。

運輸?shù)截浳镏付ǘ逊诺攸c后，點擊卸放指令，執(zhí)行反方向工作程序，電動機反轉(zhuǎn)，放下貨物，同時反饋信息到操作界面，完成卸放工作，方便用戶進行下一步操作。

3 結(jié)語

在科技快速發(fā)展的時代，加快工業(yè)的發(fā)展是經(jīng)濟社會的重要一部分，智能化、自動化已成為時代潮流。智能工業(yè)搬運機器人的使用普及，可以滿足大型制造工廠的大質(zhì)量貨物運輸需求，也為企業(yè)的整體升級降本提供了便利。隨著智能化和自動化產(chǎn)品不斷的出現(xiàn)在大眾面前，相信在不久將會被使用在企業(yè)工廠當(dāng)中。