鄭彩麗 司麗娜 文桂伏

（北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京100144）

0 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，工廠自動(dòng)化程度不斷提高，機(jī)器人或者自動(dòng)化設(shè)備的使用提高了貨物搬運(yùn)、存儲(chǔ)的效率，AGV小車(chē)作為一種輪式機(jī)器人在貨物搬運(yùn)中大幅降低了人力和物力的投入。本文規(guī)劃了三種較為復(fù)雜的場(chǎng)地，設(shè)計(jì)并制作了一種遙控型AVG小車(chē)，這種小車(chē)能實(shí)現(xiàn)爬臺(tái)階、過(guò)斜坡、鉆U形管道、物料顏色和形狀識(shí)別等任務(wù)，進(jìn)而將三種不同顏色和不同形狀的物塊運(yùn)送到指定形狀和位置的放置點(diǎn)中，小車(chē)的導(dǎo)向和輔助升降結(jié)構(gòu)能夠使其適應(yīng)不同的地形，在指定區(qū)域內(nèi)完成貨物搬運(yùn)等任務(wù)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

遙控AGV小車(chē)為采用安卓系統(tǒng)控制的具有搬運(yùn)功能的藍(lán)牙小車(chē)[1]，通過(guò)安裝在Android操作系統(tǒng)上的App程序的手機(jī)（具備藍(lán)牙功能）控制，分別完成直行、上下坡、上下臺(tái)階、鉆內(nèi)洞、轉(zhuǎn)彎、抓取以及搬運(yùn)貨物并放置到指定地點(diǎn)等一系列動(dòng)作，小車(chē)在完成各項(xiàng)任務(wù)后回到出發(fā)區(qū)域。小車(chē)的設(shè)計(jì)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制部分設(shè)計(jì)，在完成AGV小車(chē)的安裝后對(duì)整車(chē)的功能進(jìn)行了測(cè)試。

2 AGV小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求，該遙控型AGV小車(chē)除了完成抓取和搬運(yùn)物料的任務(wù)外，同時(shí)還能越過(guò)場(chǎng)地中設(shè)置的斜坡、臺(tái)階、彎道等障礙，這就需要小車(chē)具備特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)完成相應(yīng)的功能。

2.1 遙控AGV小車(chē)輪子的設(shè)計(jì)與選定

全地形小車(chē)目前普遍見(jiàn)到的是六輪式結(jié)構(gòu)[2]，該結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜并且對(duì)于兩級(jí)以上臺(tái)階的翻越成功率和效率較高，本文規(guī)劃的場(chǎng)地為兩級(jí)臺(tái)階，如圖2所示，綜合考慮后采用一種更簡(jiǎn)單的四輪結(jié)構(gòu)。很明顯普通的四輪結(jié)構(gòu)很難完美越過(guò)障礙物，為了解決該問(wèn)題就必須增加其他輔助結(jié)構(gòu)。四輪結(jié)構(gòu)一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，行動(dòng)靈活，同時(shí)也能在很大程度上降低操作難度。

圖2 二級(jí)臺(tái)階

圖3 雙邊窄橋

采用四輪結(jié)構(gòu)時(shí)小車(chē)與地面及斜坡的摩擦力也會(huì)有所減小，可能無(wú)法翻越斜坡。為了解決這一問(wèn)題，選擇黑色橡膠輪來(lái)增大小車(chē)與地面及障礙物表面的摩擦力，并且能夠提高小車(chē)行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性。

2.2 遙控型AGV小車(chē)輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

四輪小車(chē)難以越過(guò)臺(tái)階的主要原因是小車(chē)受限于車(chē)長(zhǎng)、輪徑以及車(chē)體的動(dòng)力大小。當(dāng)小車(chē)前面兩輪與第一級(jí)臺(tái)階接觸時(shí)，就需要四驅(qū)式小車(chē)的各個(gè)動(dòng)力源提供足夠的推力，使得小車(chē)獲得足夠的牽引力來(lái)越過(guò)第一級(jí)臺(tái)階。可見(jiàn)，只要輪徑合適，加之動(dòng)力足夠的情況下，小車(chē)越過(guò)第一級(jí)臺(tái)階的難度不大。難點(diǎn)在于小車(chē)如何使得前輪登上二級(jí)臺(tái)階，后輪登上一級(jí)臺(tái)階，因?yàn)榇朔N狀態(tài)更有利于小車(chē)的后續(xù)抓取物料以及小車(chē)姿態(tài)的調(diào)節(jié)。因此，在這種情況下，沒(méi)有任何輔助機(jī)構(gòu)的小車(chē)就很難實(shí)現(xiàn)功能。

考慮到一級(jí)臺(tái)階與二級(jí)臺(tái)階之間的余量，無(wú)法讓小車(chē)整體同時(shí)在這個(gè)余量范圍內(nèi)，此時(shí)小車(chē)后輪在地面，前輪在一級(jí)臺(tái)階上，為了減小小車(chē)動(dòng)力不足的影響，可以通過(guò)一個(gè)結(jié)構(gòu)輔助前輪“爬坡”，結(jié)構(gòu)的三維模型如圖4所示，放下此支撐結(jié)構(gòu)時(shí)小車(chē)前輪抬高，在后輪的推動(dòng)下，使得小車(chē)整體向前移動(dòng)一小段距離，此時(shí)前輪處于抬起狀態(tài)，當(dāng)前輪的底部圓心越上第二級(jí)臺(tái)階時(shí)，收起該支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)繼續(xù)讓后輪提供動(dòng)力，前輪接觸二級(jí)臺(tái)階上部平面，此時(shí)小車(chē)再一次獲得四驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)調(diào)整后可以達(dá)到抓取指定地點(diǎn)物體的姿態(tài)，再配合機(jī)械臂機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的抓取。

圖4 輔助結(jié)構(gòu)的三維模型

2.3 AGV小車(chē)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

機(jī)械臂是小車(chē)能夠順利調(diào)整姿態(tài)并完成抓取的關(guān)鍵部件。設(shè)計(jì)機(jī)械臂需要考慮重點(diǎn)是：機(jī)械臂關(guān)節(jié)的自由度以及各個(gè)關(guān)節(jié)的尺寸。原因如下：（1）自由度不夠的話，很明顯會(huì)有抓取盲區(qū)；（2）自由度多余的話，使得整體的機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，同時(shí)增加操作手的操作難度。因此，需要通過(guò)分析與實(shí)際模擬，設(shè)計(jì)確定的機(jī)械臂的自由度數(shù)。

對(duì)于遙控小車(chē)來(lái)說(shuō)，無(wú)須云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，反而可以保證小車(chē)在某一個(gè)方向上的準(zhǔn)確性。而全自動(dòng)小車(chē)為了滿足機(jī)械臂可以抓起斜橋、U形管道以及二級(jí)臺(tái)階上的物塊，同時(shí)便于抓取時(shí)的動(dòng)作調(diào)整，經(jīng)過(guò)綜合計(jì)算與仿真，設(shè)計(jì)的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如下：機(jī)械臂本身選擇三自由度、加上一個(gè)與機(jī)械爪連接部分的手腕部的旋轉(zhuǎn)自由度，以及爪子的開(kāi)合自由度，共可以實(shí)現(xiàn)五個(gè)自由度。機(jī)械臂尺寸方面，由于采用舵機(jī)串聯(lián)開(kāi)環(huán)連接，因此采用市面上的舵機(jī)標(biāo)準(zhǔn)支架連接即可。

2.4 遙控AGV小車(chē)手爪的設(shè)計(jì)

手爪對(duì)物體的抓取至關(guān)重要，只有準(zhǔn)確的抓取才能保證后面的搬運(yùn)和放置功能。如果抓取位置不合適，出現(xiàn)放置失誤或抓取不牢固的情況，甚至物料在運(yùn)輸過(guò)程中掉落。因此手爪設(shè)計(jì)必須結(jié)合物料尺寸和形狀進(jìn)行。物料形狀分為單圓柱型、圓柱和長(zhǎng)方體拼接型以及正六棱柱型。因此，單純的圓弧形手爪只能保證圓柱體型的物料抓取精度，很難保證正六棱柱型物體的抓取，而平行手爪又不能保證圓柱體型物料的抓取和運(yùn)輸穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)，最終采取圓弧形手爪并用泡沫材料對(duì)手爪包裹的方案。在手爪保持一定抓緊力的時(shí)候，泡沫材料會(huì)發(fā)生較大形變，從而與各物料的接觸面積增大，同時(shí)泡沫材料與亞克力或金屬材料相比，還可以在很大程度上增大摩擦力。同時(shí)，為了進(jìn)一步保障抓取的可靠，手爪部分縱向布置三層，手爪結(jié)構(gòu)的三維模型如圖5所示。

圖5 手爪的三維模型

2.5 遙控AGV小車(chē)前置導(dǎo)向輪設(shè)計(jì)

前置導(dǎo)向輪的作用就是便于小車(chē)順利通過(guò)U形管道，尺寸要求如圖6所示。小車(chē)在通過(guò)U形管道時(shí)，若操作偏差就會(huì)導(dǎo)致小車(chē)被卡住。導(dǎo)向輪的局部自由度就可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，由于兩側(cè)導(dǎo)向輪的整體寬度大于小車(chē)底板寬度，使得小車(chē)整體能夠順著導(dǎo)向輪和管道壁的滾動(dòng)滑移順利通過(guò)管道。導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 U形管道

圖7 前置導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)

2.6 遙控AGV小車(chē)底板設(shè)計(jì)

底板是機(jī)械臂安裝的基臺(tái)，是輪子、控制板、驅(qū)動(dòng)板以及電源線和信號(hào)線的載體，因此底板的設(shè)計(jì)需要留足夠的空間便于布置以上部件，還要盡可能地設(shè)法減重，以便于減輕整車(chē)質(zhì)量。底板的具體形狀和尺寸以及一些定位孔的不確定，需要根據(jù)實(shí)際的零部件的安裝和布局進(jìn)行多次調(diào)整。

3 AGV小車(chē)控制部分設(shè)計(jì)

控制部分主要包括攝像頭控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)控制和藍(lán)牙模塊的連接，整個(gè)控制系統(tǒng)采用12 V的鉛蓄電池供電，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換芯片得到5.0 V和3.3 V的電壓為其他芯片供電，控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

控制對(duì)象主要包括直流電機(jī)、機(jī)械臂及底部輔助機(jī)構(gòu)的舵機(jī)。直流電機(jī)選擇最簡(jiǎn)單實(shí)用的TT馬達(dá)，為了方便對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，統(tǒng)一選擇15 kg扭矩的單或雙軸數(shù)字舵機(jī)。選擇型號(hào)為HC-05的藍(lán)牙模塊，手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙信號(hào)傳輸?shù)紿C-05上，再通過(guò)串口和微控制器進(jìn)行通信。此外，通過(guò)移動(dòng)端的App給AGV小車(chē)發(fā)送不同的控制指令。選擇Arduino mega 2 560作為本次電控部分的主控板，其豐富的接口，數(shù)字I/O口，模擬I/O口，支持多種串口通信的特點(diǎn)，加之使用簡(jiǎn)單，不需要相對(duì)復(fù)雜的底層代碼就可完成控制功能[3]。選用可編程的攝像頭Openmv[4，5]進(jìn)行物料的拍照和顏色識(shí)別，內(nèi)置圖像處理功能，處理信號(hào)容易，能降低編程難度和減輕主控制版的負(fù)荷。使用數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示電池的電壓以監(jiān)測(cè)電池的電量，當(dāng)電池的電量過(guò)低時(shí)就會(huì)通過(guò)蜂鳴器發(fā)出提示信息。系統(tǒng)的程序流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)程序流程圖

4 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

完成AGV小車(chē)各部分的軟硬件設(shè)計(jì)和組裝后得到的實(shí)物圖如圖10所示，前端的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可以使小車(chē)適應(yīng)管道型的地形，底部的支撐結(jié)構(gòu)可以使小車(chē)的前半部分抬升以爬越臺(tái)階。測(cè)試結(jié)果表明AGV小車(chē)能夠準(zhǔn)確識(shí)別和執(zhí)行移動(dòng)端發(fā)出的控制指令并且完成物料的抓取、搬運(yùn)以及放置到指定位置等任務(wù)。

圖1 不同地形布局平面圖

圖10 AGV小車(chē)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了AGV小車(chē)能夠適應(yīng)多種工作環(huán)境并且能夠完成物體的顏色識(shí)別、抓取、搬運(yùn)和放置到指定位置等任務(wù)，為開(kāi)發(fā)更加智能和自動(dòng)化程度更高的搬運(yùn)機(jī)器人提供了設(shè)計(jì)參考方案。