李淼鑫 劉炎楊 劉竟波 項波

摘? 要：近年來隨著電商的崛起，快遞物流行業(yè)也進(jìn)行了翻天覆地的變化，各大小省市每天的物流量也在逐年增漲，但是各地的物流分揀依舊依靠人工進(jìn)行，如今已經(jīng)進(jìn)入智能化，自動化的時代，人工分揀不僅會出現(xiàn)分揀錯誤的情況，而且工作效率很低，所以一款可以智能分揀的機(jī)器人就顯得尤為重要。該項目為一款智能化物流搬運(yùn)機(jī)器人，機(jī)器人內(nèi)部集成有一款高自由度且?guī)恢梅答伒臋C(jī)械臂，可以連接網(wǎng)絡(luò)接收搬運(yùn)任務(wù)，物流識別系統(tǒng)，以及一些其他功能。同時項目相比較市面其他機(jī)器人，具有研發(fā)成本低，操作簡單，工作效率高等特點。別項目的研發(fā)致力于解決物流貨物分揀和搬運(yùn)問題，幫助各地區(qū)物流分揀人員提高效率，節(jié)省人工資源，將智能機(jī)器人融入人們的日常生活中。

關(guān)鍵詞：智能化; 自動化; 分揀機(jī)器人

1 引言

目前物流行業(yè)中，主要的勞力環(huán)節(jié)集中在物流分揀和搬運(yùn)方面，但是由于近年來國家日益發(fā)展，人民生活水平的提高，體力勞動者也漸漸減少，并且隨著時間的推移，體力勞動只會更加罕見，而這些最基礎(chǔ)的工作又不能缺失，所以這些純體力勞動的工作必然要被機(jī)器所代替，同時使用機(jī)器不僅可以節(jié)省財力，也能保證人員安全，更加省心省力。

2? ?原理與設(shè)計

項目的設(shè)計理念是打造一款可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)物流任務(wù)，對物流進(jìn)行搬運(yùn)和分揀，進(jìn)而節(jié)省勞動力;機(jī)器人設(shè)計為三段結(jié)構(gòu)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)物流平穩(wěn)運(yùn)輸和機(jī)器人的全方位移動，機(jī)器人底盤采用二段式車輛設(shè)計，使用麥克納姆輪實現(xiàn)全方位移動;二層為空置層，設(shè)計有貨物卡扣結(jié)構(gòu)，保證物流在運(yùn)輸過程中的穩(wěn)定;第三層安裝多自由度機(jī)械臂，實現(xiàn)物流搬運(yùn)過程，同時機(jī)械臂具備位置反饋功能，可進(jìn)行遙控教點，控制方式簡單等特點（結(jié)構(gòu)如圖1所示）。

3? ?硬件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1硬件設(shè)計

該智能物流搬運(yùn)小車的硬件設(shè)計使用多片STM32單片機(jī)相互協(xié)調(diào)進(jìn)行工作、使用ESP8266連接物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)取物流任務(wù)碼、利用openmv進(jìn)行物流識別、采用工業(yè)級飛特總線舵機(jī)自行設(shè)計機(jī)械臂，使用特制的遙控手柄可以進(jìn)行位置校點、使用麥克納姆輪可實現(xiàn)全方位移動如圖2所示，同時電機(jī)使用三項無刷電機(jī)，已進(jìn)行速度閉環(huán)處理。

產(chǎn)品使用綠色能源，使用12V航模電池進(jìn)行供電，首先通過三個工業(yè)級降壓模塊分多路降低為7.2V、5V、3.3V，其中機(jī)械臂和電機(jī)使用12V電源，機(jī)械爪使用7.2V供電，5V為傳感器，顯示和物料識別電源，3.3V為單片機(jī)工作電壓;整個作品中共使用了7片單片機(jī)，其中四片進(jìn)行路徑識別，一片用了圖像識別，一片用來位置識別，一片用來處理所有數(shù)據(jù);制作過程中考慮到電源干擾，將電路板進(jìn)行了分例設(shè)計，其中主控電路為單獨一輛，并且大部分為信號線，傳感器也為小電流傳感器，另外一塊為驅(qū)動板，整個機(jī)器人運(yùn)動中產(chǎn)生的大電流多從此電路板中發(fā)出，保證信號的純凈，并且可能在運(yùn)動中產(chǎn)生大電流的設(shè)備信號線進(jìn)行單向處理，使其無法形成反擊電動勢擊壞單片機(jī)。

3.3機(jī)械臂設(shè)計

我們根據(jù)物理力學(xué)知識和參考目前市面上成熟的工業(yè)機(jī)械臂，決定采用三段式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，在想法初立階段，我們設(shè)計了圖3中的機(jī)械臂，該機(jī)械臂其實已基本滿足了我們的使用需求，但是在實際使用中，我們發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂存在抖動現(xiàn)象，同時在不改變此機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)了進(jìn)行了多款舵機(jī)測試，均存在此問題，同時在使用中舵溫度過高。

機(jī)械臂抖動無疑會增加分揀的準(zhǔn)確性，通過力矩計算，我們發(fā)現(xiàn)初代機(jī)械臂存在不合理的設(shè)計，于是在數(shù)據(jù)的加持下我們設(shè)計了第二款機(jī)械臂，并采用總線舵機(jī)，使用總線舵機(jī)的好處是我們可以隨時得知機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的相應(yīng)位置，并且與理想位置進(jìn)行偏差計算，實現(xiàn)機(jī)械臂的位置閉環(huán)，這樣的處理無疑使機(jī)械臂的準(zhǔn)確度實現(xiàn)質(zhì)的變化，圖4是我們的二代機(jī)械臂。

但是二代機(jī)械臂在長時間工作下依舊會出現(xiàn)抖動問題，相比較初代機(jī)械臂雖然提升了不少，但是依舊有改進(jìn)空間，于是我們設(shè)計了圖5所示的第三代機(jī)械臂，該款機(jī)械臂添加了可條件力臂和關(guān)節(jié)的功能，可自主修改臂長，同時保留的二代機(jī)械臂的特點，同樣使用總線舵機(jī)，可實現(xiàn)閉環(huán)操作。

3.4手抓設(shè)計

由于機(jī)械的局限性，我們實驗了多種手抓的設(shè)計方式，但是除了仿生手外沒有其他的結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)萬能抓取，最終我們決定拓展受力面積來穩(wěn)固物料抓取，就是在機(jī)械爪的上面和下面添加樹脂打印的防滑齒，我們可以根據(jù)物料來修改手抓上的防滑齒，進(jìn)行不同物料的搬運(yùn)如圖6所示。

3.5程序流程

機(jī)器人在未送到搬運(yùn)指令前，在任務(wù)等待區(qū)等待搬運(yùn)任務(wù)碼的發(fā)起，等到發(fā)送任務(wù)碼后機(jī)器人獲得出發(fā)指令，前往貨車?？刻幇徇\(yùn)物流到消毒場所進(jìn)行消毒處理，而后掃描物流上的二維碼，獲取二維碼上的二級地區(qū)，進(jìn)行第二次搬運(yùn)和分揀，當(dāng)前任務(wù)完成后，返回任務(wù)等待區(qū)等待系統(tǒng)發(fā)放新的任務(wù)。

整個搬運(yùn)過程及如上所示，但為了使貨物搬運(yùn)準(zhǔn)確，我們還需要進(jìn)行圖像處理和尋路識別，通過自制的九路尋跡傳感器，可以在不同環(huán)境下學(xué)習(xí)當(dāng)前環(huán)境的光線，和閾值進(jìn)行對比，而后把傳感器收到的模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，把信號發(fā)送給主處理器，圖像處理的方法與其類似。

4 結(jié) 論

如今社會，人民依舊還處在一個探索階段，并且我國人民還未能把自動化和智能化與自己的生活結(jié)合起來，雖然目前社會的主要勞動力還是一些85后、90后，但是早晚會有年輕的一代接手這個社會，可是如今的新一代青年多半是嬌生慣養(yǎng)長大的，他們的思維活躍，實現(xiàn)自動化的重?fù)?dān)必將由他們擔(dān)起，到那時，一些繁瑣的勞動就會被機(jī)器人所代替，所以我們處于時代的開始，是一個探索階段，未來會有更好的自動化、智能化的產(chǎn)品面世，我們需要不斷學(xué)習(xí)，不斷創(chuàng)新，才能不被這個社會所淘汰;本產(chǎn)品方便二次開發(fā)，未來的發(fā)展也會向模塊化方向拓展，使機(jī)器人可以適應(yīng)更多情況的實用。

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天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目，項目編號：0808