尹翔飛 楊立龍 鄭飛杰

三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 三明 365004

0 引言

近年來，人工成本不斷上漲，各個領(lǐng)域都出現(xiàn)“機(jī)器換人”的現(xiàn)象，工業(yè)領(lǐng)域尤為普遍，工業(yè)機(jī)器人轉(zhuǎn)型智能制造發(fā)展態(tài)勢強勁，前景廣闊[1,2]。工業(yè)機(jī)器人助推制造業(yè)的生產(chǎn)力大幅度提升，商品的存量越來越龐大，而快速、有序、準(zhǔn)確地儲存歸整問題的解決也更加緊迫，智能化的倉儲物品歸整機(jī)器人成為關(guān)注熱點。另外，由于新冠肺炎疫情發(fā)展過程中，有發(fā)現(xiàn)在冷鏈?zhǔn)称吠獍b分離出新冠活病毒的情況[3]，出于對工作人員的生命健康安全的考慮，物流接收、分揀、歸整等過程的工作，需要完全由機(jī)器人代替人工來完成，直至所有物品經(jīng)過全面消毒之后，保證安全的情況下再進(jìn)行人工介入，故倉儲物品分揀歸整類的機(jī)器人更是一度成為焦點。

目前，倉儲物品歸整機(jī)器人主要分為2種：一種是擁有靈活的機(jī)械臂但位置固定不能移動且無法智能控制和無視覺識別功能的純機(jī)械化的操作；另一種是智能化可自由移動搬運物品的機(jī)器人，但它無法在復(fù)雜地形中正常工作，無抓取功能，只能依靠其他輔助設(shè)備完成倉儲規(guī)整。

在許多行業(yè)中，尤其是物流行業(yè)，對貨物的搬運、歸整基本仍為人工完成，無法滿足快速發(fā)展的市場需求，搬運效率低且成本高。另外，無法滿足疫情防控的要求，對工作人員的生命健康安全無法做到完全可控。由市場驗證可知，以機(jī)器人替代人工，既能滿足疫情防控要求，又可提高生產(chǎn)效率，從長遠(yuǎn)來看可降低成本[4,5]。因為物流貨物搬運的場所較復(fù)雜，而當(dāng)下搬運歸整機(jī)器人一般是在環(huán)境良好的場所使用，無法滿足崛起的物流行業(yè)的搬運歸整環(huán)境。所以，為了解決搬運機(jī)器人無法適應(yīng)崎嶇地形、造價高、操作困難等問題，本文設(shè)計了一款造價低、操作簡單、能對貨物進(jìn)行搬運且適應(yīng)各種地形的全地形智能倉儲物品歸整機(jī)器人，提高物流等搬運歸整量大的行業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 運行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著運行工作環(huán)境復(fù)雜程度的增加，對全地形智能倉儲物品歸整機(jī)器人的性能要求也隨之提升，但仍存在轉(zhuǎn)向過程中車身不穩(wěn)的問題[6]。對此，出現(xiàn)了一些改善機(jī)器人運行震動問題的方法，如通過預(yù)先編制智能算法來控制車身運動姿態(tài)，從而改善車身震動程度[7]。通過設(shè)計出不同類型的行走部件，改善行走部件與地面的貼合度，進(jìn)而改善車身震動狀態(tài)[8]。然而，對于較復(fù)雜的搬運歸整場所，這些方法都不能完全解決震動影響機(jī)器人運行穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)在各種地形條件下的搬運及其他功能，全地形智能倉儲物品歸整機(jī)器人的可靠運行是保障以上工作能順利完成的必要條件，而運行系統(tǒng)的車身運動穩(wěn)定性是其可靠運行的重要前提[9，10]，故對改善車身運動穩(wěn)定性的研究具有重要意義。

車身運動穩(wěn)定性是指機(jī)器人在復(fù)雜的地形上運行時車身震動小，物品偏移度小，保障物品完好運送到指定位置，震動小主要靠運行系統(tǒng)中的減震器來實現(xiàn)，本文針對需求進(jìn)行全新設(shè)計。如圖1所示，運行系統(tǒng)由運行車身、減震器、履帶、驅(qū)動輪、承重輪、誘導(dǎo)輪等組成。運行車身作為框架，連接固定住除履帶的其他部件，履帶包絡(luò)住除車身的其他部件。

圖1 運行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示圖

如圖2所示，減震器由彈簧、連接軸、液壓柱、連接器、承重輪等組成，其中液壓柱是減震的最主要緩沖元件。當(dāng)履帶受力時，由承重輪傳遞給彈簧和液壓柱，彈簧受力開始被擠壓，隨后產(chǎn)生同等的力反向施力。當(dāng)彈簧受力達(dá)到一定程度時，力就會傳遞給液壓柱，液壓柱受力后開始緩沖。當(dāng)壓力全部被緩沖掉后，彈簧和液壓柱開始恢復(fù)原樣，實現(xiàn)減震作用，達(dá)到穩(wěn)定機(jī)器人的目的。連接軸使減震器連接固定在運行車身上，連接器連接承重輪和連接軸。承重輪既能起到承載機(jī)器人整體質(zhì)量，也是減震器的從動輪，具有很強的穩(wěn)定性。誘導(dǎo)輪也是從動輪，用來誘導(dǎo)和支撐履帶，與履帶調(diào)整器一起調(diào)整履帶的松緊程度，同時能固定上端履帶，以防上方履帶塌陷而影響使用。驅(qū)動輪靠高速電動機(jī)來轉(zhuǎn)動，強勁的效率能夠保證機(jī)器人的正常運行，且工作可靠，后期維護(hù)保養(yǎng)成本低。

圖2 減震器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 六自由度機(jī)械臂的設(shè)計

機(jī)械臂是搬運機(jī)器人實現(xiàn)搬運歸整目的最重要的工具，是保證被搬運物件完整和其放置位置精確度的主要機(jī)構(gòu)。因此，要求機(jī)械臂具有適當(dāng)?shù)淖杂啥?，且要保證其具有足夠的剛度和強度，機(jī)器臂的伸縮和旋轉(zhuǎn)要準(zhǔn)確和高效[11]。機(jī)械臂的穩(wěn)定性、靈活性、安全性是決定一個機(jī)器人是否能高效穩(wěn)定完成工作的重要保障。

如圖3所示，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)由42BYG34-401A步進(jìn)電動機(jī)、傳動板塊、旋轉(zhuǎn)底盤等組成。42BYG34-401A步進(jìn)電動機(jī)是整個機(jī)械臂的動力來源，傳動板塊附著在42BYG34-401A步進(jìn)電動機(jī)旁邊，隨電動機(jī)的運作帶動傳動板塊，板塊角度可達(dá)到27°～136°，能使整個機(jī)械臂完成前進(jìn)和后退、繞X軸和Z軸旋轉(zhuǎn)、沿X軸與Y軸移動，能夠精確、高效率地完成指令。旋轉(zhuǎn)底盤下裝有恒速電動機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)繞Z軸旋轉(zhuǎn)。

圖3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

如圖4所示，機(jī)械臂驅(qū)動單元是機(jī)械臂運動板塊的主要部分，整個機(jī)械臂都靠這種結(jié)構(gòu)來完成運動。其中連接板塊與步進(jìn)電動機(jī)固定連接，便于驅(qū)動結(jié)構(gòu)的連接且可保證安全穩(wěn)定。步進(jìn)電動機(jī)是驅(qū)動結(jié)構(gòu)的動力來源，保證整個機(jī)械臂的正常運行工作。步進(jìn)電動機(jī)靠脈沖信號控制驅(qū)動，其轉(zhuǎn)子隨脈沖信號的變化進(jìn)行一定角度的轉(zhuǎn)動，從而精確地調(diào)整整個驅(qū)動結(jié)構(gòu)的運動。從動板一側(cè)通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電動機(jī)連接，另一側(cè)與下一個驅(qū)動結(jié)構(gòu)的連接，隨步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動角度的改變而改變，選用的42BYG34-401A步進(jìn)電動機(jī)的步距角為3°～5°。剛性聯(lián)軸器的作用是與步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子相連接來帶動從動板，其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，工作可靠，且可傳遞較大轉(zhuǎn)矩，能保證2軸間較高的對中精度，常用于載荷平穩(wěn)、高速或傳動精度要求較高的軸系傳動。

圖4 驅(qū)動單元示意圖

1.3 機(jī)械抓手的設(shè)計

如圖5所示，機(jī)械臂手部的動力源是靠步進(jìn)電動機(jī)帶動主動齒輪，主動齒輪帶動2個從動齒輪。2個從動齒又連接抓手的2個桿，桿帶動抓手其他部分。當(dāng)驅(qū)動主動齒輪順時針運轉(zhuǎn)時，抓手收縮抓取物體；當(dāng)主動驅(qū)動齒輪逆時針運轉(zhuǎn)時，抓手松弛可放開物體。根據(jù)物品的大小，通過脈沖信號發(fā)送指令來控制抓手的收縮量和松弛量。

圖5 機(jī)械抓手結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

如圖6所示，以全地形智能倉儲物品歸整機(jī)器人主要由多自由度靈活機(jī)械手、二維碼顏色識別攝像頭模塊（1 080 p）、自主設(shè)計創(chuàng)新型履帶式減震底盤等部分組成。在實際工作中，機(jī)器人會根據(jù)具體任務(wù)要求，通過控制中心進(jìn)行接收和發(fā)送信息、指令來控制機(jī)器人本體，實現(xiàn)具體工作流程。

圖6 整體結(jié)構(gòu)示意圖

首先，控制程序準(zhǔn)備就緒，無接觸啟動機(jī)器人，機(jī)械手頂部的攝像頭啟動捕捉信息，將信息反饋給控制中心，控制中心發(fā)出指令，驅(qū)動機(jī)械手上4個步進(jìn)電動機(jī)，實現(xiàn)機(jī)械抓手的方向和角度的調(diào)整，而機(jī)械手傳動板塊內(nèi)的電動機(jī)帶動齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機(jī)械抓手的抓取動作。在抓取過程中，頂部的攝像頭會識別機(jī)械抓手的抓取狀態(tài)，抓取任務(wù)完成后反饋給樹莓派控制板塊。控制中心發(fā)送指令到底盤上的步進(jìn)電動機(jī)，帶動履帶主動輪實現(xiàn)運動或停止，主動輪在運動過程中，根據(jù)指令進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，從而達(dá)到底盤的直線運動或轉(zhuǎn)向，進(jìn)而實現(xiàn)對物體的搬運。在運送過程中，紅外測距儀在檢測到障礙后反饋給控制中心，控制中心發(fā)送指令到底盤上的步進(jìn)電動機(jī)，獲得合理的轉(zhuǎn)向角度以達(dá)到規(guī)避的目的。到達(dá)指定地點后，頂部攝像頭識別指定區(qū)域，將信息反饋給樹莓派控制板塊，控制中心將指令發(fā)送給機(jī)械手上的步進(jìn)電動機(jī)，調(diào)整機(jī)械手的方向和角度，機(jī)械手傳動板塊內(nèi)的電動機(jī)帶動齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機(jī)械抓手對物品的放置。任務(wù)完成后，機(jī)器人各部分根據(jù)程序指令自動回到初始位置或指定位置。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

全地形智能倉儲物品歸整機(jī)器人的控制系統(tǒng)由二維碼、樹莓派、Arduino、循跡模塊、舵機(jī)控制模塊、電動機(jī)驅(qū)動模塊、超聲波模塊、舵機(jī)、減速電動機(jī)等組成。如圖7所示，攝像頭是通過樹莓派串口通信Arduino來實現(xiàn)攝像頭的物料顏色識別和二維碼識別，循跡模塊與超聲波模塊將信號傳給Arduino，控制中心進(jìn)行判斷后控制電動機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)及停止來控制物料分揀機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎、后退、前進(jìn)及停止，控制舵機(jī)的正傳或反轉(zhuǎn)來控制機(jī)械臂抓手的開合。

圖7 控制流程圖

1）二維碼識別 二維碼識別是通過設(shè)備將二維碼的圖形轉(zhuǎn)換為可用信息。如果根據(jù)條形碼編程的原理來識別的話，工作太繁瑣，每一個編程人員都必須知道每種條形碼的原理，而且不方便實用。本設(shè)計采用的是條形碼識別工具包，結(jié)合樹莓派Linux平臺來實現(xiàn)二維碼的識別，這種工具包的優(yōu)點是不需要掌握各種條形碼的編碼規(guī)則簡化了編程，且識別率高。

2）顏色識別 數(shù)字圖片一般采用RGB模式、CMYK模式和HSV模式。RGB顏色模式和CMYK顏色模式廣泛應(yīng)用于視頻攝像頭、數(shù)字圖片和數(shù)字視頻等，但HSV模型才更加符合人對顏色的描述和解釋(H為色調(diào)，S為飽和度，V為亮度 )。所以，選擇通過識別物料RGB的數(shù)值來轉(zhuǎn)換為HSV模式來實現(xiàn)物料顏色的識別。

3 實驗分析

根據(jù)設(shè)計方案進(jìn)行樣機(jī)制作，并進(jìn)行相關(guān)測試實驗，通過樣機(jī)實行二維碼識別功能、攝像頭顏色識別功能、復(fù)雜地形運行、物品搬運與歸整等實驗，驗證設(shè)計方案的可行性。

1）二維碼識別功能 運行穩(wěn)定，識別率百分百；

2）攝像頭顏色識別功能 運行穩(wěn)定，正確率達(dá)到預(yù)期要求，其中錯誤部分經(jīng)分析不是硬件問題，而是識別算法精度有待于提高；

3）復(fù)雜地形運行 運行良好，對各種地形也有不錯的適應(yīng)能力，穩(wěn)定性達(dá)到基本要求，有提高空間；

4）物品搬運與歸整 運行良好，基本完成任務(wù)要求，但效率偏低。

4 總結(jié)

全地形智能倉儲物品歸整機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要由全地形減震系統(tǒng)、機(jī)械臂、機(jī)械抓手等組成，實現(xiàn)了在各種地形上能夠正常的進(jìn)行搬運工作。經(jīng)過制作樣機(jī)測試，該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在各種地形的平穩(wěn)運行工作，且具有穩(wěn)定性好、操作簡單、智能化程度高、造價低等優(yōu)點。未來不論是在農(nóng)業(yè)、采礦業(yè)、物流業(yè)等行業(yè)都能有很好的應(yīng)用前景。