林鈺濱，陳浩杰，肖建勇，吳志安，李德榮

（廣東海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，廣東湛江 524088）

0 引言

在科技高速發(fā)展、智能化水平越來越高的現(xiàn)狀下，零件加工生產(chǎn)車間從傳統(tǒng)的物料運輸模式逐漸向智能化運輸模式轉(zhuǎn)變成為了一種趨勢。零件加工生產(chǎn)車間的物料配送是整個產(chǎn)品生產(chǎn)中至關(guān)重要。加工產(chǎn)品能否被高效和精準地運輸?shù)綄?yīng)的工位上是整個加工過程順利進行的前提，而要實現(xiàn)整個加工過程順利進行就需要對零件加工車間物料運輸進行智能化[1]。

目前，零件加工生產(chǎn)車間運輸主要采用手動推車運輸和半自動化運輸器械。張玉等[2]通過使用不同類型的手推車，來實現(xiàn)不同零件的運輸。寧金新[3]在加工車間利用人工駕駛叉車進行工件運輸。郝力文等[4]采用PLC編程控制有軌運輸小車，來實現(xiàn)物料的輸送。上述研究提供了產(chǎn)品生產(chǎn)加工運輸?shù)牟煌绞?，這些運輸方式都可以完成物料運輸，但是存在物料輸送效率低、人工成本高、安全性問題和智能化程度低，而其他運輸設(shè)備也存在一定的限制和缺陷。設(shè)計開發(fā)基于人工智能運輸機器人可以有效地解決上述存在的問題，并且還可以提高零件加工生產(chǎn)車間的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。

本文基于嵌入式，路線規(guī)劃等技術(shù)開發(fā)設(shè)計了一款應(yīng)用于零件加工生產(chǎn)車間運輸智能運輸機器人。智能運輸機器人是一種自動化運輸設(shè)備，具有智能化程度高，能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，可以提高物料的運輸效率，從而提高加工產(chǎn)品的生產(chǎn)效率[5]。對此，零件加工生產(chǎn)車間采用智能運輸機器人運輸物料不僅可以減輕人為的勞動力以及減少人工成本的費用，而且能夠有效的提高加工產(chǎn)品的運輸效率和速度，從而提高零件加工生產(chǎn)產(chǎn)品車間的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。這也符合“中國制造2025”的制造智能化的發(fā)展要求。

1 運輸機器人的總體方案

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）視覺識別結(jié)構(gòu)

前端攝像頭通過亞克力板和3D打印件壓緊的方式，再與音響連接一起，整部分安裝在機器人第二層的最前端。攝像頭的任務(wù)是對物料的二維碼和交通信號燈的變換進行識別并進一步做出判斷，而攝像頭的穩(wěn)定性是需要考慮的重要因素，在保證可實現(xiàn)功能的前提下通過降低自由度來穩(wěn)定攝像頭是一個可行的辦法，因此攝像頭只需固定在具有一定傾角的3D打印件上，在不影響機器人穩(wěn)定性的前提下可進行小幅度的上下角度調(diào)整，更便于識別交通信號燈。

（2）避障定位結(jié)構(gòu)

為保證機器人避障定位的準確性，必須排除障礙物顏色與環(huán)境燈光對機器人避障的影響，此系統(tǒng)采用了超聲波進行避障。為避免障礙物高度的影響，將超聲波模塊安裝在適合的高度，即第二層板上。為保證超聲波的全方位識別，在機器人的前端兩側(cè)和機器人的左邊安裝3個超聲波模塊可實現(xiàn)全方位避障。在排除對超聲波定位有影響的因素后，可再配合其它系統(tǒng)進行布局的合理安排。

（3）物料儲存結(jié)構(gòu)

物料存放裝置內(nèi)部尺寸的設(shè)計為70 mm×70 mm×70 mm的尺寸。選用舵機搭載在物料倉旁邊的固定架上以及搭配了紅外感應(yīng)來控制倉門的開啟，以剪刀式的開關(guān)門形式來對物料存放倉門的開啟及關(guān)閉進行控制，不會干涉到機器人的其它工作，以達到精準裝卸的效果，并且更有效地利用空間使結(jié)構(gòu)更加緊湊。在貨倉里裝有壓力傳感器，當放進物料時壓力傳感器進行工作，把物料的重量測出并顯示在顯示器上。

（4）語音結(jié)構(gòu)

在第二層板上搭載一座音響，設(shè)置好提醒的語音及工作時間，在工作人員裝卸物料環(huán)節(jié)后，機器人發(fā)出語音提醒，工作人員再根據(jù)機器人指令經(jīng)行相關(guān)操作。

（5）行走結(jié)構(gòu)

在近似長方形底盤上攜帶4個電機和4個橡膠輪胎。4個電機及驅(qū)動輪子整體左右對稱分布在底盤，通過分別控制4個直流減速電機的轉(zhuǎn)速，能實現(xiàn)各種角度的轉(zhuǎn)向以及前后直線運動，可完成復(fù)雜的路線。行進過程中小車機動性強，距離控制的精準度高，行走過程平穩(wěn)，便于控制，在模擬場地內(nèi)能夠自主規(guī)劃路線前提下，實現(xiàn)小范圍位移來進行精準避障，其他系統(tǒng)裝載在第二層，和行走系統(tǒng)獨立分布，達到行走系統(tǒng)與其他系統(tǒng)互不影響的效果。如圖1所示。

圖1 運輸機器人實物

1.2 工作原理

智能運輸機器人采用四輪驅(qū)動，由以STM32F407 ZGT6為核心的主控制板分別輸出PWM信號控制直流減速電機轉(zhuǎn)動[6]。機器人通過超聲波模塊進行精準避障和攝像頭識別交通燈狀態(tài)，行進的區(qū)域是結(jié)合真實現(xiàn)場環(huán)境，設(shè)置出發(fā)區(qū)、收貨點、障礙物、交通道路、交通燈等待區(qū)及紅色停止線的模擬場地。

2 運輸機器人硬件電路設(shè)計

2.1 MPU6050六軸控制器

系統(tǒng)主要是通過采集傾角來控制機器人前進的方向。MPU6050芯片集成了三軸陀螺儀、三軸加速度計和數(shù)字運動處理器DMP[7]。MPU6050芯片將測得機器人的傾角，通過AD轉(zhuǎn)換，把測得的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后通過IIC通訊把數(shù)字信號傳輸給主控制器[8-9]。

2.2 超聲波模塊

機器人避障功能實現(xiàn)采用HC-SR04超聲波測距模塊，該模塊通過時差法測量聲速[10]，得到機器人與障礙物的距離，測量的精度可以達到3 mm，可實現(xiàn)精準避障。

基本工作原理：主控制器向控制端引腳發(fā)送一個高電平脈沖信號，控制端自動發(fā)送聲波。聲波遇到障礙后，會反射回到接收端，接收端一檢測到有信號返回，就輸出一個高電平脈沖[11]。高電平脈沖的時間是聲波信號發(fā)射到障礙物，再由障礙物反射回來的時間，通過計算公式（高電平脈沖時間×波速）/2，得到離障礙物的距離。

2.3 稱重傳感器模塊

稱重傳感器是把物料的重量信號轉(zhuǎn)變成電平信號的轉(zhuǎn)換設(shè)備。物料的重量測量采用HX711稱重傳感器模塊，該模塊的HX711芯片是一款具有高精度測量的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。該芯片具有電路集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。

基本工作原理：當物料放在稱重傳感器上，經(jīng)過HX711芯片收集物料重量的信號并進行處理及AD轉(zhuǎn)換。HX711芯片與主控制器的通訊只需要兩個引腳，時鐘引腳PD_SCK和數(shù)據(jù)引腳DOUT。時鐘引腳PD_SCK是用來選擇輸入增益和通道，數(shù)據(jù)引腳DOUT是用來輸出數(shù)據(jù)[12]。

2.4 電機驅(qū)動模塊電路

機器人采用4個直流減速電機驅(qū)動機器人的前進后退及轉(zhuǎn)彎，輪子呈對稱分布，使結(jié)構(gòu)簡單合理，受力均勻，該結(jié)構(gòu)讓機器人在運輸過程中十分穩(wěn)定，便于機器人的前后移動和轉(zhuǎn)彎。直流減速電機驅(qū)動控制選用L298N電機驅(qū)動模塊，該模塊采用雙H橋驅(qū)動芯片L298N，具有驅(qū)動能力強，能夠同時驅(qū)動兩個直流減速電機，其驅(qū)動電流大、抗干擾能力強、發(fā)熱量低、穩(wěn)定性好[13-15]。如圖2所示。

圖2 L298N電機驅(qū)動模塊

2.5 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路的作用是使電源電路的輸出電壓穩(wěn)定，使各模塊能更好的正常工作。機器人采用可充電8 A12 V鋰電池供電，如圖3所示，12 V電源經(jīng)過AS1015芯片轉(zhuǎn)化為5 V電壓。如圖4所示，5 V電壓經(jīng)過AMS117芯片轉(zhuǎn)化為3.3 V電壓。5 V和3.3 V電壓作為電源為機器人系統(tǒng)各個模塊供電，確保各模塊能得到充分的供電并且還有穩(wěn)定性好，性能性高，安全性好等優(yōu)點。

圖3 12 V轉(zhuǎn)5 V電路

圖4 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路

3 運輸機器人系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計是在編程軟件KeilμVision上編寫的，是智能運輸機器人控制系統(tǒng)設(shè)計的核心，系統(tǒng)程序設(shè)計分為8個子任務(wù)：第1個任務(wù)是自主規(guī)劃路線，這任務(wù)貫穿整個運輸流程且是整個運輸流程中最關(guān)鍵的一步；第2個任務(wù)是用稱重傳感器模塊測量出物料的重量；第3個任務(wù)是把稱重傳感器模塊測得的重量顯示在顯示屏上；第4個任務(wù)是識別二維碼，運貨時，正確識別物料二維碼，自動打開相應(yīng)的物料倉門，取貨時與運貨時一樣；第5個任務(wù)是避障，做到精準避障，避免物品損壞，而且提高在運輸過程中的安全性；第6個任務(wù)是識別交通燈，這是由樹莓派與攝像頭互相配合完成的；第7個任務(wù)是語言播報，根據(jù)樹莓派所給的控制信號，通過喇叭來播報；第8個任務(wù)是控制電機轉(zhuǎn)速，通過控制電機同速或差速，來實現(xiàn)機器人前后移動和轉(zhuǎn)彎。

4 機器人的系統(tǒng)集成及測試

4.1 控制系統(tǒng)總流程

系統(tǒng)上電，運行程序，經(jīng)行初始化。初始化完成后經(jīng)行命令等待，由攝像頭識別二維碼，將識別的信息送到樹莓派，樹莓派控制語音播報。主控制板控制倉門以剪刀式的打開，接著放進物料，稱重傳感器把測量得到的數(shù)據(jù)，通過引腳與主控制器進行通信，樹莓派在控制音響把測得的物料重量進行語音播報，并且在顯示屏顯示出來。之后主控制板控制倉門做出關(guān)門動作和控制電機轉(zhuǎn)動行駛到指定的目的地。在行駛過程中，超聲波模塊將判斷障礙物的距離并把相關(guān)的信息發(fā)送給主控制板，控制電機轉(zhuǎn)動使機器人精準躲避障礙物。攝像頭將識別交通燈的信息發(fā)送給樹莓派，并在相應(yīng)的區(qū)域等待交通燈。到達指定的收貨區(qū)域后，進行語音播報，提示出示取貨碼，識別取貨碼，若取貨碼正確則控制相應(yīng)的倉門打開，取出物料。最后通過主控制板控制電機自主規(guī)劃路線回到起始區(qū)域。如圖5所示。

圖5 運輸機器人運輸流程

4.2 機器人的測試

系統(tǒng)功能測試如下：（1）檢查系統(tǒng)軟件和硬件是否連接準確；（2）檢查稱重的重量是否能語音讀出來和顯示在顯示器上；（3）檢查是否實現(xiàn)前進，后退及轉(zhuǎn)彎；（4）檢查是否能自主規(guī)劃路線；（5）檢查是否能精準避開障礙物；（6）檢查識別交通燈是否正確；（7）檢查是否能識別二維碼；（8）檢查是否發(fā)出正確語音播報；（9）檢查是否正確打開相應(yīng)的倉門。

把機器人的每部分零件拼裝成整體好后，放進模擬場地里測試。在測試過程中，機器人可以把稱重傳感器測量得到的重量，通過音響播報出來，而且還能在顯示器上顯示出準確的重量數(shù)字，準確地發(fā)出相應(yīng)的語音提示和自動開啟相應(yīng)的倉門，能自主規(guī)劃路線，精準避開障礙物，能夠正確識別二維碼以及交通燈。當?shù)竭_固定的取貨區(qū)域時，隨后發(fā)出對應(yīng)的語音提示，提醒工作人員出示取貨碼，識別取貨碼后，取出物料后并自主規(guī)劃路線返回起始區(qū)域。

5 結(jié)束語

本文以零件加工生產(chǎn)車間運輸環(huán)境為研究對象，針對現(xiàn)有零件加工生產(chǎn)車間采用手動推車運輸和半自動化運輸器械等人工成本較高、運輸效率低下、費時耗力等不足和缺點，設(shè)計了基于嵌入式的零件加工生產(chǎn)車間智能運輸機器人，使用自動化和智能化的操作，有效解決了手動推車運輸和半自動化運輸器械等勞動強度高、生產(chǎn)成本高、消耗時間長、運輸效率低等問題，并從結(jié)構(gòu)、控制、性能、經(jīng)濟性、實用性等方面論證了智能運輸機器人的可行性。本文設(shè)計開發(fā)的智能運輸機器人具備較高的運輸效率，實現(xiàn)了人工智能技術(shù)與零件加工生產(chǎn)車間的有效集成，可以有效提高零件加工生產(chǎn)車間的生產(chǎn)效率。