林鈺濱，陳浩杰，肖建勇，吳志安，李德榮

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)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(lái)越高的現(xiàn)狀下，零件加工生產(chǎn)車(chē)間從傳統(tǒng)的物料運(yùn)輸模式逐漸向智能化運(yùn)輸模式轉(zhuǎn)變成為了一種趨勢(shì)。零件加工生產(chǎn)車(chē)間的物料配送是整個(gè)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(zhǔn)地運(yùn)輸?shù)綄?duì)應(yīng)的工位上是整個(gè)加工過(guò)程順利進(jìn)行的前提，而要實(shí)現(xiàn)整個(gè)加工過(guò)程順利進(jìn)行就需要對(duì)零件加工車(chē)間物料運(yùn)輸進(jìn)行智能化[1]。

目前，零件加工生產(chǎn)車(chē)間運(yùn)輸主要采用手動(dòng)推車(chē)運(yùn)輸和半自動(dòng)化運(yùn)輸器械。張玉等[2]通過(guò)使用不同類(lèi)型的手推車(chē)，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同零件的運(yùn)輸。寧金新[3]在加工車(chē)間利用人工駕駛叉車(chē)進(jìn)行工件運(yùn)輸。郝力文等[4]采用PLC編程控制有軌運(yùn)輸小車(chē)，來(lái)實(shí)現(xiàn)物料的輸送。上述研究提供了產(chǎn)品生產(chǎn)加工運(yùn)輸?shù)牟煌绞?，這些運(yùn)輸方式都可以完成物料運(yùn)輸，但是存在物料輸送效率低、人工成本高、安全性問(wèn)題和智能化程度低，而其他運(yùn)輸設(shè)備也存在一定的限制和缺陷。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于人工智能運(yùn)輸機(jī)器人可以有效地解決上述存在的問(wèn)題，并且還可以提高零件加工生產(chǎn)車(chē)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于零件加工生產(chǎn)車(chē)間運(yùn)輸智能運(yùn)輸機(jī)器人。智能運(yùn)輸機(jī)器人是一種自動(dòng)化運(yùn)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(yùn)輸效率，從而提高加工產(chǎn)品的生產(chǎn)效率[5]。對(duì)此，零件加工生產(chǎn)車(chē)間采用智能運(yùn)輸機(jī)器人運(yùn)輸物料不僅可以減輕人為的勞動(dòng)力以及減少人工成本的費(fèi)用，而且能夠有效的提高加工產(chǎn)品的運(yùn)輸效率和速度，從而提高零件加工生產(chǎn)產(chǎn)品車(chē)間的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。這也符合“中國(guó)制造2025”的制造智能化的發(fā)展要求。

1 運(yùn)輸機(jī)器人的總體方案

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）視覺(jué)識(shí)別結(jié)構(gòu)

前端攝像頭通過(guò)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(jī)器人第二層的最前端。攝像頭的任務(wù)是對(duì)物料的二維碼和交通信號(hào)燈的變換進(jìn)行識(shí)別并進(jìn)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(shí)現(xiàn)功能的前提下通過(guò)降低自由度來(lái)穩(wěn)定攝像頭是一個(gè)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(jī)器人穩(wěn)定性的前提下可進(jìn)行小幅度的上下角度調(diào)整，更便于識(shí)別交通信號(hào)燈。

（2）避障定位結(jié)構(gòu)

為保證機(jī)器人避障定位的準(zhǔn)確性，必須排除障礙物顏色與環(huán)境燈光對(duì)機(jī)器人避障的影響，此系統(tǒng)采用了超聲波進(jìn)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(shí)別，在機(jī)器人的前端兩側(cè)和機(jī)器人的左邊安裝3個(gè)超聲波模塊可實(shí)現(xiàn)全方位避障。在排除對(duì)超聲波定位有影響的因素后，可再配合其它系統(tǒng)進(jìn)行布局的合理安排。

（3）物料儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)

物料存放裝置內(nèi)部尺寸的設(shè)計(jì)為70 mm×70 mm×70 mm的尺寸。選用舵機(jī)搭載在物料倉(cāng)旁邊的固定架上以及搭配了紅外感應(yīng)來(lái)控制倉(cāng)門(mén)的開(kāi)啟，以剪刀式的開(kāi)關(guān)門(mén)形式來(lái)對(duì)物料存放倉(cāng)門(mén)的開(kāi)啟及關(guān)閉進(jìn)行控制，不會(huì)干涉到機(jī)器人的其它工作，以達(dá)到精準(zhǔn)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(cāng)里裝有壓力傳感器，當(dāng)放進(jìn)物料時(shí)壓力傳感器進(jìn)行工作，把物料的重量測(cè)出并顯示在顯示器上。

（4）語(yǔ)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(yǔ)音及工作時(shí)間，在工作人員裝卸物料環(huán)節(jié)后，機(jī)器人發(fā)出語(yǔ)音提醒，工作人員再根據(jù)機(jī)器人指令經(jīng)行相關(guān)操作。

（5）行走結(jié)構(gòu)

在近似長(zhǎng)方形底盤(pán)上攜帶4個(gè)電機(jī)和4個(gè)橡膠輪胎。4個(gè)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)輪子整體左右對(duì)稱(chēng)分布在底盤(pán)，通過(guò)分別控制4個(gè)直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能實(shí)現(xiàn)各種角度的轉(zhuǎn)向以及前后直線運(yùn)動(dòng)，可完成復(fù)雜的路線。行進(jìn)過(guò)程中小車(chē)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，距離控制的精準(zhǔn)度高，行走過(guò)程平穩(wěn)，便于控制，在模擬場(chǎng)地內(nèi)能夠自主規(guī)劃路線前提下，實(shí)現(xiàn)小范圍位移來(lái)進(jìn)行精準(zhǔn)避障，其他系統(tǒng)裝載在第二層，和行走系統(tǒng)獨(dú)立分布，達(dá)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(yùn)輸機(jī)器人實(shí)物

1.2 工作原理

智能運(yùn)輸機(jī)器人采用四輪驅(qū)動(dòng)，由以STM32F407 ZGT6為核心的主控制板分別輸出PWM信號(hào)控制直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[6]。機(jī)器人通過(guò)超聲波模塊進(jìn)行精準(zhǔn)避障和攝像頭識(shí)別交通燈狀態(tài)，行進(jìn)的區(qū)域是結(jié)合真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，設(shè)置出發(fā)區(qū)、收貨點(diǎn)、障礙物、交通道路、交通燈等待區(qū)及紅色停止線的模擬場(chǎng)地。

2 運(yùn)輸機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 MPU6050六軸控制器

系統(tǒng)主要是通過(guò)采集傾角來(lái)控制機(jī)器人前進(jìn)的方向。MPU6050芯片集成了三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP[7]。MPU6050芯片將測(cè)得機(jī)器人的傾角，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，把測(cè)得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)IIC通訊把數(shù)字信號(hào)傳輸給主控制器[8-9]。

2.2 超聲波模塊

機(jī)器人避障功能實(shí)現(xiàn)采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，該模塊通過(guò)時(shí)差法測(cè)量聲速[10]，得到機(jī)器人與障礙物的距離，測(cè)量的精度可以達(dá)到3 mm，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)避障。

基本工作原理：主控制器向控制端引腳發(fā)送一個(gè)高電平脈沖信號(hào)，控制端自動(dòng)發(fā)送聲波。聲波遇到障礙后，會(huì)反射回到接收端，接收端一檢測(cè)到有信號(hào)返回，就輸出一個(gè)高電平脈沖[11]。高電平脈沖的時(shí)間是聲波信號(hào)發(fā)射到障礙物，再由障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，通過(guò)計(jì)算公式（高電平脈沖時(shí)間×波速）/2，得到離障礙物的距離。

2.3 稱(chēng)重傳感器模塊

稱(chēng)重傳感器是把物料的重量信號(hào)轉(zhuǎn)變成電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換設(shè)備。物料的重量測(cè)量采用HX711稱(chēng)重傳感器模塊，該模塊的HX711芯片是一款具有高精度測(cè)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

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

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

機(jī)器人采用4個(gè)直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)后退及轉(zhuǎn)彎，輪子呈對(duì)稱(chēng)分布，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，受力均勻，該結(jié)構(gòu)讓機(jī)器人在運(yùn)輸過(guò)程中十分穩(wěn)定，便于機(jī)器人的前后移動(dòng)和轉(zhuǎn)彎。直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制選用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊采用雙H橋驅(qū)動(dòng)芯片L298N，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流減速電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電流大、抗干擾能力強(qiáng)、發(fā)熱量低、穩(wěn)定性好[13-15]。如圖2所示。

圖2 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)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(guò)AS1015芯片轉(zhuǎn)化為5 V電壓。如圖4所示，5 V電壓經(jīng)過(guò)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(jī)器人系統(tǒng)各個(gè)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(diǎn)。

圖3 12 V轉(zhuǎn)5 V電路

圖4 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路

3 運(yùn)輸機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)是在編程軟件KeilμVision上編寫(xiě)的，是智能運(yùn)輸機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)分為8個(gè)子任務(wù)：第1個(gè)任務(wù)是自主規(guī)劃路線，這任務(wù)貫穿整個(gè)運(yùn)輸流程且是整個(gè)運(yùn)輸流程中最關(guān)鍵的一步；第2個(gè)任務(wù)是用稱(chēng)重傳感器模塊測(cè)量出物料的重量；第3個(gè)任務(wù)是把稱(chēng)重傳感器模塊測(cè)得的重量顯示在顯示屏上；第4個(gè)任務(wù)是識(shí)別二維碼，運(yùn)貨時(shí)，正確識(shí)別物料二維碼，自動(dòng)打開(kāi)相應(yīng)的物料倉(cāng)門(mén)，取貨時(shí)與運(yùn)貨時(shí)一樣；第5個(gè)任務(wù)是避障，做到精準(zhǔn)避障，避免物品損壞，而且提高在運(yùn)輸過(guò)程中的安全性；第6個(gè)任務(wù)是識(shí)別交通燈，這是由樹(shù)莓派與攝像頭互相配合完成的；第7個(gè)任務(wù)是語(yǔ)言播報(bào)，根據(jù)樹(shù)莓派所給的控制信號(hào)，通過(guò)喇叭來(lái)播報(bào)；第8個(gè)任務(wù)是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)控制電機(jī)同速或差速，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前后移動(dòng)和轉(zhuǎn)彎。

4 機(jī)器人的系統(tǒng)集成及測(cè)試

4.1 控制系統(tǒng)總流程

系統(tǒng)上電，運(yùn)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(shí)別二維碼，將識(shí)別的信息送到樹(shù)莓派，樹(shù)莓派控制語(yǔ)音播報(bào)。主控制板控制倉(cāng)門(mén)以剪刀式的打開(kāi)，接著放進(jìn)物料，稱(chēng)重傳感器把測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，通過(guò)引腳與主控制器進(jìn)行通信，樹(shù)莓派在控制音響把測(cè)得的物料重量進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，并且在顯示屏顯示出來(lái)。之后主控制板控制倉(cāng)門(mén)做出關(guān)門(mén)動(dòng)作和控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)行駛到指定的目的地。在行駛過(guò)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)器人精準(zhǔn)躲避障礙物。攝像頭將識(shí)別交通燈的信息發(fā)送給樹(shù)莓派，并在相應(yīng)的區(qū)域等待交通燈。到達(dá)指定的收貨區(qū)域后，進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，提示出示取貨碼，識(shí)別取貨碼，若取貨碼正確則控制相應(yīng)的倉(cāng)門(mén)打開(kāi)，取出物料。最后通過(guò)主控制板控制電機(jī)自主規(guī)劃路線回到起始區(qū)域。如圖5所示。

圖5 運(yùn)輸機(jī)器人運(yùn)輸流程

4.2 機(jī)器人的測(cè)試

系統(tǒng)功能測(cè)試如下：（1）檢查系統(tǒng)軟件和硬件是否連接準(zhǔn)確；（2）檢查稱(chēng)重的重量是否能語(yǔ)音讀出來(lái)和顯示在顯示器上；（3）檢查是否實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，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(zhǔn)避開(kāi)障礙物；（6）檢查識(shí)別交通燈是否正確；（7）檢查是否能識(shí)別二維碼；（8）檢查是否發(fā)出正確語(yǔ)音播報(bào)；（9）檢查是否正確打開(kāi)相應(yīng)的倉(cāng)門(mén)。

把機(jī)器人的每部分零件拼裝成整體好后，放進(jìn)模擬場(chǎng)地里測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，機(jī)器人可以把稱(chēng)重傳感器測(cè)量得到的重量，通過(guò)音響播報(bào)出來(lái)，而且還能在顯示器上顯示出準(zhǔn)確的重量數(shù)字，準(zhǔn)確地發(fā)出相應(yīng)的語(yǔ)音提示和自動(dòng)開(kāi)啟相應(yīng)的倉(cāng)門(mén)，能自主規(guī)劃路線，精準(zhǔn)避開(kāi)障礙物，能夠正確識(shí)別二維碼以及交通燈。當(dāng)?shù)竭_(dá)固定的取貨區(qū)域時(shí)，隨后發(fā)出對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音提示，提醒工作人員出示取貨碼，識(shí)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(yǔ)

本文以零件加工生產(chǎn)車(chē)間運(yùn)輸環(huán)境為研究對(duì)象，針對(duì)現(xiàn)有零件加工生產(chǎn)車(chē)間采用手動(dòng)推車(chē)運(yùn)輸和半自動(dòng)化運(yùn)輸器械等人工成本較高、運(yùn)輸效率低下、費(fèi)時(shí)耗力等不足和缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于嵌入式的零件加工生產(chǎn)車(chē)間智能運(yùn)輸機(jī)器人，使用自動(dòng)化和智能化的操作，有效解決了手動(dòng)推車(chē)運(yùn)輸和半自動(dòng)化運(yùn)輸器械等勞動(dòng)強(qiáng)度高、生產(chǎn)成本高、消耗時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)輸效率低等問(wèn)題，并從結(jié)構(gòu)、控制、性能、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等方面論證了智能運(yùn)輸機(jī)器人的可行性。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的智能運(yùn)輸機(jī)器人具備較高的運(yùn)輸效率，實(shí)現(xiàn)了人工智能技術(shù)與零件加工生產(chǎn)車(chē)間的有效集成，可以有效提高零件加工生產(chǎn)車(chē)間的生產(chǎn)效率。