李興龍,王 佩,朱羅通,李 江,馬勛蘭

(貴州師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院,貴州 貴陽 550018)

0 引言

近年來,隨著科學(xué)的快速發(fā)展和技術(shù)的不斷革新,被稱為“信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命”的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速興起,得到了廣泛的推廣與應(yīng)用,如智慧交通、智慧物流、智慧醫(yī)療、智能安全以及智能家庭等。在互聯(lián)網(wǎng)浪潮的推動(dòng)下,電子商務(wù)在全球范圍內(nèi)蓬勃興起,物流行業(yè)也隨之得到迅速發(fā)展,倉儲物流成了現(xiàn)代供應(yīng)鏈管理中的重要環(huán)節(jié)。然而,隨著人們的物資需求越來越大,訂單數(shù)量也不斷增大,許多儲物倉庫的工作量與日俱增。傳統(tǒng)的人工分揀方式存在很多的不足之處,人力資源浪費(fèi)、成本高昂、工作效率低下和錯(cuò)誤率高等問題,都嚴(yán)重制約了物流行業(yè)的發(fā)展。在物流運(yùn)輸過程中,部分地區(qū)的物流運(yùn)輸存在大量的資源浪費(fèi),給企業(yè)帶來了巨大的損失。合理控制配送成本、降低運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)是企業(yè)改革的重中之重。

為了應(yīng)對日益增長的物流需求,利用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化分揀,成本較低并且具有較強(qiáng)的靈活性,更加適應(yīng)小型企業(yè)的發(fā)展需求,在物流行業(yè)中有著巨大的發(fā)展?jié)摿椭匾饬x。因此,自動(dòng)化物流系統(tǒng)的研究與應(yīng)用作為一種高效、智能的解決方案,正逐漸成為現(xiàn)代物流領(lǐng)域的熱門研究方向之一。具有自動(dòng)分揀功能的倉儲物流機(jī)器人作為其中的重要組成部分,通過結(jié)合機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化設(shè)備,引入先進(jìn)的感知、識別和控制技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對倉庫內(nèi)物品快速準(zhǔn)確地自動(dòng)識別、定位和分揀,補(bǔ)齊了人工分揀的短板,極大地提高了分揀速度和準(zhǔn)確性,同時(shí)降低了人力成本和錯(cuò)誤率。該機(jī)器人為倉庫管理者提供了高效且自動(dòng)化的倉儲物流解決方案,可以廣泛應(yīng)用于各大儲物倉庫進(jìn)行無人化的物流管理,在一定程度上降低了配送過程中的損失。

目前,我國各地遍布著大量的儲物倉庫,但是由于對倉儲物流方面投入的研究成本較少,并沒有形成一套完整的無人化自動(dòng)分揀體系,因此倉儲物流的工作仍然存在著很多不足之處。本文旨在研究和設(shè)計(jì)一種具有自動(dòng)分揀功能的倉儲物流機(jī)器人,以應(yīng)對現(xiàn)代物流環(huán)境中的挑戰(zhàn)。本文通過對機(jī)器人的硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),實(shí)現(xiàn)對倉庫內(nèi)物品的自動(dòng)化分揀,幫助提升物流分揀工作的效率和準(zhǔn)確性,并為進(jìn)一步推動(dòng)物流自動(dòng)化發(fā)展提供有力支持。具有自動(dòng)分揀功能的倉儲物流機(jī)器人將成為未來物流供應(yīng)鏈的重要組成部分,為降低物流成本、實(shí)現(xiàn)物流行業(yè)的高效運(yùn)作作出積極貢獻(xiàn)。

1 總體設(shè)計(jì)

本文中的倉儲物流機(jī)器人以STM32單片機(jī)為核心控制器,選用STM32F103C8T6芯片為主控芯片。如圖1所示,機(jī)器人通過RFID技術(shù)讀取不同貨物上的電子標(biāo)簽從而獲得貨物信息以及需要存儲的貨架位置信息。主控芯片根據(jù)讀取電子標(biāo)簽得到的信息使機(jī)器運(yùn)行到指定位置;機(jī)器人進(jìn)行A*啟發(fā)式搜索算法,自動(dòng)規(guī)劃最短路徑,傳至主控芯片,主控芯片根據(jù)反饋的路徑信息實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能尋路功能;紅外傳感器將機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的路況信息反饋到主控芯片,主控芯片根據(jù)反饋信息控制機(jī)體上下臺階;稱重傳感器會稱量載物托盤上的貨物質(zhì)量;核心控制器根據(jù)貨物的質(zhì)量大小將它們分區(qū)域存儲在貨架的不同位置。

圖1 倉儲物流機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要是由核心控制芯片、射頻識別模塊、智能循跡模塊、稱重及減震模塊、升降及上下臺階模塊等幾個(gè)部分組成。

2.1 核心控制芯片

集成電路將電路中許多元器件集中制作在一塊半導(dǎo)體晶片上,大大壓縮了電子線路的體積,在各行各業(yè)中都有著極其重要的作用。本文所用到的STM32系列的單片機(jī)本質(zhì)上也是一個(gè)集成電路,在人們的日常生活中被廣泛應(yīng)用,該系列單片機(jī)功能強(qiáng)大,穩(wěn)定性好,而且還能調(diào)用自身官方提供的具有強(qiáng)大功能的庫文件,簡化了程序的編寫,相對于其他單片機(jī)而言價(jià)格較低,十分適合入門學(xué)習(xí)。本文采用STM32F103C8T6作為倉儲物流機(jī)器人的核心控制芯片。該芯片是一款由STMicroelectronics公司生產(chǎn)的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器芯片,具有豐富的外設(shè)和強(qiáng)大的處理能力,適用于各種嵌入式應(yīng)用。運(yùn)行頻率高達(dá)72 MHz,具有高性能和低功耗的特點(diǎn),能夠滿足復(fù)雜的應(yīng)用需求。此外,該款芯片還內(nèi)置了多個(gè)外設(shè),包括多個(gè)通用定時(shí)器、串口、SPI、I2C、ADC等,可以滿足各種應(yīng)用的需求。在本文的研究中,STM32F103C8T6作為核心控制芯片,可以通過I/O口與其他模塊進(jìn)行通信,將各個(gè)模塊及其傳感器反饋的信息與主控制程序完成交互,進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與處理,從而操控所有模塊進(jìn)行工作,實(shí)現(xiàn)本文所述的各項(xiàng)功能。

2.2 RFID模塊

識別技術(shù)作為信息采集的重要技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),比較常見的有飯卡、門禁卡、公交卡、身份證等的識別,商場里零售數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)以及快遞物流中貨物的自動(dòng)定位等。識別技術(shù)的出現(xiàn)幫助人們快速完成信息交互,使人們的生活更加便捷。

本文設(shè)計(jì)的物流機(jī)器人就是利用RFID技術(shù)來實(shí)現(xiàn)貨物信息識別功能的。本文選用的RFID-RC522模塊采用MFRC522芯片,可以通過無線射頻的方式進(jìn)行非接觸式的雙向數(shù)據(jù)通信。此外,它還可以利用無線射頻對貨物上的電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫,從而識別貨物信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。射頻識別速度極快,并且可以同時(shí)對多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行識別,極大地提高了工作效率。

物流機(jī)器人通過RFID讀取器自動(dòng)識別電子標(biāo)簽后獲取貨物信息,并隨貨物狀態(tài)的改變對標(biāo)簽信息進(jìn)行更改[1]。設(shè)備通過射頻終端讀取貨架上的標(biāo)簽信息,能自動(dòng)選取空貨架。在貨物上架后,實(shí)時(shí)更新并記錄貨物的物流信息,通過Wi-Fi模塊傳到計(jì)算機(jī)系統(tǒng),便于打印入庫、出庫清單和儲物倉庫的后續(xù)管理[2]。

2.3 智能尋路模塊

2.3.1 GPS定位

目前,衛(wèi)星信號覆蓋面積十分廣闊,使用GPS定位速度快,也相對比較穩(wěn)定,因此本項(xiàng)目采用GPS模塊進(jìn)行定位。GPS模塊采用NMEA協(xié)議,可以接收、解析衛(wèi)星的廣播C/A碼信號,通過運(yùn)算與每個(gè)衛(wèi)星的偽距離,采用距離交會法求出經(jīng)度、緯度、高度和時(shí)間修正量這4個(gè)參數(shù),并通過串口通信將它接收到的信號反饋給主控芯片進(jìn)行處理。

GPS模塊接收到衛(wèi)星信號后,通過STM32單片機(jī)的通信串口完成交互,主控芯片計(jì)算并記錄機(jī)器人此時(shí)的位置情況,對機(jī)器人進(jìn)行下一步的跟蹤和定位,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位置信息共享,以便于確定機(jī)器人的位置狀態(tài),并進(jìn)一步根據(jù)GPS定位技術(shù)進(jìn)行物流機(jī)器人的導(dǎo)航[3]。

2.3.2 A*搜索算法

機(jī)器人動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃可以通過許多種算法來實(shí)現(xiàn),正確地選擇一種算法可以大大提高機(jī)器人的尋路效率,本文采用A*算法(A-star algorithm)進(jìn)行線路規(guī)劃。A*算法是一種基于啟發(fā)式搜索的尋路算法,是一種靜態(tài)路網(wǎng)中求解最短路徑最有效的直接搜索方法,被廣泛使用,例如路線規(guī)劃、游戲AI等。A*算法通過估計(jì)從起點(diǎn)到目標(biāo)的最短路徑長度,不斷地選擇當(dāng)前狀態(tài)下最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展,直到找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或者無法繼續(xù)擴(kuò)展為止。該算法綜合了廣度優(yōu)先搜索和最佳優(yōu)先搜索的特點(diǎn),能夠在保證找到最優(yōu)解的同時(shí),盡可能減少搜索的時(shí)間和空間復(fù)雜度。

A*算法的核心思想是通過定義一個(gè)啟發(fā)函數(shù),評估每個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級。啟發(fā)函數(shù)通常是一個(gè)估計(jì)值,用來估計(jì)從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的代價(jià),然后綜合考慮節(jié)點(diǎn)的代價(jià)和啟發(fā)函數(shù)的估計(jì)值,選擇最有希望的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。A*算法維護(hù)一個(gè)優(yōu)先隊(duì)列,每次從隊(duì)列中選擇代價(jià)加啟發(fā)函數(shù)估計(jì)值最小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。

整個(gè)過程中,A*算法需要維護(hù)兩個(gè)列表:開放列表和關(guān)閉列表。開放列表存儲待探索的節(jié)點(diǎn),關(guān)閉列表存儲已經(jīng)探索過的節(jié)點(diǎn)。算法通過計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的啟發(fā)式函數(shù)值(估計(jì)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離)和代價(jià)函數(shù)值(從起始節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的實(shí)際代價(jià)),選擇代價(jià)函數(shù)值最小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行探索。具體計(jì)算公式如下所示:

f*(n)=g*(n)+h*(n)

其中,f*(n):從初始狀態(tài)經(jīng)由狀態(tài)n到目標(biāo)狀態(tài)的最小代價(jià)估計(jì);g*(n):從初始狀態(tài)到狀態(tài)n的最小代價(jià);h*(n):從狀態(tài)n到目標(biāo)狀態(tài)的路徑的最小估計(jì)代價(jià)。

可行性分析:若h(n)h*(n),搜索范圍小,效率高,不一定得到最優(yōu)解。

本文將A*算法運(yùn)用于分揀機(jī)器人,它會從起點(diǎn)開始,根據(jù)計(jì)算最小代價(jià)估計(jì),動(dòng)態(tài)地選擇下一個(gè)代價(jià)最低的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行搜索,從而在較短時(shí)間內(nèi)以盡可能快地找到最短路徑,到達(dá)指定的貨架,具有高效性。

2.3.3 超聲波避障

超聲波避障是一種常用的電子模塊,可以幫助設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能,常用于機(jī)器人、智能車輛、安防系統(tǒng)等領(lǐng)域,以提高安全性和可靠性。超聲波避障技術(shù)是利用超聲波在遇到障礙物時(shí)會被反射,結(jié)合信號發(fā)射及接收之間的時(shí)間差、發(fā)射器和接收器之間的距離,測算出信號發(fā)射器和障礙物之間的距離,從而及時(shí)對障礙物進(jìn)行躲避達(dá)到避障效果。超聲波測距傳播距離遠(yuǎn)、范圍廣、速度快、計(jì)算處理簡單,能對各種不同的介質(zhì)進(jìn)行反射,因此被廣泛使用在各種測距裝置中。

本文采用超聲波避障傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能。超聲波避障傳感器體積小、功耗低、抗噪聲干擾能力強(qiáng),且相比紅外避障,不易被周圍環(huán)境干擾。將超聲波避障模塊(包括超聲波發(fā)射器和接收器)連接到物流機(jī)器人的控制電路上,利用程序設(shè)置機(jī)器人通過發(fā)射器周期性地發(fā)射一個(gè)超聲波信號,信號會在儲物倉庫里擴(kuò)散,遇到障礙物時(shí)便反射回來。在接收器接收到經(jīng)儲物倉庫里物體反射回來的超聲波信號時(shí),會將信息反饋給主控芯片。主控芯片根據(jù)超聲波信號的強(qiáng)度及傳播速度對反射回來的信號進(jìn)行處理,可以計(jì)算出障礙物的位置和距離[4]。根據(jù)機(jī)器人和障礙物兩者之間的距離,電機(jī)驅(qū)動(dòng)器會驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)車輪采取相應(yīng)的措施,例如停止前進(jìn)、轉(zhuǎn)向或改變路徑[5],實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障,避免了物流機(jī)器人的碰撞和損壞。

2.4 稱重及減震模塊

2.4.1 稱重模塊

生活中有各種各樣的稱重裝置,例如家用的起重稱、超市里的食品稱以及稱量大型車輛的地磅等,它們的稱重原理類似,都是基于一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)換為可測量的電信號的稱重傳感器。其中,轉(zhuǎn)換方式為電阻應(yīng)變式的稱重傳感器使用最為廣泛,它基于應(yīng)變反應(yīng),將應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換為電阻變化。

本文采用HX711芯片實(shí)現(xiàn)稱重功能。HX711芯片是一款專為精度要求高的稱重傳感器而設(shè)計(jì)的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片,最大可精確到1 g。該芯片的時(shí)鐘輸入引腳(PD_SCK)及數(shù)據(jù)輸出引腳(DOUT)組成串口通信線,與主控芯片進(jìn)行通信。根據(jù)倉庫的實(shí)際情況設(shè)置多個(gè)質(zhì)量閾值,當(dāng)機(jī)器上貨物的質(zhì)量處于一定范圍時(shí),會優(yōu)先將質(zhì)量較大的貨物放置在下層。

2.4.2 減震模塊

對于物流倉庫內(nèi)一些不平坦的路面,本文采用彈簧連接減震器的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減震功能。通過活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼力來對彈簧被壓縮后的拉伸起到阻尼作用[6]。這種減震方式能盡量減少車身與彈簧和減震器之間的相對運(yùn)動(dòng),減震速度快、效果好,能有效地保證貨物的完整性,并延長機(jī)器人的使用壽命。

2.5 升降及上下臺階模塊

2.5.1 升降

生活中的升降結(jié)構(gòu)隨處可見,工地上的起重機(jī)、小區(qū)里的電梯都用到了升降,為人或物帶來高度上的變化,極大地方便了人們的生活和工作。

本文中的升降采用直流電機(jī)組件。直流電機(jī)組件是一種可以將電能經(jīng)過一系列復(fù)雜的變換之后轉(zhuǎn)換成機(jī)械能用來做功的裝置,是機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的一個(gè)十分重要的組成和控制部分,因其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、可靠性高、抗電磁干擾影響強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用在人們生活中的各個(gè)地方,例如電動(dòng)車、無人機(jī)、人工智能機(jī)器人等。此外,直流電機(jī)還擁有良好的調(diào)速特性,這使得它在工業(yè)化進(jìn)程中也承擔(dān)了一個(gè)極其重要的角色,包括汽車、建筑、航空航天在內(nèi)的許多領(lǐng)域的調(diào)速系統(tǒng)都需要用到直流電機(jī)。直流電機(jī)效率及可靠性高,工作壽命長,維護(hù)簡便且成本低,應(yīng)用廣泛,是電力拖動(dòng)的良好驅(qū)動(dòng)。

本文采用的直流減速電機(jī)能將直流電源的輸入與輸出轉(zhuǎn)換為模擬量,通過主控芯片進(jìn)行控制,為升降模塊減速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)力。將減速電機(jī)連接一對豎直導(dǎo)軌,減速電機(jī)通過把電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過齒輪(或者蝸輪蝸桿)減速機(jī),大大降低轉(zhuǎn)速,增加減速電機(jī)的輸出扭矩,從而驅(qū)動(dòng)貨物托盤在豎直導(dǎo)軌上自由移動(dòng),完成上升或下降。

2.5.2 上下臺階

在原本升降系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加紅外傳感器和電機(jī)組件,便可以實(shí)現(xiàn)上下臺階功能。紅外傳感器是一種非常常見且有用的傳感器,根據(jù)紅外光可反射的物理性質(zhì),利用物體發(fā)出的紅外輻射與傳感器接收到的紅外輻射之間的差異來進(jìn)行檢測和測量,優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,反應(yīng)快,能快速感知物體,可以在許多應(yīng)用中發(fā)揮作用,常用來避障、距離測量、溫度測量等。

本文在物流機(jī)器人上搭載了足夠的傳感器,用來檢測前方是否具有階梯式障礙物,并通過感知臺階的高度和位置,使物流機(jī)器人做出相應(yīng)的動(dòng)作。正常行駛狀態(tài)下,電動(dòng)馬達(dá)會驅(qū)動(dòng)輪子在水平地面上前進(jìn)或后退。當(dāng)物流機(jī)器人上的紅外傳感器檢測到前方具有階梯式的障礙之后,減速電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn),依次將機(jī)體的各個(gè)部分進(jìn)行抬升或下降,然后通過以上步驟的循環(huán)迭代,完成整個(gè)上下臺階的動(dòng)作[7]。

3 結(jié)語

倉儲物流機(jī)器人結(jié)合了多種模塊,與一些具有一定局限性的機(jī)械設(shè)備相比更加靈活,能夠在各大儲物倉庫自動(dòng)完成分揀并存儲貨物的整個(gè)流程。RFID技術(shù)識別貨物的相關(guān)信息讓數(shù)據(jù)信息更加準(zhǔn)確,稱重減震功能分區(qū)域存儲貨物,便于統(tǒng)計(jì)管理,并且使貨物在運(yùn)輸過程中不易損壞,保障了貨物的質(zhì)量。該機(jī)器人還有抬升機(jī)構(gòu)幫助升降和上下臺階以適應(yīng)不同環(huán)境。機(jī)器人正在以肉眼可見的速度滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?不僅是物流行業(yè),以后許多行業(yè)都會呈現(xiàn)機(jī)器化趨勢。本文設(shè)計(jì)的倉儲物流機(jī)器人具有性能好、工作效率高等特點(diǎn),能幫助分揀人員從一些危險(xiǎn)的工作環(huán)境中解放出來,降低了安全事故的發(fā)生率及安全事故發(fā)生時(shí)造成的損失,在自動(dòng)化生產(chǎn)的進(jìn)程中具有良好的發(fā)展前景。