智能搬运机器人的设计

郑彩丽 司丽娜 文桂伏

（北方工业大学 机械与材料工程学院，北京100144）

0 引言

近年来，随着社会的发展和科技的进步，工厂自动化程度不断提高，机器人或者自动化设备的使用提高了货物搬运、存储的效率，AGV小车作为一种轮式机器人在货物搬运中大幅降低了人力和物力的投入。本文规划了三种较为复杂的场地，设计并制作了一种遥控型AVG小车，这种小车能实现爬台阶、过斜坡、钻U形管道、物料颜色和形状识别等任务，进而将三种不同颜色和不同形状的物块运送到指定形状和位置的放置点中，小车的导向和辅助升降结构能够使其适应不同的地形，在指定区域内完成货物搬运等任务。

1 整体方案设计

遥控AGV小车为采用安卓系统控制的具有搬运功能的蓝牙小车[1]，通过安装在Android操作系统上的App程序的手机（具备蓝牙功能）控制，分别完成直行、上下坡、上下台阶、钻内洞、转弯、抓取以及搬运货物并放置到指定地点等一系列动作，小车在完成各项任务后回到出发区域。小车的设计包括机械结构设计和控制部分设计，在完成AGV小车的安装后对整车的功能进行了测试。

2 AGV小车机械结构设计

根据功能需求，该遥控型AGV小车除了完成抓取和搬运物料的任务外，同时还能越过场地中设置的斜坡、台阶、弯道等障碍，这就需要小车具备特定的机械结构来完成相应的功能。

2.1 遥控AGV小车轮子的设计与选定

全地形小车目前普遍见到的是六轮式结构[2]，该结构较为复杂并且对于两级以上台阶的翻越成功率和效率较高，本文规划的场地为两级台阶，如图2所示，综合考虑后采用一种更简单的四轮结构。很明显普通的四轮结构很难完美越过障碍物，为了解决该问题就必须增加其他辅助结构。四轮结构一个很大的优点就是结构简单，行动灵活，同时也能在很大程度上降低操作难度。

图2 二级台阶

图3 双边窄桥

采用四轮结构时小车与地面及斜坡的摩擦力也会有所减小，可能无法翻越斜坡。为了解决这一问题，选择黑色橡胶轮来增大小车与地面及障碍物表面的摩擦力，并且能够提高小车行驶过程中的稳定性。

2.2 遥控型AGV小车辅助结构的设计

四轮小车难以越过台阶的主要原因是小车受限于车长、轮径以及车体的动力大小。当小车前面两轮与第一级台阶接触时，就需要四驱式小车的各个动力源提供足够的推力，使得小车获得足够的牵引力来越过第一级台阶。可见，只要轮径合适，加之动力足够的情况下，小车越过第一级台阶的难度不大。难点在于小车如何使得前轮登上二级台阶，后轮登上一级台阶，因为此种状态更有利于小车的后续抓取物料以及小车姿态的调节。因此，在这种情况下，没有任何辅助机构的小车就很难实现功能。

考虑到一级台阶与二级台阶之间的余量，无法让小车整体同时在这个余量范围内，此时小车后轮在地面，前轮在一级台阶上，为了减小小车动力不足的影响，可以通过一个结构辅助前轮“爬坡”，结构的三维模型如图4所示，放下此支撑结构时小车前轮抬高，在后轮的推动下，使得小车整体向前移动一小段距离，此时前轮处于抬起状态，当前轮的底部圆心越上第二级台阶时，收起该支撑结构，同时继续让后轮提供动力，前轮接触二级台阶上部平面，此时小车再一次获得四驱动力，通过调整后可以达到抓取指定地点物体的姿态，再配合机械臂机械爪的运动，从而实现准确的抓取。

图4 辅助结构的三维模型

2.3 AGV小车机械臂的设计

机械臂是小车能够顺利调整姿态并完成抓取的关键部件。设计机械臂需要考虑重点是：机械臂关节的自由度以及各个关节的尺寸。原因如下：（1）自由度不够的话，很明显会有抓取盲区；（2）自由度多余的话，使得整体的机械和电气结构更加复杂，同时增加操作手的操作难度。因此，需要通过分析与实际模拟，设计确定的机械臂的自由度数。

对于遥控小车来说，无须云台的转动自由度，反而可以保证小车在某一个方向上的准确性。而全自动小车为了满足机械臂可以抓起斜桥、U形管道以及二级台阶上的物块，同时便于抓取时的动作调整，经过综合计算与仿真，设计的机械臂结构如下：机械臂本身选择三自由度、加上一个与机械爪连接部分的手腕部的旋转自由度，以及爪子的开合自由度，共可以实现五个自由度。机械臂尺寸方面，由于采用舵机串联开环连接，因此采用市面上的舵机标准支架连接即可。

2.4 遥控AGV小车手爪的设计

手爪对物体的抓取至关重要，只有准确的抓取才能保证后面的搬运和放置功能。如果抓取位置不合适，出现放置失误或抓取不牢固的情况，甚至物料在运输过程中掉落。因此手爪设计必须结合物料尺寸和形状进行。物料形状分为单圆柱型、圆柱和长方体拼接型以及正六棱柱型。因此，单纯的圆弧形手爪只能保证圆柱体型的物料抓取精度，很难保证正六棱柱型物体的抓取，而平行手爪又不能保证圆柱体型物料的抓取和运输稳定。经过实际试验，最终采取圆弧形手爪并用泡沫材料对手爪包裹的方案。在手爪保持一定抓紧力的时候，泡沫材料会发生较大形变，从而与各物料的接触面积增大，同时泡沫材料与亚克力或金属材料相比，还可以在很大程度上增大摩擦力。同时，为了进一步保障抓取的可靠，手爪部分纵向布置三层，手爪结构的三维模型如图5所示。

图5 手爪的三维模型

2.5 遥控AGV小车前置导向轮设计

前置导向轮的作用就是便于小车顺利通过U形管道，尺寸要求如图6所示。小车在通过U形管道时，若操作偏差就会导致小车被卡住。导向轮的局部自由度就可以很好地解决这个问题，由于两侧导向轮的整体宽度大于小车底板宽度，使得小车整体能够顺着导向轮和管道壁的滚动滑移顺利通过管道。导向轮结构如图7所示。

图6 U形管道

图7 前置导向轮结构

2.6 遥控AGV小车底板设计

底板是机械臂安装的基台，是轮子、控制板、驱动板以及电源线和信号线的载体，因此底板的设计需要留足够的空间便于布置以上部件，还要尽可能地设法减重，以便于减轻整车质量。底板的具体形状和尺寸以及一些定位孔的不确定，需要根据实际的零部件的安装和布局进行多次调整。

3 AGV小车控制部分设计

控制部分主要包括摄像头控制、电机驱动、舵机控制和蓝牙模块的连接，整个控制系统采用12 V的铅蓄电池供电，通过电源转换芯片得到5.0 V和3.3 V的电压为其他芯片供电，控制系统的硬件结构框图如图8所示。

图8 控制系统硬件结构框图

控制对象主要包括直流电机、机械臂及底部辅助机构的舵机。直流电机选择最简单实用的TT马达，为了方便对舵机进行控制，统一选择15 kg扭矩的单或双轴数字舵机。选择型号为HC-05的蓝牙模块，手机通过蓝牙信号传输到HC-05上，再通过串口和微控制器进行通信。此外，通过移动端的App给AGV小车发送不同的控制指令。选择Arduino mega 2 560作为本次电控部分的主控板，其丰富的接口，数字I/O口，模拟I/O口，支持多种串口通信的特点，加之使用简单，不需要相对复杂的底层代码就可完成控制功能[3]。选用可编程的摄像头Openmv[4，5]进行物料的拍照和颜色识别，内置图像处理功能，处理信号容易，能降低编程难度和减轻主控制版的负荷。使用数码管实时显示电池的电压以监测电池的电量，当电池的电量过低时就会通过蜂鸣器发出提示信息。系统的程序流程图如图9所示。

图9 系统程序流程图

4 测试结果及结论

完成AGV小车各部分的软硬件设计和组装后得到的实物图如图10所示，前端的导向结构可以使小车适应管道型的地形，底部的支撑结构可以使小车的前半部分抬升以爬越台阶。测试结果表明AGV小车能够准确识别和执行移动端发出的控制指令并且完成物料的抓取、搬运以及放置到指定位置等任务。

图1 不同地形布局平面图

图10 AGV小车实物图

实验验证了AGV小车能够适应多种工作环境并且能够完成物体的颜色识别、抓取、搬运和放置到指定位置等任务，为开发更加智能和自动化程度更高的搬运机器人提供了设计参考方案。