智能仓储物流机器人的研制

曹文慧，满 翼，朱现伟，欧阳帮燕，麻风光，刘长军

(沈阳工业大学 化工装备学院，辽宁 沈阳 111003)

2011～2018年我国AGV市场新增量及增长情况如图1所示，由此可见，我国对AGV的需求量在逐步增大。

图1 2011～2018年我国AGV市场新增量及增长情况

1 仓储物流机器人硬件设计

1.1 系统总体组成结构

根据本次机器人所要实现的搬运、导航、避障等功能，对控制系统进行五大模块的设计：

(1)主控模块：主要对系统内起到各个模块的平衡作用。

(2)电源及管理模块：电源是机器人的动力源泉。

(3)运动控制模块：机器人在接收指令后通过直线行走、转弯等运动到指定位置。

(4)避障模块：通过红外光电传感器检测障碍物，并及时做出规避动作。

(5)定位模块：机器人通过二维码信息采集技术进行导航定位，按规定路线进行运行。

1.2 总体构造设计

图2 内部结构图

构成主要包括搬运机器人的底盘、举升设施以及传感器等。物流机器人的底盘是机器人的重要外围设计，对机器人的整体结构起到支撑作用。

外壳属于保护部件，对内部结构起保护作用。机器人举升设施是用来实现举升、装卸的关键部分，保证机器人可靠行走的部件则为传感器。

仓储搬运机器人内部结构示意图如图2所示。仓储物流搬运机器人主体支架由上下两层组成。其中主要包括控制单元、避障装置、驱动装置、导航定位装置、举升设备等部件。

1.3 驱动方式选择

图3 四轮布局

本次设计采用两轮驱动方式，为了提高机器人承载重物的能力，选择使用两个万向轮分担负载。如图3所示。

此外本次运用Solidworks软件对机器人的车轮进行设计，并利用以前所制作的3D打印技术，对机器人车轮进行打印。

1.4 电机选型

出于本次设计的仓储物流机器人运行速度低，功率也不高，因此，采用直流电机作为驱动系统足够满足此次设计。机器人车体本身重量m1=3 kg，最大负重m2=10 kg，最大移动速度v=0.3 m/s。设最大加速度a=0.3 m2/s，取滑动摩擦系数μ=0.2，安全裕量k=2，机械传动效率η=0.8，并假设两个驱动电机在理想情况下机械特性、功率曲线一样，则机器人正常工作时所需总驱动功率为:

本文采用两个直流无刷电机进行驱动，并考虑安全裕量，故单个电机功率需求为：

根据电机功率进一步计算电机转矩T，本文采用轮子直径T=650 mm，所需最大转矩为：

T=fr=μ(m1+m2)gr

=0.2×(3+10)×9.8×0.0325=0.8281 N·m

根据机器人移动速度和驱动轮轮径，可计算得到机器人电机所需转速n为：

n=60V/2πr=(60×0.3)/(2π×0.0325)=88.1473 r/min

1.5 供电电池选型

本次研究选用锂电池作为机器人的动力源泉，所选电池参数如表1所示。

表1 锂电池参数表

1.6 红外避障模块选型

如果在行进过程中遇到障碍物挡住发出的光线，则会使发射出的红外光线中的一部分反射回来，通过收光装置之后，会输出一个信号，然后经过系统的控制所传递出的信息使机器人立即停止行进。

2 仓储物流机器人软件设计

图4 功能需求分析图

仓储搬运机器人系统的功能需求分析图如图4所示，由图分析机器人需要接收上位机信号并执行指令，将货物搬运至工作区再返回到出发区。途中机器人还需向上位机对机器人的状态、信息进行反馈。对于所述要求,仓储搬运机器人需要具有数据采集功能以及搬运等功能。

2.1 二维码信息采集设计

在模拟搬运环境中，地面贴有二维码地标，每个二维码标志携带有位置信息，使用专门模块扫描二维码获取地标信息从而获取位置信息。

其中数据为二维码对应的位置信息以及是否存在货架，如果检测存在货架，则机器人需要原地旋转180°，并等待举升机构的动作。

2.2 循迹模块处理设计

仓储搬运机器人装有3个灰度传感器，如图5所示。

图5 灰度传感器分布图

首先将3个灰度传感器从左向右分别如图5编号。机器人沿中心循迹时，②号传感器能够检测，①号、③号传感器不检测。灰度传感器扫过引导线时，传感器会输出高信号，STM32首先对高信号进行统计，之后取高信号编号的平均值，与平均值做差，以此来判断机器人是否偏移，然后进行误差修正。

2.3 举升电机控制设计

机器人通过用电动推杆将货物举起。本次使用的电动推杆伸缩量可以达到100 mm，使用位置闭环控制对电机进行控制，反馈电动推杆上下移动的距离则取决于编码器脉冲数，由于电动推杆本身自带限位开关，由此特性来控制是否正常工作。

3 总结

本次产品有以下特点：(1)采用3D打印技术制造机器人零部件：使用Solidworks软件对仓储搬运机器人的零部件进行设计，通过3D打印技术打印机器人部分组成零件。(2)二维码扫描技术进行指令识别：本机器人主要采用二维码扫描技术来进行导航定位并且实现指令的识别。(3)采用四轮设计的驱动方式：在两轮驱动的基础上，配合两个万向从动轮，以此提高仓储搬运机器人承载重物的能力。(4)实现智能追踪，拥有避障功能：通过红外传感器来实现机器人的寻迹和安全避障。

本次机器人成品图如图6所示。

图6 机器人成品图