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2011～2018年我國(guó)AGV市場(chǎng)新增量及增長(zhǎng)情況如圖1所示, 由此可見, 我國(guó)對(duì)AGV的需求量在逐步增大。

圖1 2011～2018年我國(guó)AGV市場(chǎng)新增量及增長(zhǎng)情況   下載原圖

根據(jù)本次機(jī)器人所要實(shí)現(xiàn)的搬運(yùn)、導(dǎo)航、避障等功能, 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行五大模塊的設(shè)計(jì):

(1) 主控模塊:主要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)起到各個(gè)模塊的平衡作用。

(2) 電源及管理模塊:電源是機(jī)器人的動(dòng)力源泉。

(3) 運(yùn)動(dòng)控制模塊:機(jī)器人在接收指令后通過直線行走、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)到指定位置。

(4) 避障模塊:通過紅外光電傳感器檢測(cè)障礙物, 并及時(shí)做出規(guī)避動(dòng)作。

(5) 定位模塊:機(jī)器人通過二維碼信息采集技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航定位, 按規(guī)定路線進(jìn)行運(yùn)行。

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖   下載原圖

構(gòu)成主要包括搬運(yùn)機(jī)器人的底盤、舉升設(shè)施以及傳感器等。物流機(jī)器人的底盤是機(jī)器人的重要外圍設(shè)計(jì), 對(duì)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)起到支撐作用。

外殼屬于保護(hù)部件, 對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)起保護(hù)作用。機(jī)器人舉升設(shè)施是用來實(shí)現(xiàn)舉升、裝卸的關(guān)鍵部分, 保證機(jī)器人可靠行走的部件則為傳感器。

倉儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。倉儲(chǔ)物流搬運(yùn)機(jī)器人主體支架由上下兩層組成。其中主要包括控制單元、避障裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)航定位裝置、舉升設(shè)備等部件。

圖3 四輪布局   下載原圖

本次設(shè)計(jì)采用兩輪驅(qū)動(dòng)方式, 為了提高機(jī)器人承載重物的能力, 選擇使用兩個(gè)萬向輪分擔(dān)負(fù)載。如圖3所示。

此外本次運(yùn)用Solidworks軟件對(duì)機(jī)器人的車輪進(jìn)行設(shè)計(jì), 并利用以前所制作的3D打印技術(shù), 對(duì)機(jī)器人車輪進(jìn)行打印。

出于本次設(shè)計(jì)的倉儲(chǔ)物流機(jī)器人運(yùn)行速度低, 功率也不高, 因此, 采用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)足夠滿足此次設(shè)計(jì)。機(jī)器人車體本身重量m1=3 kg, 最大負(fù)重m2=10 kg, 最大移動(dòng)速度v=0.3 m/s。設(shè)最大加速度a=0.3 m2/s, 取滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.2, 安全裕量k=2, 機(jī)械傳動(dòng)效率η=0.8, 并假設(shè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在理想情況下機(jī)械特性、功率曲線一樣, 則機(jī)器人正常工作時(shí)所需總驅(qū)動(dòng)功率為:

本文采用兩個(gè)直流無刷電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng), 并考慮安全裕量, 故單個(gè)電機(jī)功率需求為:

根據(jù)電機(jī)功率進(jìn)一步計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩T, 本文采用輪子直徑T=650 mm, 所需最大轉(zhuǎn)矩為:

T=fr=μ (m1+m2) gr

=0.2× (3+10) ×9.8×0.0325=0.8281 N·m

根據(jù)機(jī)器人移動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)輪輪徑, 可計(jì)算得到機(jī)器人電機(jī)所需轉(zhuǎn)速n為:

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

本次研究選用鋰電池作為機(jī)器人的動(dòng)力源泉, 所選電池參數(shù)如表1所示。

表1 鋰電池參數(shù)表 導(dǎo)出到EXCEL

如果在行進(jìn)過程中遇到障礙物擋住發(fā)出的光線, 則會(huì)使發(fā)射出的紅外光線中的一部分反射回來, 通過收光裝置之后, 會(huì)輸出一個(gè)信號(hào), 然后經(jīng)過系統(tǒng)的控制所傳遞出的信息使機(jī)器人立即停止行進(jìn)。

圖4 功能需求分析圖   下載原圖

倉儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的功能需求分析圖如圖4所示, 由圖分析機(jī)器人需要接收上位機(jī)信號(hào)并執(zhí)行指令, 將貨物搬運(yùn)至工作區(qū)再返回到出發(fā)區(qū)。途中機(jī)器人還需向上位機(jī)對(duì)機(jī)器人的狀態(tài)、信息進(jìn)行反饋。對(duì)于所述要求, 倉儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人需要具有數(shù)據(jù)采集功能以及搬運(yùn)等功能。

在模擬搬運(yùn)環(huán)境中, 地面貼有二維碼地標(biāo), 每個(gè)二維碼標(biāo)志攜帶有位置信息, 使用專門模塊掃描二維碼獲取地標(biāo)信息從而獲取位置信息。

其中數(shù)據(jù)為二維碼對(duì)應(yīng)的位置信息以及是否存在貨架, 如果檢測(cè)存在貨架, 則機(jī)器人需要原地旋轉(zhuǎn)180°, 并等待舉升機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

倉儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人裝有3個(gè)灰度傳感器, 如圖5所示。

圖5 灰度傳感器分布圖   下載原圖

首先將3個(gè)灰度傳感器從左向右分別如圖5編號(hào)。機(jī)器人沿中心循跡時(shí), ②號(hào)傳感器能夠檢測(cè), ①號(hào)、③號(hào)傳感器不檢測(cè)。灰度傳感器掃過引導(dǎo)線時(shí), 傳感器會(huì)輸出高信號(hào), STM32首先對(duì)高信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 之后取高信號(hào)編號(hào)的平均值, 與平均值做差, 以此來判斷機(jī)器人是否偏移, 然后進(jìn)行誤差修正。

機(jī)器人通過用電動(dòng)推桿將貨物舉起。本次使用的電動(dòng)推桿伸縮量可以達(dá)到100 mm, 使用位置閉環(huán)控制對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制, 反饋電動(dòng)推桿上下移動(dòng)的距離則取決于編碼器脈沖數(shù), 由于電動(dòng)推桿本身自帶限位開關(guān), 由此特性來控制是否正常工作。

本次產(chǎn)品有以下特點(diǎn): (1) 采用3D打印技術(shù)制造機(jī)器人零部件:使用Solidworks軟件對(duì)倉儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人的零部件進(jìn)行設(shè)計(jì), 通過3D打印技術(shù)打印機(jī)器人部分組成零件。 (2) 二維碼掃描技術(shù)進(jìn)行指令識(shí)別:本機(jī)器人主要采用二維碼掃描技術(shù)來進(jìn)行導(dǎo)航定位并且實(shí)現(xiàn)指令的識(shí)別。 (3) 采用四輪設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)方式:在兩輪驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上, 配合兩個(gè)萬向從動(dòng)輪, 以此提高倉儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人承載重物的能力。 (4) 實(shí)現(xiàn)智能追蹤, 擁有避障功能:通過紅外傳感器來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的尋跡和安全避障。

本次機(jī)器人成品圖如圖6所示。

圖6 機(jī)器人成品圖