基于AGV和工業(yè)機(jī)器人的智能搬運(yùn)小車的研究

周文軍，吳有明

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530008）

基于AGV和工業(yè)機(jī)器人的智能搬運(yùn)小車的研究

周文軍，吳有明

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530008）

針對(duì)目前工業(yè)機(jī)械手活動(dòng)范圍不夠大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種全新的將工業(yè)機(jī)械手和AGV小車組合的移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人。其采用超聲波傳感器進(jìn)行初定位，利用地面上的簡(jiǎn)單二維碼進(jìn)行位置校正和輔助定位，并采用PSD精確位置傳感器，實(shí)現(xiàn)了AGV小車的準(zhǔn)確定位，配合工業(yè)視覺(jué)相機(jī)，工業(yè)機(jī)械手能靈活穩(wěn)定地存放各類貨物。提出了一種上位機(jī)集中調(diào)度控制AGV的方案。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，證明本系統(tǒng)穩(wěn)定，有望大大提高現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)行效率。

AGV小車；工業(yè)機(jī)器人；PSD傳感器；集中控制；物流搬運(yùn)

AGV具有靈活性、可重組性、智能化等優(yōu)點(diǎn),可以方便地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的柔性化運(yùn)輸，在現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)中占據(jù)了越來(lái)越重要的位置[1-2]。工業(yè)機(jī)械手能輕易地實(shí)現(xiàn)焊接、噴涂、裝配、分揀、碼垛、涂膠、以及機(jī)床上下料等。但其一般固定安裝于地面、墻壁或天花板，或者通過(guò)導(dǎo)軌擴(kuò)大它的操作范圍。為了進(jìn)一步擴(kuò)大工業(yè)機(jī)械手的工作范圍，可將其安裝于能自主移動(dòng)的AGV小車之上。這樣，既能充分利用AGV小車的運(yùn)動(dòng)范圍廣的特點(diǎn)，又能發(fā)揮工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)靈活，穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，能大大提升現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)物流存取的自動(dòng)化水平，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。

工業(yè)機(jī)械手和自動(dòng)導(dǎo)引小車AGV的組合即為一種移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人，目前在市場(chǎng)中未見(jiàn)有該類機(jī)器人。該類機(jī)器人屬于特種機(jī)器人，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的AGV智能搬運(yùn)小車，它結(jié)合工業(yè)機(jī)器人和AGV小車的優(yōu)勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)存物和取物的全自動(dòng)化管理。

1 智能搬運(yùn)小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能搬運(yùn)小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包括：小車CPU控制核心、工業(yè)機(jī)器人控制器、小車循跡模塊、小車精確定位模塊、電源模塊、視覺(jué)識(shí)別模塊、ZigBee無(wú)線通訊模塊。

圖1 智能搬運(yùn)小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人控制器主要控制機(jī)械手完成貨物的靈活?yuàn)A取和存放；小車循跡模塊主要采用光電掃描，能根據(jù)地面白色導(dǎo)條，輔以關(guān)鍵點(diǎn)二維碼定位技術(shù)完成小車的循跡和定位；小車精確定位模塊主要采用超聲波測(cè)距以及PSD精確位置控制來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的精確定位；電源模塊主要完成智能充電和供電控制；視覺(jué)識(shí)別模塊是在小車準(zhǔn)確到達(dá)指定位置后來(lái)智能識(shí)別貨物，以保證機(jī)械手能準(zhǔn)確抓取貨物；ZigBee無(wú)線通訊模塊主要完成智能搬運(yùn)小車和中控上位機(jī)PC間的通信，以實(shí)現(xiàn)該小車由中控PC統(tǒng)一調(diào)度。

智能搬運(yùn)小車硬件安裝如圖2所示：工業(yè)機(jī)械手安裝于潛伏式AGV小車之上；工業(yè)機(jī)械手控制器、大容量電池、小車CPU控制核心等安裝在小車內(nèi)部；視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)和末端夾具安裝在工業(yè)機(jī)械手的末端；PSD傳感器安裝在小車的側(cè)面。

圖2 智能搬運(yùn)小車硬件安裝

2 智能搬運(yùn)小車準(zhǔn)確定位的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用工業(yè)機(jī)械手和視覺(jué)識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的精確夾取和存放，因此對(duì)于小車的定位精度要求很高。當(dāng)機(jī)器人的末端夾具的重復(fù)定位偏差超過(guò)20 mm時(shí)，就有可能使視覺(jué)相機(jī)誤測(cè)。這樣，要求AGV小車的定位精度應(yīng)＞±3 mm，在豎直軸上的旋轉(zhuǎn)偏差應(yīng)＜±3°.

2.1 二維碼定位的應(yīng)用

通過(guò)掃描預(yù)置在路線中的二維碼來(lái)實(shí)現(xiàn)小車準(zhǔn)確定位的方法在作者的另一篇文章《AGV小車柔性對(duì)接充電技術(shù)研究》中做了詳細(xì)的說(shuō)明。二維碼簡(jiǎn)單穩(wěn)定，鋪設(shè)和更換方便，信號(hào)處理容易，定位效果較好。二維碼定位方法主要用于小車路徑實(shí)時(shí)校正，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 超聲波測(cè)距的應(yīng)用

超聲波測(cè)距是一種成熟的避障方法，但是超聲波傳感器具有檢測(cè)盲區(qū)，無(wú)法檢測(cè)近距離障礙物，因此本系統(tǒng)的AGV小車用超聲波僅完成進(jìn)行避障和預(yù)定位。

當(dāng)檢測(cè)距離小于300 mm時(shí)，小車開(kāi)始減速，檢測(cè)距離為200 mm時(shí)，小車換用PSD準(zhǔn)確測(cè)量和定位，進(jìn)一步減速。

2.3 基于PSD的小車準(zhǔn)確定位控制

2.3.1 PSD測(cè)量方法

PSD是位置探測(cè)器，它是一種精密的光電測(cè)距器件，其響應(yīng)速度快、位置分辨率高。在測(cè)量物體時(shí)，即使被測(cè)物體的位置有微小變化，輸出電壓值都會(huì)有很明顯的變化。PSD光斑移動(dòng)的位置可由光敏傳感器的兩端電極輸出電流來(lái)決定，當(dāng)采用±5 V電源供電時(shí)，分辨率超過(guò)1 400 mV/mm，即光斑每移動(dòng)1 mm，輸出電壓呈線性變化1 400 mV.

圖3 PSD傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)采用一維PSD傳感器，其輸出為電流信號(hào)，需要將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，這樣便于進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，方便進(jìn)行數(shù)字化處理。本系統(tǒng)采用如圖3所示的電路，利用電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。該電路中，若PSD輸出1 mA電流變化，則A/D轉(zhuǎn)換端將得到1000 mV的電壓變化，將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后可用于精確控制小車的位移。

2.3.2 PSD傳感器用于AGV準(zhǔn)確定位

在每一個(gè)倉(cāng)位都有一個(gè)固定紅外光束，當(dāng)小車靠近倉(cāng)位時(shí)，光束開(kāi)始投射光斑到小車側(cè)面。在前述圖2中已經(jīng)述及PSD安裝在小車的側(cè)面，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到光斑。

當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到距倉(cāng)位小于200 mm時(shí)，小車速度已經(jīng)降到30 mm/s，此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入PSD傳感器檢測(cè)區(qū)域。由于小車的速度慢，且PSD傳感器的檢測(cè)精度高，一旦PSD檢測(cè)小車到位，立即啟動(dòng)剎車電路。采用該方法，能保證小車的定位誤差小于20 mm.這樣，就能保證安裝在機(jī)械手末端的視覺(jué)系統(tǒng)能正常檢測(cè)到貨物并啟動(dòng)視覺(jué)識(shí)別程序。

3 基于視覺(jué)識(shí)別的貨物抓取

如圖2所示，相機(jī)安裝在工業(yè)機(jī)械手的末端，隨機(jī)械手一起運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)采用信捷SV4-120ML智能相機(jī)，該相機(jī)分辨率為1 280×960，約120萬(wàn)像素。該相機(jī)對(duì)黑白文字的識(shí)別率較高，能識(shí)別印在貨箱上的文字以及圖片等信息。同時(shí)，能識(shí)別目標(biāo)外框，并能準(zhǔn)確測(cè)出外框的具體坐標(biāo)，該坐標(biāo)以像素為單位，所攝圖像的左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)。

該智能相機(jī)具有MODBUS-485標(biāo)準(zhǔn)接口，能實(shí)時(shí)輸出目標(biāo)的外框坐標(biāo)。如圖3所示為CPU控制核心讀取和處理智能相機(jī)輸出的目標(biāo)外框坐標(biāo)的處理流程。

在完成AGV小車的準(zhǔn)確定位后，首先需要將機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到預(yù)定的姿勢(shì)，若不能檢測(cè)到目標(biāo)，則需要在臨近區(qū)域改變機(jī)械手姿態(tài)以搜索目標(biāo)。搜索到目標(biāo)后需要調(diào)用MODBUS讀取子程序以準(zhǔn)確調(diào)整機(jī)械手姿態(tài)，直到能準(zhǔn)確夾取目標(biāo)，最后調(diào)用夾取子程序，完成夾取。

圖4 視覺(jué)處理程序流程圖

4 與上位機(jī)PC通訊接口的設(shè)計(jì)

現(xiàn)代物流倉(cāng)儲(chǔ)的倉(cāng)位多，且種類繁雜，單臺(tái)AGV無(wú)法解決繁重的搬運(yùn)工作。用上位機(jī)PC實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)AGV的集中控制和調(diào)度是一種常見(jiàn)的解決方案[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)AGV小車調(diào)度方面的研究取得了很多成果，這些成果大大提高了自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中AGV設(shè)備的利用率[4]。

本系統(tǒng)AGV小車間通過(guò)ZigBee協(xié)議組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，小車CPU控制核心通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊以及ZigBee路由器與上位機(jī)PC聯(lián)網(wǎng)，接受上位機(jī)的調(diào)度[5]。

如圖5所示是智能搬運(yùn)小車與PC組網(wǎng)示意圖，上位機(jī)與ZigBee路由器通過(guò)RJ45網(wǎng)線相連。小車通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊聯(lián)接到ZigBee路由器，從而可以實(shí)時(shí)接受PC上位機(jī)的調(diào)度，并能實(shí)時(shí)返回小車的各種狀態(tài)信號(hào)給PC，如：小車位置、小車抓取貨物情況、小車電量等。

圖5 智能搬運(yùn)小車與PC組網(wǎng)

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前工業(yè)機(jī)械手活動(dòng)范圍不夠大的問(wèn)題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種工業(yè)機(jī)械手和自動(dòng)導(dǎo)引小車AGV的組合體，即一種移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人。

本系統(tǒng)采用超聲波傳感器進(jìn)行初定位，利用地面上的簡(jiǎn)單二維碼進(jìn)行位置校正和輔助定位，并采用PSD傳感器，實(shí)現(xiàn)了小車的準(zhǔn)確定位控制，其定位誤差小于20 mm.

在實(shí)現(xiàn)AGV小車準(zhǔn)確定位后，本系統(tǒng)采用工業(yè)視覺(jué)相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的最后精確定位。利用工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的靈活性，可以方便地夾取各類貨物。本AGV智能搬運(yùn)小車系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室里經(jīng)過(guò)大于100 h的試驗(yàn)測(cè)試，其運(yùn)行較穩(wěn)定。

但是，該系統(tǒng)還有兩個(gè)方面需要改進(jìn)：一、工業(yè)機(jī)械手的耗電較大，電池容量是短板；二、本項(xiàng)目只提出了PC上位機(jī)的集中控制方案，因試驗(yàn)條件限制，在試驗(yàn)過(guò)程中只是對(duì)單臺(tái)AGV智能搬運(yùn)小車進(jìn)行了測(cè)試，若要大范圍推廣應(yīng)用，還需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

[1]金亞萍.自動(dòng)導(dǎo)引車關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].物流技術(shù)與應(yīng)用，2015（11）：60-63.

[2]劉敏偉.淺談激光導(dǎo)引AGV系統(tǒng)原理與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（11）：120-123.

[3]顧紅.卷煙企業(yè)物流系統(tǒng)柔性調(diào)度管理研究[D].昆明:昆明理工大學(xué)，2011.

[4]宋存利，薛倩.混合蟻群遺傳算法在車間作業(yè)調(diào)度的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2009（11）：18-20

[5]吳清秀.基于ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)管理研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016（07）：25-28.

Research of Intelligent Vehicle Based on AGV and Industrial Robot

ZHOU Wen-jun，WU You-ming
（Nanning College for Vocational Technology，Nanning Guangxi 530008，China）

In order to solve the problem that industrial robot motion range is not big enough，a new kind of mobile industrial robot，which combines industrial robot and AGV，is designed.The ultrasonic sensor is used for initial positioning，and the simple two-dimensional code on the ground is used for correcting AGV position，and PSD precise position sensor is used to achieve accurate AGV positioning，and with the help of smart cameras，industrial robot can flexible and stable store all kinds of goods.A scheme of upper PC centralized scheduling control AGV is proposed.After a long time laboratory test，this system is very stable，and is expected to greatly improve the efficiency of modern warehousing operations.

AGV car；industrial robot；PSD sensor；centralized control；logistics

TP368.12

A

1672-545X（2016）11-0096-03

2016-08-07

1.2015年度廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“工業(yè)機(jī)器人和AGV小車的組合應(yīng)用研究”（KY2015LX625）；2.2015年度南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)科技項(xiàng)目“DeviceNet總線工業(yè)機(jī)器人外圍非標(biāo)設(shè)備研究與開(kāi)發(fā)”（2015ZD119）

周文軍（1981-），男，湖南衡陽(yáng)人，碩士，講師，研究方向：智能化焊接、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用；吳有明（1972-），男，廣西宜州人，副教授，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用。