李淼鑫 劉炎楊 劉竟波 項(xiàng)波

摘? 要：近年來(lái)隨著電商的崛起，快遞物流行業(yè)也進(jìn)行了翻天覆地的變化，各大小省市每天的物流量也在逐年增漲，但是各地的物流分揀依舊依靠人工進(jìn)行，如今已經(jīng)進(jìn)入智能化，自動(dòng)化的時(shí)代，人工分揀不僅會(huì)出現(xiàn)分揀錯(cuò)誤的情況，而且工作效率很低，所以一款可以智能分揀的機(jī)器人就顯得尤為重要。該項(xiàng)目為一款智能化物流搬運(yùn)機(jī)器人，機(jī)器人內(nèi)部集成有一款高自由度且?guī)恢梅答伒臋C(jī)械臂，可以連接網(wǎng)絡(luò)接收搬運(yùn)任務(wù)，物流識(shí)別系統(tǒng)，以及一些其他功能。同時(shí)項(xiàng)目相比較市面其他機(jī)器人，具有研發(fā)成本低，操作簡(jiǎn)單，工作效率高等特點(diǎn)。別項(xiàng)目的研發(fā)致力于解決物流貨物分揀和搬運(yùn)問(wèn)題，幫助各地區(qū)物流分揀人員提高效率，節(jié)省人工資源，將智能機(jī)器人融入人們的日常生活中。

關(guān)鍵詞：智能化; 自動(dòng)化; 分揀機(jī)器人

1 引言

目前物流行業(yè)中，主要的勞力環(huán)節(jié)集中在物流分揀和搬運(yùn)方面，但是由于近年來(lái)國(guó)家日益發(fā)展，人民生活水平的提高，體力勞動(dòng)者也漸漸減少，并且隨著時(shí)間的推移，體力勞動(dòng)只會(huì)更加罕見(jiàn)，而這些最基礎(chǔ)的工作又不能缺失，所以這些純體力勞動(dòng)的工作必然要被機(jī)器所代替，同時(shí)使用機(jī)器不僅可以節(jié)省財(cái)力，也能保證人員安全，更加省心省力。

2? ?原理與設(shè)計(jì)

項(xiàng)目的設(shè)計(jì)理念是打造一款可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)物流任務(wù)，對(duì)物流進(jìn)行搬運(yùn)和分揀，進(jìn)而節(jié)省勞動(dòng)力;機(jī)器人設(shè)計(jì)為三段結(jié)構(gòu)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)物流平穩(wěn)運(yùn)輸和機(jī)器人的全方位移動(dòng)，機(jī)器人底盤采用二段式車輛設(shè)計(jì)，使用麥克納姆輪實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng);二層為空置層，設(shè)計(jì)有貨物卡扣結(jié)構(gòu)，保證物流在運(yùn)輸過(guò)程中的穩(wěn)定;第三層安裝多自由度機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)物流搬運(yùn)過(guò)程，同時(shí)機(jī)械臂具備位置反饋功能，可進(jìn)行遙控教點(diǎn)，控制方式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)（結(jié)構(gòu)如圖1所示）。

3? ?硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1硬件設(shè)計(jì)

該智能物流搬運(yùn)小車的硬件設(shè)計(jì)使用多片STM32單片機(jī)相互協(xié)調(diào)進(jìn)行工作、使用ESP8266連接物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)取物流任務(wù)碼、利用openmv進(jìn)行物流識(shí)別、采用工業(yè)級(jí)飛特總線舵機(jī)自行設(shè)計(jì)機(jī)械臂，使用特制的遙控手柄可以進(jìn)行位置校點(diǎn)、使用麥克納姆輪可實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)如圖2所示，同時(shí)電機(jī)使用三項(xiàng)無(wú)刷電機(jī)，已進(jìn)行速度閉環(huán)處理。

產(chǎn)品使用綠色能源，使用12V航模電池進(jìn)行供電，首先通過(guò)三個(gè)工業(yè)級(jí)降壓模塊分多路降低為7.2V、5V、3.3V，其中機(jī)械臂和電機(jī)使用12V電源，機(jī)械爪使用7.2V供電，5V為傳感器，顯示和物料識(shí)別電源，3.3V為單片機(jī)工作電壓;整個(gè)作品中共使用了7片單片機(jī)，其中四片進(jìn)行路徑識(shí)別，一片用了圖像識(shí)別，一片用來(lái)位置識(shí)別，一片用來(lái)處理所有數(shù)據(jù);制作過(guò)程中考慮到電源干擾，將電路板進(jìn)行了分例設(shè)計(jì)，其中主控電路為單獨(dú)一輛，并且大部分為信號(hào)線，傳感器也為小電流傳感器，另外一塊為驅(qū)動(dòng)板，整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的大電流多從此電路板中發(fā)出，保證信號(hào)的純凈，并且可能在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生大電流的設(shè)備信號(hào)線進(jìn)行單向處理，使其無(wú)法形成反擊電動(dòng)勢(shì)擊壞單片機(jī)。

3.3機(jī)械臂設(shè)計(jì)

我們根據(jù)物理力學(xué)知識(shí)和參考目前市面上成熟的工業(yè)機(jī)械臂，決定采用三段式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在想法初立階段，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖3中的機(jī)械臂，該機(jī)械臂其實(shí)已基本滿足了我們的使用需求，但是在實(shí)際使用中，我們發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂存在抖動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)在不改變此機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)了進(jìn)行了多款舵機(jī)測(cè)試，均存在此問(wèn)題，同時(shí)在使用中舵溫度過(guò)高。

機(jī)械臂抖動(dòng)無(wú)疑會(huì)增加分揀的準(zhǔn)確性，通過(guò)力矩計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)初代機(jī)械臂存在不合理的設(shè)計(jì)，于是在數(shù)據(jù)的加持下我們?cè)O(shè)計(jì)了第二款機(jī)械臂，并采用總線舵機(jī)，使用總線舵機(jī)的好處是我們可以隨時(shí)得知機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的相應(yīng)位置，并且與理想位置進(jìn)行偏差計(jì)算，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的位置閉環(huán)，這樣的處理無(wú)疑使機(jī)械臂的準(zhǔn)確度實(shí)現(xiàn)質(zhì)的變化，圖4是我們的二代機(jī)械臂。

但是二代機(jī)械臂在長(zhǎng)時(shí)間工作下依舊會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問(wèn)題，相比較初代機(jī)械臂雖然提升了不少，但是依舊有改進(jìn)空間，于是我們?cè)O(shè)計(jì)了圖5所示的第三代機(jī)械臂，該款機(jī)械臂添加了可條件力臂和關(guān)節(jié)的功能，可自主修改臂長(zhǎng)，同時(shí)保留的二代機(jī)械臂的特點(diǎn)，同樣使用總線舵機(jī)，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)操作。

3.4手抓設(shè)計(jì)

由于機(jī)械的局限性，我們實(shí)驗(yàn)了多種手抓的設(shè)計(jì)方式，但是除了仿生手外沒(méi)有其他的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)萬(wàn)能抓取，最終我們決定拓展受力面積來(lái)穩(wěn)固物料抓取，就是在機(jī)械爪的上面和下面添加樹(shù)脂打印的防滑齒，我們可以根據(jù)物料來(lái)修改手抓上的防滑齒，進(jìn)行不同物料的搬運(yùn)如圖6所示。

3.5程序流程

機(jī)器人在未送到搬運(yùn)指令前，在任務(wù)等待區(qū)等待搬運(yùn)任務(wù)碼的發(fā)起，等到發(fā)送任務(wù)碼后機(jī)器人獲得出發(fā)指令，前往貨車?？刻幇徇\(yùn)物流到消毒場(chǎng)所進(jìn)行消毒處理，而后掃描物流上的二維碼，獲取二維碼上的二級(jí)地區(qū)，進(jìn)行第二次搬運(yùn)和分揀，當(dāng)前任務(wù)完成后，返回任務(wù)等待區(qū)等待系統(tǒng)發(fā)放新的任務(wù)。

整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程及如上所示，但為了使貨物搬運(yùn)準(zhǔn)確，我們還需要進(jìn)行圖像處理和尋路識(shí)別，通過(guò)自制的九路尋跡傳感器，可以在不同環(huán)境下學(xué)習(xí)當(dāng)前環(huán)境的光線，和閾值進(jìn)行對(duì)比，而后把傳感器收到的模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，把信號(hào)發(fā)送給主處理器，圖像處理的方法與其類似。

4 結(jié) 論

如今社會(huì)，人民依舊還處在一個(gè)探索階段，并且我國(guó)人民還未能把自動(dòng)化和智能化與自己的生活結(jié)合起來(lái)，雖然目前社會(huì)的主要?jiǎng)趧?dòng)力還是一些85后、90后，但是早晚會(huì)有年輕的一代接手這個(gè)社會(huì)，可是如今的新一代青年多半是嬌生慣養(yǎng)長(zhǎng)大的，他們的思維活躍，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重?fù)?dān)必將由他們擔(dān)起，到那時(shí)，一些繁瑣的勞動(dòng)就會(huì)被機(jī)器人所代替，所以我們處于時(shí)代的開(kāi)始，是一個(gè)探索階段，未來(lái)會(huì)有更好的自動(dòng)化、智能化的產(chǎn)品面世，我們需要不斷學(xué)習(xí)，不斷創(chuàng)新，才能不被這個(gè)社會(huì)所淘汰;本產(chǎn)品方便二次開(kāi)發(fā)，未來(lái)的發(fā)展也會(huì)向模塊化方向拓展，使機(jī)器人可以適應(yīng)更多情況的實(shí)用。

參考文獻(xiàn)

[1]董小雷，李冬梅.自動(dòng)送貨機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化.2020（01）.

[2]孫靜，葉紫萱，高杰，韋清鵬，趙成凱.一種光電循跡的搬運(yùn)機(jī)器人電路設(shè)計(jì)[J].福建電腦.2021（11）.

[3]徐昊天.智能物料搬運(yùn)小車的設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化.2021（03）.

[4]陳文科，高艷雯，陳志，王志.模糊PID控制在萬(wàn)向電動(dòng)底盤上的應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).2014（06）.

天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：0808