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）

針對目前工業(yè)機(jī)械手活動范圍不夠大的問題，設(shè)計了一種全新的將工業(yè)機(jī)械手和AGV小車組合的移動工業(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)過長時間的實(shí)驗室試驗，證明本系統(tǒng)穩(wěn)定，有望大大提高現(xiàn)代倉儲運(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)過程的柔性化運(yùn)輸，在現(xiàn)代倉儲管理系統(tǒng)中占據(jù)了越來越重要的位置[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的AGV小車之上。這樣，既能充分利用AGV小車的運(yùn)動范圍廣的特點(diǎn)，又能發(fā)揮工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動靈活，穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，能大大提升現(xiàn)代倉儲物流存取的自動化水平，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。

工業(yè)機(jī)械手和自動導(dǎo)引小車AGV的組合即為一種移動工業(yè)機(jī)器人，目前在市場中未見有該類機(jī)器人。該類機(jī)器人屬于特種機(jī)器人，本項目設(shè)計的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，能實(shí)現(xiàn)倉庫存物和取物的全自動化管理。

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、視覺識別模塊、ZigBee無線通訊模塊。

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夾取和存放；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距以及PSD精確位置控制來實(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；視覺識別模塊是在小車準(zhǔn)確到達(dá)指定位置后來智能識別貨物，以保證機(jī)械手能準(zhǔn)確抓取貨物；ZigBee無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；視覺識別系統(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)械手和視覺識別來實(shí)現(xiàn)對貨物的精確夾取和存放，因此對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20 mm時，就有可能使視覺相機(jī)誤測。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

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

2.2 超聲波測距的應(yīng)用

超聲波測距是一種成熟的避障方法，但是超聲波傳感器具有檢測盲區(qū)，無法檢測近距離障礙物，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)檢測距離小于300 mm時，小車開始減速，檢測距離為200 mm時，小車換用PSD準(zhǔn)確測量和定位，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測量方法

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

圖3 PSD傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)采用一維PSD傳感器，其輸出為電流信號，需要將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，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，將該模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號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

在每一個倉位都有一個固定紅外光束，當(dāng)小車靠近倉位時，光束開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)確地檢測到光斑。

當(dāng)超聲波傳感器檢測到距倉位小于200 mm時，小車速度已經(jīng)降到30 mm/s，此時已經(jīng)進(jìn)入PSD傳感器檢測區(qū)域。由于小車的速度慢，且PSD傳感器的檢測精度高，一旦PSD檢測小車到位，立即啟動剎車電路。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)械手末端的視覺系統(tǒng)能正常檢測到貨物并啟動視覺識別程序。

3 基于視覺識別的貨物抓取

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。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120萬像素。該相機(jī)對黑白文字的識別率較高，能識別印在貨箱上的文字以及圖片等信息。同時，能識別目標(biāo)外框，并能準(zhǔn)確測出外框的具體坐標(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)動到預(yù)定的姿勢，若不能檢測到目標(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 視覺處理程序流程圖

4 與上位機(jī)PC通訊接口的設(shè)計

現(xiàn)代物流倉儲的倉位多，且種類繁雜，單臺AGV無法解決繁重的搬運(yùn)工作。用上位機(jī)PC實(shí)現(xiàn)對多臺AGV的集中控制和調(diào)度是一種常見的解決方案[3]。國內(nèi)外學(xué)者對現(xiàn)代倉儲系統(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化倉儲系統(tǒng)中AGV設(shè)備的利用率[4]。

本系統(tǒng)AGV小車間通過ZigBee協(xié)議組成無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，小車CPU控制核心通過ZigBee無線模塊以及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RJ45網(wǎng)線相連。小車通過ZigBee無線模塊聯(lián)接到ZigBee路由器，從而可以實(shí)時接受PC上位機(jī)的調(diào)度，并能實(shí)時返回小車的各種狀態(tài)信號給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

針對目前工業(yè)機(jī)械手活動范圍不夠大的問題，本項目設(shè)計了一種工業(yè)機(jī)械手和自動導(dǎo)引小車AGV的組合體，即一種移動工業(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)視覺相機(jī)來實(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)驗室里經(jīng)過大于100 h的試驗測試，其運(yùn)行較穩(wěn)定。

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

[1]金亞萍.自動導(dǎo)引車關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[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年度廣西高校科學(xué)技術(shù)研究項目“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)科技項目“DeviceNet總線工業(yè)機(jī)器人外圍非標(biāo)設(shè)備研究與開發(fā)”（2015ZD119）

周文軍（1981-），男，湖南衡陽人，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。