基于AGV和工業機器人的智能搬運小車的研究

周文軍，吳有明

（南寧職業技術學院，廣西南寧530008）

基于AGV和工業機器人的智能搬運小車的研究

周文軍，吳有明

（南寧職業技術學院，廣西南寧530008）

針對目前工業機械手活動范圍不夠大的問題，設計了一種全新的將工業機械手和AGV小車組合的移動工業機器人。其采用超聲波傳感器進行初定位，利用地面上的簡單二維碼進行位置校正和輔助定位，并采用PSD精確位置傳感器，實現了AGV小車的準確定位，配合工業視覺相機，工業機械手能靈活穩定地存放各類貨物。提出了一種上位機集中調度控制AGV的方案。經過長時間的實驗室試驗，證明本系統穩定，有望大大提高現代倉儲運行效率。

AGV小車；工業機器人；PSD傳感器；集中控制；物流搬運

AGV具有靈活性、可重組性、智能化等優點,可以方便地實現生產過程的柔性化運輸，在現代倉儲管理系統中占據了越來越重要的位置[1-2]。工業機械手能輕易地實現焊接、噴涂、裝配、分揀、碼垛、涂膠、以及機床上下料等。但其一般固定安裝于地面、墻壁或天花板，或者通過導軌擴大它的操作范圍。為了進一步擴大工業機械手的工作范圍，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小車的運動范圍廣的特點，又能發揮工業機械手運動靈活，穩定可靠的特點，能大大提升現代倉儲物流存取的自動化水平，提高生產效率，節約成本。

工業機械手和自動導引小車AGV的組合即為一種移動工業機器人，目前在市場中未見有該類機器人。該類機器人屬于特種機器人，本項目設計的AGV智能搬運小車，它結合工業機器人和AGV小車的優勢，能實現倉庫存物和取物的全自動化管理。

1 智能搬運小車系統結構

智能搬運小車控制系統結構如圖1所示，系統包括：小車CPU控制核心、工業機器人控制器、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 智能搬運小車控制系統結構

工業機器人控制器主要控制機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，能根據地面白色導條，輔以關鍵點二維碼定位技術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精確位置控制來實現小車的精確定位；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確到達指定位置后來智能識別貨物，以保證機械手能準確抓取貨物；ZigBee無線通訊模塊主要完成智能搬運小車和中控上位機PC間的通信，以實現該小車由中控PC統一調度。

智能搬運小車硬件安裝如圖2所示：工業機械手安裝于潛伏式AGV小車之上；工業機械手控制器、大容量電池、小車CPU控制核心等安裝在小車內部；視覺識別系統和末端夾具安裝在工業機械手的末端；PSD傳感器安裝在小車的側面。

圖2 智能搬運小車硬件安裝

2 智能搬運小車準確定位的實現

本系統使用工業機械手和視覺識別來實現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。當機器人的末端夾具的重復定位偏差超過20 mm時，就有可能使視覺相機誤測。這樣，要求AGV小車的定位精度應＞±3 mm，在豎直軸上的旋轉偏差應＜±3°.

2.1 二維碼定位的應用

通過掃描預置在路線中的二維碼來實現小車準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研究》中做了詳細的說明。二維碼簡單穩定，鋪設和更換方便，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時校正，保證系統的穩定性。

2.2 超聲波測距的應用

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，無法檢測近距離障礙物，因此本系統的AGV小車用超聲波僅完成進行避障和預定位。

當檢測距離小于300 mm時，小車開始減速，檢測距離為200 mm時，小車換用PSD準確測量和定位，進一步減速。

2.3 基于PSD的小車準確定位控制

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傳感器輸出信號轉換電路

本系統采用一維PSD傳感器，其輸出為電流信號，需要將電流轉換為電壓信號，這樣便于進行A/D轉換，方便進行數字化處理。本系統采用如圖3所示的電路，利用電壓并聯負反饋電路來實現。該電路中，若PSD輸出1 mA電流變化，則A/D轉換端將得到1000 mV的電壓變化，將該模擬信號轉換成數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準確定位

在每一個倉位都有一個固定紅外光束，當小車靠近倉位時，光束開始投射光斑到小車側面。在前述圖2中已經述及PSD安裝在小車的側面，可以準確地檢測到光斑。

當超聲波傳感器檢測到距倉位小于200 mm時，小車速度已經降到30 mm/s，此時已經進入PSD傳感器檢測區域。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，就能保證安裝在機械手末端的視覺系統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，相機安裝在工業機械手的末端，隨機械手一起運動。本系統采用信捷SV4-120ML智能相機，該相機分辨率為1 280×960，約120萬像素。該相機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，能識別目標外框，并能準確測出外框的具體坐標，該坐標以像素為單位，所攝圖像的左下角為坐標原點。

該智能相機具有MODBUS-485標準接口，能實時輸出目標的外框坐標。如圖3所示為CPU控制核心讀取和處理智能相機輸出的目標外框坐標的處理流程。

在完成AGV小車的準確定位后，首先需要將機械手運動到預定的姿勢，若不能檢測到目標，則需要在臨近區域改變機械手姿態以搜索目標。搜索到目標后需要調用MODBUS讀取子程序以準確調整機械手姿態，直到能準確夾取目標，最后調用夾取子程序，完成夾取。

圖4 視覺處理程序流程圖

4 與上位機PC通訊接口的設計

現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工作。用上位機PC實現對多臺AGV的集中控制和調度是一種常見的解決方案[3]。國內外學者對現代倉儲系統AGV小車調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中AGV設備的利用率[4]。

本系統AGV小車間通過ZigBee協議組成無線網絡系統，小車CPU控制核心通過ZigBee無線模塊以及ZigBee路由器與上位機PC聯網，接受上位機的調度[5]。

如圖5所示是智能搬運小車與PC組網示意圖，上位機與ZigBee路由器通過RJ45網線相連。小車通過ZigBee無線模塊聯接到ZigBee路由器，從而可以實時接受PC上位機的調度，并能實時返回小車的各種狀態信號給PC，如：小車位置、小車抓取貨物情況、小車電量等。

圖5 智能搬運小車與PC組網

5 結束語

針對目前工業機械手活動范圍不夠大的問題，本項目設計了一種工業機械手和自動導引小車AGV的組合體，即一種移動工業機器人。

本系統采用超聲波傳感器進行初定位，利用地面上的簡單二維碼進行位置校正和輔助定位，并采用PSD傳感器，實現了小車的準確定位控制，其定位誤差小于20 mm.

在實現AGV小車準確定位后，本系統采用工業視覺相機來實現工業機械手的最后精確定位。利用工業機械手運動的靈活性，可以方便地夾取各類貨物。本AGV智能搬運小車系統在實驗室里經過大于100 h的試驗測試，其運行較穩定。

但是，該系統還有兩個方面需要改進：一、工業機械手的耗電較大，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智能搬運小車進行了測試，若要大范圍推廣應用，還需要進一步試驗驗證。

[1]金亞萍.自動導引車關鍵技術現狀及發展趨勢[J].物流技術與應用，2015（11）：60-63.

[2]劉敏偉.淺談激光導引AGV系統原理與應用[J].科技創新與應用，2014（11）：120-123.

[3]顧紅.卷煙企業物流系統柔性調度管理研究[D].昆明:昆明理工大學，2011.

[4]宋存利，薛倩.混合蟻群遺傳算法在車間作業調度的應用研究[J].科學技術與工程，2009（11）：18-20

[5]吳清秀.基于ZigBee協議棧的網絡管理研究[J].物聯網技術，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年度廣西高校科學技術研究項目“工業機器人和AGV小車的組合應用研究”（KY2015LX625）；2.2015年度南寧職業技術學院重點科技項目“DeviceNet總線工業機器人外圍非標設備研究與開發”（2015ZD119）

周文軍（1981-），男，湖南衡陽人，碩士，講師，研究方向：智能化焊接、工業機器人應用；吳有明（1972-），男，廣西宜州人，副教授，研究方向：機電一體化技術、工業機器人應用。