三危化學(xué)品智能助載機(jī)器車

郭竟　方晨宇　程巖松　張亞杰　張書源

摘 要：針對(duì)當(dāng)前化學(xué)品快遞行業(yè)存在的智能化程度低，安全應(yīng)急機(jī)制不完善，以及因人為失誤引發(fā)的化學(xué)品安全事故等突出問題，文中設(shè)計(jì)了一款三危化學(xué)品智能助載機(jī)器車，可實(shí)現(xiàn)路況的自動(dòng)識(shí)別及行駛速度的自動(dòng)處理與貨物識(shí)別，實(shí)現(xiàn)齒輪結(jié)構(gòu)、鏈條結(jié)構(gòu)、絲桿叉架結(jié)構(gòu)的全智能化，在降低公司生產(chǎn)成本的同時(shí)提高了公司的安全效益，實(shí)現(xiàn)公司利益最大化。

關(guān)鍵詞：智能助載機(jī)器車；自動(dòng)識(shí)別

1 作品簡(jiǎn)介

團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品主要集中于目前化學(xué)品快遞行業(yè)存在的智能化程度低，安全應(yīng)急機(jī)制不完善，以及因人為失誤引發(fā)的化學(xué)品安全事故等突出問題。通過應(yīng)用機(jī)電一體化原理和機(jī)械設(shè)計(jì)原理，構(gòu)建三危智能助載機(jī)器人放縮樣品，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)品快遞行業(yè)的運(yùn)載方式。產(chǎn)品整體運(yùn)行通過遠(yuǎn)程上位機(jī)信息傳輸控制，實(shí)現(xiàn)路況的自動(dòng)識(shí)別及行駛速度的自動(dòng)處理，自動(dòng)識(shí)別貨物，實(shí)現(xiàn)齒輪結(jié)構(gòu)、鏈條結(jié)構(gòu)、絲桿叉架結(jié)構(gòu)的全智能化。產(chǎn)品目前可以用于解決化學(xué)品在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)和助力載運(yùn)問題，同時(shí)在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用壓力傳感器夾緊裝置，避免了傳統(tǒng)人工駕駛叉車易發(fā)生物品側(cè)翻等安全事故。控制結(jié)構(gòu)方面引入機(jī)械控制算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平穩(wěn)停車。三危化學(xué)品智能助載機(jī)器車實(shí)物如圖1所示。

2 工作原理

目前團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的智能助載機(jī)器人主要集中于化學(xué)品快遞行業(yè)，未來(lái)團(tuán)隊(duì)將依據(jù)各行業(yè)的需求，通過不斷改進(jìn)助載車整體結(jié)構(gòu)、智能控制系統(tǒng)及危險(xiǎn)應(yīng)急處理模塊等實(shí)現(xiàn)各行業(yè)智能機(jī)器化的愿望。這種智能方式不僅可以大大超過傳統(tǒng)人工助載車的工作量（基本為目前人工工作量8小時(shí)/天的兩倍，即15小時(shí)/天），還可以減少企業(yè)時(shí)間成本，增強(qiáng)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

目前智能助載采用紅外對(duì)管循跡方式進(jìn)行自動(dòng)路跡尋找。雖然在循跡中失誤率可以降低到1%以下，但是對(duì)工作路線有部分特殊要求。未來(lái)團(tuán)隊(duì)將不斷優(yōu)化循跡方式，不僅要求失誤率大幅下降，而且需保證助載人的工作環(huán)境更普通化，符合快遞行業(yè)工作強(qiáng)度大、工作環(huán)境差等特點(diǎn)，進(jìn)而使得產(chǎn)品能夠更加商業(yè)化和市場(chǎng)化。

智能助載機(jī)器人目前仍采用傳統(tǒng)輪胎運(yùn)轉(zhuǎn)方式，這種方式慣性較大，不易快速停車。雖然目前團(tuán)隊(duì)通過程序設(shè)計(jì)優(yōu)化已基本實(shí)現(xiàn)車體本身降速停車，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問題，如不能快速停車而撞到貨物等。未來(lái)團(tuán)隊(duì)不僅要在程序控制、硬件等方面進(jìn)一步克服停車反應(yīng)慢的缺點(diǎn)，同時(shí)團(tuán)隊(duì)還將不斷探索，在不影響現(xiàn)有助載車工作效率的前提下，采用其他運(yùn)轉(zhuǎn)方式以有效避免輪胎不易快速停車的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一款適合市場(chǎng)需求的智能化機(jī)械助載機(jī)器人。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）開發(fā)了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)，使得機(jī)器人可實(shí)時(shí)將倉(cāng)庫(kù)貨物變動(dòng)信息發(fā)送到上位機(jī)，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)貨物信息管理。同時(shí)也可利用上位機(jī)對(duì)機(jī)器人發(fā)送相應(yīng)的操作信息，當(dāng)倉(cāng)庫(kù)發(fā)生緊急情況時(shí)立即將信息發(fā)送到上位機(jī)報(bào)警。

（2） 針對(duì)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境設(shè)置了黑色過道，利用四個(gè)紅外對(duì)管對(duì)其進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)與尋跡，控制相對(duì)實(shí)時(shí)反應(yīng)速度。由于傳感器價(jià)格便宜，因此倉(cāng)庫(kù)布置成本不高。

（3）利用超聲波傳感器測(cè)距以判斷叉車是否到達(dá)合適的取貨區(qū)與放貨區(qū)，目前市場(chǎng)上的超聲波模塊靈敏度已完全可滿足我們的要求，且價(jià)格低廉。在程序部分，停車控制模塊與尋跡模塊可分開控制，使得控制代碼模塊化程度與可讀性更高。

（4）為停車與車速控制加入了基于編碼器測(cè)速的脈沖調(diào)制控制（PID），使得車速控制與停車更加靈敏及時(shí)，大大提高了叉車的工作效率。

（5）叉車可叉取兩層貨物，中間一層叉架的停止位置控制共用了上面的超聲波模塊，節(jié)省了傳感器；最上面一層停止位置加入了壓力傳感器，可以在貨物不掉下的同時(shí)保護(hù)貨物不被壓壞；兩層結(jié)構(gòu)使得倉(cāng)庫(kù)空間利用率得到了大幅提升。

4 市場(chǎng)前景

從目前化學(xué)品快遞行業(yè)所遇到的瓶頸問題出發(fā)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作了一款三危化學(xué)品智能助載機(jī)器人，結(jié)合目前人工叉車已有的成熟機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過三維建模、市場(chǎng)調(diào)研、結(jié)構(gòu)測(cè)試等環(huán)節(jié)，對(duì)叉車整體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二次優(yōu)化設(shè)計(jì)與叉車控制結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)緊緊把握化學(xué)品快遞市場(chǎng)的實(shí)際需求，特別添加了適合化學(xué)品快遞行業(yè)的機(jī)械壓力傳感器夾緊裝置、化學(xué)品危險(xiǎn)自動(dòng)報(bào)警裝置、化學(xué)品臨時(shí)消防裝置，使得產(chǎn)品可以更好地適應(yīng)化學(xué)品快遞行業(yè)的需求。結(jié)合部分材料價(jià)格以及一些國(guó)標(biāo)件具體價(jià)格，粗略估算叉車機(jī)器人成本價(jià)為65 000～80 000元，建議售價(jià)100 000～120 000元。

以某一中型危險(xiǎn)品快遞公司一年的費(fèi)用為例，若該公司一次性購(gòu)入50輛普通叉車作為業(yè)務(wù)載運(yùn)車，所需費(fèi)用約為250萬(wàn)～300萬(wàn)元。若公司雇傭50名工人，8小時(shí)工作，月工資為6 000元/人，則一年費(fèi)用約為360萬(wàn)～400萬(wàn)元（除去其他費(fèi)用）。同時(shí)，公司每年還需投入20萬(wàn)～50萬(wàn)元用于叉車維修，則公司總支出為630萬(wàn)～750萬(wàn)元。若該公司購(gòu)買危險(xiǎn)品智能化助載車，其前期購(gòu)買費(fèi)用約為500萬(wàn)～600萬(wàn)元，同時(shí)智能化助載車可以實(shí)現(xiàn)14小時(shí)/天高負(fù)荷工作，每年公司需要投入60萬(wàn)～100萬(wàn)元用于智能助載車維修，則公司總支出為560萬(wàn)～700萬(wàn)元。由于智能化助載車故障率低，可以減少公司的維修費(fèi)用，故可減少總支出。另外，在同樣支出的情況下，從之前人工叉車8小時(shí)/天轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苤d車14小時(shí)/天，大大提高了公司收益。

從簡(jiǎn)單的市場(chǎng)估價(jià)來(lái)看，目前智能化助載車擁有廣闊的市場(chǎng)前景，在降低公司生產(chǎn)成本的同時(shí)提高了公司的安全效益，實(shí)現(xiàn)了公司利益最大化。