基于單片機的吸附式倉儲搬運機器人研發(fā)

王媛媛 劉海龍 蔡逸鋒

摘要：針對傳統(tǒng)倉儲作業(yè)模式中存在的問題，設(shè)計了一種吸附式倉儲搬運機器人。該機器人將傳統(tǒng)搬運AGV小車與碼垛機器人合成一體，設(shè)備輕巧，占用空間小，可連續(xù)作業(yè);采用新式吸附式機械手，可提高作業(yè)效率，大大降低企業(yè)成本，解決了中小型企業(yè)在輕型、小型復(fù)合材料倉儲過程中的物流難題。

關(guān)鍵詞：倉儲機器人;AGV;吸附式機械手;掃碼;單片機控制

0 ? ?引言

在傳統(tǒng)倉儲作業(yè)模式中，人力搬運耗時長，強度大，分揀效率較低且出錯率較高，不能滿足現(xiàn)代物流倉儲中批量小、種類多樣的特征需求。倉儲分揀工作相對辛苦單調(diào)，年輕勞動力不愿從事此類工作，導(dǎo)致勞動力成本不斷提高，很多企業(yè)急需應(yīng)用一種智能化的物流倉儲機器人，以提高物流分揀和搬運環(huán)節(jié)的工作效率[1]。

目前，雖然國內(nèi)外關(guān)節(jié)型工業(yè)碼垛機器人和自動引導(dǎo)小車AGV技術(shù)發(fā)展成熟，但在相關(guān)中小型企業(yè)中沒有得到普及，主要由以下原因引起：（1）碼垛和搬運是兩套系統(tǒng)、兩個設(shè)備，相對獨立，且價格高昂，中小型企業(yè)承擔(dān)不起;（2）設(shè)備占用空間大，需要的巷道較寬，不能很好適應(yīng)現(xiàn)代中小型企業(yè)物流倉庫環(huán)境;（3）作業(yè)不連續(xù)，不能連續(xù)完成掃碼識別貨物并自動上架功能，特別是對于一些包裝小、質(zhì)量輕的復(fù)合材料，如3D打印耗材小型箱體類的倉儲搬運不適宜推廣使用此技術(shù)。因此，基于中小型復(fù)合材料企業(yè)的倉儲搬運需求，迫切需要設(shè)計一種小型化、復(fù)合型碼垛搬運倉儲機器人。

1 ? ?現(xiàn)有技術(shù)背景

目前國內(nèi)外有各種搬運機器人，如GRAY Orange公司研發(fā)的Bulter已經(jīng)成功應(yīng)用于物流行業(yè)[1]。2015年，亞馬遜公司研發(fā)的機器人Kiva投入其物流倉儲中，可利用條形碼對每個貨架進行追蹤定位從而實現(xiàn)智能導(dǎo)航。2016年，京東在雙十一時期使用了載貨能力可達300 kg以上的智能搬運機器人，實現(xiàn)了自動避障與規(guī)劃路徑等功能[1-2]。這些機器人主要解決了貨架提升、重物搬運問題，而要實現(xiàn)貨物上架，還需要碼垛機器人的配合。

綜合目前研發(fā)現(xiàn)狀來看，一方面，現(xiàn)有的倉儲AGV和碼垛機器人技術(shù)都在分別解決搬運和碼垛中某一個環(huán)節(jié)的技術(shù)問題，沒有將AGV和碼垛機器人整合成復(fù)合式機器人，對于輕質(zhì)件，不能有效改善當(dāng)前人工上架效率低下的現(xiàn)狀;另一方面，目前潛伏式AGV配合碼垛機器人生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)主要依靠進口，性價比很低，維護成本卻非常高[3]。

綜上所述，開發(fā)出造價低、維護方便簡單的設(shè)備顯得尤為重要。本研究以碼垛型倉儲搬運AGV作為研究對象，從高性能熱塑性復(fù)合材料智能工廠倉庫改造建設(shè)的實際需求出發(fā)，針對輕型產(chǎn)品的倉儲搬運和碼垛問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一種更準(zhǔn)確、便捷、有效的倉儲碼垛AGV控制系統(tǒng)。

2 ? ?吸附式倉儲機器人原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 ? ?吸附式倉儲機器人系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)吸附式倉儲機器人的功能需求，提出了總體設(shè)計方案，確定了產(chǎn)品的性能參數(shù)。其中，控制方式選用單片機實現(xiàn)對機械臂及移動部分的控制，舵機控制用舵機控制板與單片機配合完成。

2.2 ? ?吸附式倉儲機器人硬件設(shè)計

吸附式倉儲機器人的硬件設(shè)計主要分為硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和硬件電路設(shè)計兩大部分。

2.2.1 ? ?硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）吸附式倉儲機器人機械臂結(jié)構(gòu)如圖1所示。機械臂主要由7個舵機控制，每個舵機可調(diào)整的范圍為0°～270°，通過調(diào)試機械臂的抓取動作，完成抓取，抓取動作燒錄在舵機控制板中，當(dāng)檢測到相應(yīng)的條形碼時，機械臂在舵機控制下完成相應(yīng)動作[4]。其中，掃碼模塊放在機械臂前端，掃描和抓放均無死點位置。

（2）移動車體設(shè)計。移動車體主要包括避障裝置、驅(qū)動裝置、控制單元等關(guān)鍵部件，如圖2所示。驅(qū)動電機、驅(qū)動輪、導(dǎo)航定位及安全避障的傳感器放置在底盤第一層;控制單元、驅(qū)動模塊放置在機器人底盤第二層;機械手、掃碼模塊及載物臺在第三層。驅(qū)動方式采用四輪驅(qū)動，驅(qū)動裝置采用帶減速箱的無刷直流電機。

（3）掃碼模塊及機械手吸盤等部分。機械手、掃碼模塊及載物臺在第三層，機械手采取新型吸盤式抓取方式，掃碼模塊具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.2 ? ?硬件電路設(shè)計

硬件電路采用模塊化設(shè)計，進行控制芯片引腳的實際分配[4]，完成以單片機ATMEGA2560為核心的倉儲機器人控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，如圖4所示，主要包括最小系統(tǒng)模塊電路設(shè)計、運動控制驅(qū)動板設(shè)計、通信模塊設(shè)計、轉(zhuǎn)接板電路設(shè)計等的電路設(shè)計以及設(shè)計車體及機械手部分的機械結(jié)構(gòu)。

2.3 ? ?吸附式倉儲機器人軟件程序設(shè)計

根據(jù)倉儲搬運機器人系統(tǒng)需求，如圖5所示，機器人的運行程序應(yīng)設(shè)計為：起點出發(fā)、自動識別條碼、機械手吸取、搬至指定區(qū)域、完成貨物碼垛、返回出發(fā)點。

軟件設(shè)計也采用模塊化，將整個控制軟件分成多個模塊：主程序、初始化程序、中斷函數(shù)、信息采集模塊、運動控制函數(shù)和通信函數(shù)[4-5]。

3 ? ?結(jié)語

本吸附式倉儲機器人研究主要包括：吸附式倉儲機器人系統(tǒng)設(shè)計、吸附式倉儲機器人各模塊硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計（包含機械臂、吸附式機械手、移動車體等結(jié)構(gòu)）、吸附式倉儲機器人軟件程序設(shè)計等三大部分，解決了輕型復(fù)合材料產(chǎn)品（例如3D打印耗材等）的掃碼識別、貨物搬運、貨物自動上下貨架等倉儲物流難題。

本研究將傳統(tǒng)搬運AGV小車與碼垛機器人合成一體，設(shè)備輕巧，占用空間小，可連續(xù)作業(yè)，新型吸附式機械手不但提高了作業(yè)效率，大大降低了成本，還解決了抓放包裝易損壞問題，可應(yīng)用在中小復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)的自動化倉庫中，提升了企業(yè)的行業(yè)競爭力，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

[參考文獻]

[1] 徐航宇.倉儲搬運機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2017.

[2] 譚濤.基于PLC的立體倉庫AGV控制系統(tǒng)設(shè)計和研究[D].漢中：陜西理工學(xué)院，2016.

[3] 李慶，李路.智能搬運機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].宜春學(xué)院學(xué)報，2014，36（6）：50-53.

[4] 陳飛，張健，胡紅柱.基于機器視覺的PCBA板自動分揀系統(tǒng)設(shè)計[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報，2018（5）：66-70.

[5] 張星.基于麥克納姆輪的全向AGV運動控制技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2016.

收稿日期：2020-02-05

作者簡介：王媛媛（1983—），女，山東萊陽人，工學(xué)碩士，講師，主要從事智能制造及機器人技術(shù)等方面的研究工作。