基于單片機(jī)的吸附式倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人研發(fā)

王媛媛 劉海龍 蔡逸鋒

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)模式中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種吸附式倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人。該機(jī)器人將傳統(tǒng)搬運(yùn)AGV小車與碼垛機(jī)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(jī)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(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中的物流難題。

關(guān)鍵詞：倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人;AGV;吸附式機(jī)械手;掃碼;單片機(jī)控制

0 ? ?引言

在傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)模式中，人力搬運(yùn)耗時(shí)長(zhǎng)，強(qiáng)度大，分揀效率較低且出錯(cuò)率較高，不能滿足現(xiàn)代物流倉(cāng)儲(chǔ)中批量小、種類多樣的特征需求。倉(cāng)儲(chǔ)分揀工作相對(duì)辛苦單調(diào)，年輕勞動(dòng)力不愿從事此類工作，導(dǎo)致勞動(dòng)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(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人，以提高物流分揀和搬運(yùn)環(huán)節(jié)的工作效率[1]。

目前，雖然國(guó)內(nèi)外關(guān)節(jié)型工業(yè)碼垛機(jī)器人和自動(dòng)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(méi)有得到普及，主要由以下原因引起：（1）碼垛和搬運(yùn)是兩套系統(tǒng)、兩個(gè)設(shè)備，相對(duì)獨(dú)立，且價(jià)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(cāng)庫(kù)環(huán)境;（3）作業(yè)不連續(xù)，不能連續(xù)完成掃碼識(shí)別貨物并自動(dòng)上架功能，特別是對(duì)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(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)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(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)需求，迫切需要設(shè)計(jì)一種小型化、復(fù)合型碼垛搬運(yùn)倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人。

1 ? ?現(xiàn)有技術(shù)背景

目前國(guó)內(nèi)外有各種搬運(yùn)機(jī)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(jī)器人Kiva投入其物流倉(cāng)儲(chǔ)中，可利用條形碼對(duì)每個(gè)貨架進(jìn)行追蹤定位從而實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)航。2016年，京東在雙十一時(shí)期使用了載貨能力可達(dá)300 kg以上的智能搬運(yùn)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)避障與規(guī)劃路徑等功能[1-2]。這些機(jī)器人主要解決了貨架提升、重物搬運(yùn)問(wèn)題，而要實(shí)現(xiàn)貨物上架，還需要碼垛機(jī)器人的配合。

綜合目前研發(fā)現(xiàn)狀來(lái)看，一方面，現(xiàn)有的倉(cāng)儲(chǔ)AGV和碼垛機(jī)器人技術(shù)都在分別解決搬運(yùn)和碼垛中某一個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)問(wèn)題，沒(méi)有將AGV和碼垛機(jī)器人整合成復(fù)合式機(jī)器人，對(duì)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(jī)器人生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)主要依靠進(jìn)口，性價(jià)比很低，維護(hù)成本卻非常高[3]。

綜上所述，開(kāi)發(fā)出造價(jià)低、維護(hù)方便簡(jiǎn)單的設(shè)備顯得尤為重要。本研究以碼垛型倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)AGV作為研究對(duì)象，從高性能熱塑性復(fù)合材料智能工廠倉(cāng)庫(kù)改造建設(shè)的實(shí)際需求出發(fā)，針對(duì)輕型產(chǎn)品的倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)和碼垛問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種更準(zhǔn)確、便捷、有效的倉(cāng)儲(chǔ)碼垛AGV控制系統(tǒng)。

2 ? ?吸附式倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 ? ?吸附式倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)吸附式倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的功能需求，提出了總體設(shè)計(jì)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(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂及移動(dòng)部分的控制，舵機(jī)控制用舵機(jī)控制板與單片機(jī)配合完成。

2.2 ? ?吸附式倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

吸附式倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)主要分為硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)兩大部分。

2.2.1 ? ?硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）吸附式倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)械臂主要由7個(gè)舵機(jī)控制，每個(gè)舵機(jī)可調(diào)整的范圍為0°～270°，通過(guò)調(diào)試機(jī)械臂的抓取動(dòng)作，完成抓取，抓取動(dòng)作燒錄在舵機(jī)控制板中，當(dāng)檢測(cè)到相應(yīng)的條形碼時(shí)，機(jī)械臂在舵機(jī)控制下完成相應(yīng)動(dòng)作[4]。其中，掃碼模塊放在機(jī)械臂前端，掃描和抓放均無(wú)死點(diǎn)位置。

（2）移動(dòng)車體設(shè)計(jì)。移動(dòng)車體主要包括避障裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、控制單元等關(guān)鍵部件，如圖2所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)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(dòng)模塊放置在機(jī)器人底盤第二層;機(jī)械手、掃碼模塊及載物臺(tái)在第三層。驅(qū)動(dòng)方式采用四輪驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置采用帶減速箱的無(wú)刷直流電機(jī)。

（3）掃碼模塊及機(jī)械手吸盤等部分。機(jī)械手、掃碼模塊及載物臺(tái)在第三層，機(jī)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(jì)

硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，進(jìn)行控制芯片引腳的實(shí)際分配[4]，完成以單片機(jī)ATMEGA2560為核心的倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，如圖4所示，主要包括最小系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)、通信模塊設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)接板電路設(shè)計(jì)等的電路設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)車體及機(jī)械手部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

2.3 ? ?吸附式倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)需求，如圖5所示，機(jī)器人的運(yùn)行程序應(yīng)設(shè)計(jì)為：起點(diǎn)出發(fā)、自動(dòng)識(shí)別條碼、機(jī)械手吸取、搬至指定區(qū)域、完成貨物碼垛、返回出發(fā)點(diǎn)。

軟件設(shè)計(jì)也采用模塊化，將整個(gè)控制軟件分成多個(gè)模塊：主程序、初始化程序、中斷函數(shù)、信息采集模塊、運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)和通信函數(shù)[4-5]。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

本吸附式倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人研究主要包括：吸附式倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)、吸附式倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人各模塊硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（包含機(jī)械臂、吸附式機(jī)械手、移動(dòng)車體等結(jié)構(gòu)）、吸附式倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人軟件程序設(shè)計(jì)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(shí)別、貨物搬運(yùn)、貨物自動(dòng)上下貨架等倉(cāng)儲(chǔ)物流難題。

本研究將傳統(tǒng)搬運(yùn)AGV小車與碼垛機(jī)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(jī)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(wèn)題，可應(yīng)用在中小復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)的自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)中，提升了企業(yè)的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2020-02-05

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