智能物料搬運機器人的研究與實現

北京聯合大學 禪 翔 賀凱鑫 郭煥萍

本文主要從迎合智能化時代和自動化行業不斷發展出發，提出了一款智能物料搬運機器人的設計思路和構想，并且設計出了一款基于Arduino的智能搬運小車，該小車擁有多個傳感器，實現了路線規劃、顏色識別、傳感技術、灰度循跡和二維碼掃描識別信息等功能。文章詳細介紹了設計思路和設計過程，并且通過測試和調試后完善了相關功能，最終完成了本項目。

1 研究背景

在人工智能革命到來之際，每個行業都在追求自動化和智能化，對于物流行業來說更是如此，實現物料的自動搬運能解放出大量的勞動力，節約了人力成本，還能提高工作效率。眾所周知，物流行業是工業生產中的重要一環，其市場規模逐年擴大，因此，智慧物流的研究與實現顯得格外重要。基于對行業現狀和未來發展趨勢的研究，本項目目的是設計并且制作出一臺能智能搬運物料的物流機器人，該機器人的意義是重大的，能夠對工業產生實質性的影響。

2 發展現狀

世界上最早的搬運機器人是由美國發明的，所謂搬運機器人，就是運用機器人把物體從一個加工單元搬運到另一個指定的加工單元。目前世界上的搬運機器人已有10萬余臺。目前國內搬運機器人大多被應用于倉儲系統，相對來說物流行業應用較多，比較典型的有阿里和京東的倉儲搬運機器人。雖然目前國內外已經有很多成形的搬運機器人，但是目前技術還不夠成熟。

目前最常見的機器人是AGV搬運機器人，它的功能就主要實現了物體搬運的自動化。其搬運方式是通過地標等信息指引他們把物料搬運到指定地點，但是由于這種機器人對環境要求比較高，而且成本也比較高，且機器人的外形單一固定，成本造價較高，不能大范圍的使用，具有很大的局限性。

3 系統設計

綜合考慮搬運機器人的功能、零件材料、加工的難易程度和制造成本等各方面的因素后，最終確定了目前階段可以實現的最佳方案：智能物料搬運機器人主要由控制系統、外形、運動系統、機械臂、檢測系統等幾個系統構成。

3.1 外形設計

搭建車身時，我們的核心概念是小巧靈活功能強大，因此我們有意識地控制了機器人的大小和重量，并且通過降低重心來保證機器人的穩定性能，底板的材料為亞克力板，輕巧且承重能力比較好，車身盡量不要太寬以保證機器人轉向的靈活性還能防止機器人偏離行進路線。

3.2 運動系統

小車運動采用四輪驅動，由四個電機控制四個麥克納姆輪來控制小車的運動和轉向。麥克納姆輪可以實現前進、橫移、斜行、旋轉等運動形態，非常靈活，能夠自由的運動。

3.3 機械臂設計

機械臂主要是通過Arduino控制舵機來控制機械臂的運動，一共有6個舵機，1個負責機械臂的旋轉，2個負責爪子的旋轉，1個負責控制爪子的開合，2個負責控制機械臂運動。機械爪的開合角度為180°方便抓取不同形狀的物料，形狀為鉗形以此適應不同形狀的物料。

3.4 檢測系統

機器人底盤一共安裝有10個灰度傳感器，作用是檢測小車在行駛路線上有沒有走偏和檢測小車是否到達指定地點，其中底盤前方有3個灰度傳感器，用來檢測小車是否在行駛路線上；后方有4個灰度傳感器，用來判斷小車是否偏離路線；左側有3個灰度傳感器用來判斷是否到達停車地點。

3.5 控制系統

（1）主控單元

采用基于Arduino的Basra主控板和Bigfish擴展板共同組成系統的主控單元，該開發板可以通過各種傳感器來感知環境信息，并且運用裝置可以去改變環境。該開發版的好處是體積小且性能優良，供電范圍比較廣泛，電壓可以是3V到12V之間。

（2）定位單元

小車在行進過程中是通過激光傳感器來實現的，其中X軸用大功率激光，Y軸用小功率激光，大功率激光的量程為2m以上，小功率激光的量程為1m到2m。單片機通過三軸陀螺儀讀取小車的速度信息和加速度信息，然后進行根據反饋回來的數據進行相應的調整從而保證小車能夠穩定前進。

（3）底盤運動單元

采用常見的直流減速電機控制麥克納姆輪實現前后左右運動，通過調節PWM信號的占空比來調節小車的運動速度。

（4）顏色識別

采用OPENMV攝像頭進行物料色彩辨認，性能優良，可以迅速辨認物料色彩信息并傳輸給主控單元。將物體顏色同參考顏色進行比較來檢測顏色的裝置。當兩種顏色在一定的誤差范圍程度內相似時，輸出檢測結果。

（5）灰度傳感器

檢測面上光的反射程度是和顏色有關的，顏色不同，反射程度也就不同。利用光敏電阻對不同檢測面的不同的阻值進行對比，從而進行顏色深淺檢測，在一定的距離范圍內，發白光的發光二極管，照射在檢測面上，光線被反射面反射，通過光敏電阻檢測光的強度之后再將數據傳輸到控制單元中。

（6）電源單元

選用輸出電流最大為3A、92%的轉換效率的12V轉5V轉壓模塊。雙線輸入一節12V鋰電池，一路則通過轉壓模塊將其轉為5V，一路接電機驅動模塊。

4 技術實現

首先對主控板進行復位，進行程序初始化，然后各模塊的基礎數據被主控板讀取，復位機械臂，然后啟動機器人，給定掃碼地點之后，主控板根據PID運算計算運動路徑并選擇出最優路徑，然后運動到指定的地點。在運動到指定地點的過程中開啟攝像頭，并且開啟顏色識別，從左到右開始識別并且記錄每個物料的顏色信息和位置信息。到達掃碼地點后，開啟二維碼信息識別并且進行數據處理和分析，獲取顏色信息、坐標信息、存放點信息等，之后進行任務處理，待完成所有任務之后，小車返回起點。

5 系統測試

灰度循跡：

判斷小車是否走偏是通過灰度傳感器對黑色線條的感應來確定的，小車底盤前面的灰度傳感器，位于中間的那個是用來檢測白色線，左右兩邊檢測黑色線。小車底盤后方的灰度傳感器，位于中間的檢測黑色線，兩邊的檢測白色線，若左側傳感器檢測到黑色線則說明小車向右偏移，反之小車向左偏移。在底盤兩側的傳感器是用來判斷停車地點的，若檢測到出現三根單獨的線條，則停車進行信息讀取和物料抓取。

機械臂：

調節機械臂主要是調節各舵機的參數設置，起初發現每次抓取物料的時候發現抓取物體時不牢固，導致物料脫落，不能到達終點，后經過多次調節舵機參數和測試后改正了這個問題。

結語：本文從智能物料搬運方面出發，設計并開發出了一款能通過二維碼傳遞任務信息，自動規劃路線，自動識別顏色和地點、循跡避障、自動抓取物料和擺放物料的智能機器人。該機器人目前成本較低，工作效率較高，基本實現了物料的自動搬運功能。

通過對該項目的研究，我們學到很多的知識，首先為了能夠確保該項目順利完成，我們自主學習了有關單片機的一些專業知識，其中對Arduino的開發環境進行了系統的學習，其次為了能夠讓系統更高效穩定的運行，我們對本次項目中使用的各個模塊進行了一些學習，比如了解各個模塊的基本原理以及各個模塊分別可以實現什么功能。學習專業知識還不能讓我們完成該項目，懂得理論知識并不代表就能在實際操作中游刃有余，恰恰相反的是在實踐中我們遇到的許多問題都不是僅僅靠理論知識能夠解決的，往往靠的都是理論和實踐相結合，將實際情況與理論知識做比較，在不斷的實踐中去發現解決問題的方法，這樣可以慢慢積累我們的經驗。