智能工廠搬運系統的設計

胡志明，趙帆，楊少祥，王思蒙，董國慶，陳志亮

（天津職業技術師范大學，天津，300222）

0 引言

隨著中國制造的全球化和市場競爭的激烈化，對產品生產周期和產品質量都提高了較高的要求，這促使很多產品的生產模式由傳統的大批量單品種轉為小批量多品種生產發展。因此，為了適應時代的發展要求，我國的裝備制造業正面臨著產業的升級換代，其中，各類機器人(裝配機器人、搬運機器人等)在現代制造中起著不可替代的作用。隨著計算機控制、人工智能等技術的不斷發展，機器人技術的應用已成為衡量一個國家制造業水平和科技發展水平的重要標志。

我國目前的制造業正在朝著智能化、高端化的方向發展，各種機器人已經應用到生產制造的各個場合，比如應用在生產線上的焊接機器人、噴涂機器人、裝配機器人，應用在物流存儲中的搬運機器人、打包機器人等。各類機器人技術的應用不僅可以有效節省勞動力、提高產品的質量和生產效率，而且保證了認識安全，大大提高了工業生產自動化水平。

針對當前智能制造的企業發展需求，本文提出并設計了一種智能工廠搬運系統，綜合運用了嵌入式控制、智能機器人、視覺處理和機電一體化等技術，采用ARM處理器，通過智能機器人循跡和圖像識別，實現物料的上料、裝配、入庫的全自動化過程，充分展現了機器人技術在工業生產領域的應用及發展趨勢。

1 系統總體設計

本文設計的智能工廠搬運系統總體設計分為兩大部分：裝配搬運機器人和外圍設備，其中外圍設備包括供料站、沖壓站和倉庫區。裝配搬運機器人主要負責物料的轉移和搬運，而外圍設備負責物料的處理加工和存儲。具體細分，可將系統分成裝配搬運機器人、供料站、沖壓站和倉庫區這四部分，如圖1所示。

(1)裝配搬運機器人：裝配搬運機器人需要進行抓取物料、識別物料、循跡的功能。因此機器人的機械手爪需可進行上下移動和前后伸縮，前后伸縮選用電機帶動鏈條的方式來實現，上下移動用電機帶動絲杠旋轉的方式來實現。物料的識別和循跡都采用攝像頭實現。

(2)供料站：供料站的主要功能是將物料推出，因此在物料放置處裝有傳感器檢測是否有料，同時物料放置處后方設有雙氣缸，將料芯和料殼同時推出。

(3)沖壓站：專用于加工料芯和料殼，將兩者裝配。此站也設有兩個氣缸，一個需要將物料移動至壓料的位置，另一個進行壓料。

(4)倉庫區：專用于存放不同類型的物料。

圖1 智能工廠搬運系統模型示意圖

2 系統硬件設計

智能工廠搬運系統的硬件設計主要包括裝配搬運機器人的控制系統設計，系統硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖

通過系統硬件框圖可以看出，智能工廠搬運系統主要由控制器模塊、檢測模塊、電機控制模塊、電源模塊以及加工單元等部分組成，其中控制器模塊采用ARM處理器STM32單片機作為系統控制核心；檢測模塊由攝像頭和循跡傳感器組成，完成物料的圖像設別及機器人的路線檢測；電機控制模塊則由三種不同的電機類型組成，分別用于實現搬運機器人的行走、機械臂的旋轉與升降；加工單元則由執行器氣缸來完成物料的物料和沖壓工作；電源模塊的作用則是為輸入設備、輸出設備和控制設備提供電源。

■2.1 控制器模塊

智能工廠搬運系統的控制器模塊采用意法半導體公司推出的基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103ZET6單片機，該單片機基于Cortex-M內核設計，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器，具有豐富的增強I/O 端口和外設，支持多種通信接口，自帶AD轉換功能，用于接收攝像頭和循跡傳感器檢測到的信息并進行處理。

■2.2 電機控制模塊

電機控制模塊是整個智能工廠搬運系統中的動力來源，實現了搬運機器人的行走、物料機械臂控制等動作，分別采用3種類型的直流電機實現，JGB37-555B電機用于提升臺和手臂的伸出；GW4058-31ZY渦輪蝸桿電機用于手臂的旋轉，MD36直流減速電機用于機器人的車輪。

(1)JGB37-555B電機

該電機的工作電壓范圍是6-24V，額定12V時轉速有 640rpm，400rpm，212rpm，133rpm，71rpm，44rpm，30rpm，23rpm，14rpm，8rpm，5rpm，在6V時轉速減少一倍，在24V時轉速增加一倍，電機為通用型。

(2)渦輪蝸桿電機

該電機額定電壓在6-24V，工作電壓在6-24V，重量在500g左右，電機最大瞬間允許負載70kg.cm，不允許堵轉使用，超出使用扭力或者反復堵轉使用，極易造成齒輪損壞。

(3)直流減速電機

該電機型號為MD36P27，額定電壓在24V，空載轉矩為325±30rpm，額定轉速為230±20rpm，額定扭矩為13.5KG.cm，空載電流為0.3A，額定電流為2.3A，堵轉電流為7A，額定功率為35W，減速比為1：27，適用于全向移動機器人底盤。

■2.3 攝像頭模塊

攝像頭安裝在智能機器人中的作用是實現物料的檢測，選用了OpenMV像頭，該攝像頭采用的STM32F427擁有豐富的硬件資源，引出UART，I2C，SPI，PWM，ADC，DAC以及GPIO等接口方便擴展外圍功能。USB接口用于連接電腦上的集成開發環境OpenMVIDE，協助完成編程、調試和更新固件等工作。

圖3 OpenMV攝像頭

3 系統軟件設計

智能工廠搬運系統的軟件設計是在硬件系統的基礎上通過軟件程序的設計，實現物料檢測、搬運、沖壓、入庫等功能。根據系統硬件組成，需要對供料站、沖壓站及裝配搬運機器人三部分進行設計程序的設計，以此實現各自的功能，其中裝配搬運機器人完成物料的識別檢測和搬運，而供料站和沖壓站則負責物料的加工處理。

整個軟件設計針對STM32處理器，采用C語言進行程序編寫，其中，裝配搬運機器人的主要軟件功能設計如下：

裝配搬運機器人軟件程序首先判斷供料站動作是否完成，若沒有一直等待至動作完成，完成后機器人按照設定路線循跡至供料站位置，控制器驅動機械手擺放物料，并整體搬運至沖壓站；等待沖壓站工作完成后，機器人抓取料塊，攝像頭進行圖像識別，最后循跡至倉庫區，將料塊分類入庫，回到機器人原始位置，一套裝配搬運動作完成。

4 結束語

本文提出一種智能工廠的上下料移動機器人，綜合運用了嵌入式控制、智能機器人、視覺處理和機電一體化等技術，使用嵌入式ARM處理器STM32系列，通過智能機器人循跡和圖像識別，實現物料上料、裝配、入庫的全自動化過程，充分展現了機器人前沿技術，反應機器人技術的發展趨勢。工業機器人以其高質量的工作、高速的工作效率不斷地改變著人類的生產生活方式，特別是近年來，機器人搬卸技術得到了迅猛的發展。其中，上下搬運機器人憑借機械機構、使用范圍和靈活性方面的優勢，能夠同時處理多種物料的搬運。