物流分揀機器人的設計與研究*

吳學鋒，齊賀男，李東亞

（蘇州大學應用技術學院工學院，江蘇昆山 215300）

0 引言

隨著互聯網網民增加，電商行業發展迅猛。在網購過程中，物流作為重要的環節，極大影響著消費者的網絡購物體驗[1]。與此同時，物流分揀離不開人工，且人工分揀存在成本高、差錯率高、效率低等一系列缺點[2]。目前國內外絕大多數的物流分揀機器人缺少多次準確移動定位功能，抓取物料較為單一，同時縱觀市場上的物料分揀機器人，無非就是應用傳統單片機或者PLC 控制的方式，大部分時間要人為操作控制[3]。為了解決以上問題，綜合前人的設計思路，整合多研究方案，本文設計一種新型的物流分揀機器人。該物流分揀機器人可以按照設定的程序完成相應的任務，同時機械手爪可方便更換，便于抓取與放置多種物料，而且采用高底盤結構，便于物料機器人爬坡，放置多層物料，有效解決物流倉庫多層放置物料問題。該款物流分揀機器人可以運用在大型存儲倉庫的自動搬運中，當前市場需要的是智能化且實用性強的物流分揀機器人，本文設計方案的實驗表明，該款物流分揀機器人可以獨立自主并順利完成從識別、抓取、搬運到放置的過程，也可以針對不同的物料進行有序抓取，按照實際需求進行分類擺放。

該款以STM32 為基礎的物流分揀機器人是根據全國大學生工程訓練綜合能力競賽要求，從原理上出發，設計一款能夠自我識別物料，并進行搬運到指定位置的智能物流機器人。依據比賽的要求：物流分揀機器人在黃黑線條的賽道上的初始區域，聽到出發指令后，出發至二維碼識別區來讀取工作任務，然后經過數據分析得到相應的任務，根據任務搬運不同的物料至粗加工區，然后將粗加工物料放置到精加工區，該過程結束后，再次進行第二次不同物料搬運至精加工區域，將第二次搬運的物料堆疊到第一次物料上，實現更為精準地放置，最后回到指定的區域，完成比賽。

1 物流分揀機器人結構設計

物流分揀機器人是移動式AGV 和機械手臂相結合的新型工業機器人，它可以滿足物流行業物料分揀的要求，從而準確實現物料的抓取與放料。由于搬運過程中防止機器人過于笨重導致的物料放置問題，因此在滿足功能的前提下，減輕整機的重量，提高機械臂的運動空間范圍，增加抓取物料的多樣性與準確性。

1.1 物流分揀機器人底盤

底盤部分包括麥克納姆輪與底部支撐板的設計。一般來說，底盤運動多數采用輪式或者履帶式，少數采用仿生式。輪式結構可以采用固定普通輪、轉向輪、全向輪或者麥克納姆輪。考慮到底盤結構運行過程便于橫向與縱向運動，如果遇到障礙物，也可以順利轉向，因此本文設計的物流分揀機器人采用麥克納姆輪。麥克納姆輪一般4個一組使用，包括2個右旋麥輪和2個左旋麥輪[4]。麥克納姆輪安裝方式主要分為X-正方形、X-長方形、O-正方形、O-長方形。考慮到物流機器人所需要的力臂較長，而X 型的安裝方式轉動力矩的力臂相對較短，而O 型的安裝方式轉動力矩的力臂比較長，而對于底盤上需要安裝機械手臂與物料架，并且盡可能減少底盤的尺寸大小，因此采用“O-長方形”安裝方式，這樣便可以盡可能多的實現一次性搬運物料，提高了工作效率。

根據以上的安裝方式，可以將底盤的運動分解為3個獨立變量來描述，即X軸運動、Y軸運動以及小車基于旋轉中心軸Yaw的自轉。設表示X軸運動的速度，即左右方向，以右為正；表示Y軸的運動速度，即前后方向，定義向前為正；繞Yaw軸自轉的角速度為，以逆時針方向為正。根據以上設定條件，對麥克納姆輪進行正逆運動學分析，以此得到運動學解析方程[5]。令為幾何中心指向麥克納姆輪中 心 的 矢 量，與分別 是在X軸 與Y軸 方向上 的 分 量，（N=1，2，3，4） 為麥克納姆輪中心的運行速度矢量，所設各變量值如圖1所示。由此可得1號麥克納姆輪的X、Y軸的分量：

圖1 底盤運動分解

由于麥克納姆輪特殊的結構，垂直錕子方向的速度分量是無效的，因為該方向上錕子是自轉的，無法為小車提供有效的動力來源。所以軸心位置的速度在X軸與Y軸分量來源于平行于錕子方向的速度，同時又因為麥克納姆輪與輪子本身之間的夾角為45°，因此，設上述的麥克納姆輪平行于錕子方向的速度為，因此速度關系的方程為：

因為錕子速度動力來自于麥克納姆輪的運動，且麥克納姆輪和錕子本身的夾角為45°，設麥克納姆輪的轉速為，所以可以得到：

設底盤的運動中心到該麥克納姆輪的中心在X軸方向和Y軸方向的分向量分別為a和b，所以得到：

1.2 物流分揀機器人機械手臂

物流分揀機器人在執行搬運過程中，機械手臂和抓取動作起到至關重要的作用，在整個機械手臂的運動空間，需要有X軸、Y軸、Z軸、自身的旋轉運動，從而可知其自由度為4，需要4個舵機有效控制，其機械原理如圖2 所示。圖中XOZ為底盤處，由底部舵機控制，實現機械手臂的旋轉運動，ABM連桿與JG連桿兩處的兩個舵機實現末端機械手爪的位置定位，JMN 位置的舵機實現機械手爪的張開與閉合，同時此處設計成便于更換的手爪，可以便于抓取不同的物料，由于比賽運行場地尺寸范圍是300 mm×300 mm，物料架放置在場地邊緣，因此設計距離底座近端大臂尺寸為35 mm，設計距離手爪近端小臂尺寸為30 mm，所設計的手爪強度滿足，尺寸滿足抓取比賽物料要求。

圖2 機械手臂結構原理

1.3 物流分揀機器人整機

綜合底盤方案與機械手臂方案的設計，根據實際抓取物料和抓取范圍要求，采用模塊化設計方案，底盤運動采用4 個12 V 直流電機驅動型號為ZGA37RG。采用SolidWorks 三維制圖軟件，設計出三維模型，因為賽制要求機器人（含機械手臂）外形尺寸滿足鉛垂方向投影在邊長300 mm 的正方形內，高度不超過400 mm，因此底盤設計寬度為280 mm×200 mm，如圖3所示。

圖3 物流分揀機器人整機

2 物流分揀機器人控制系統

本文采用STM32 單片機為微控制單元，采用可移植性C語言[6]，從識別、抓取、循跡等多種模塊進行軟硬件的設計，該物流機器人采用差分方式傳輸，運用RS485串口標準，抗干擾能力強，再編寫驅動程序，完成分揀過程中的任務。

2.1 底盤運動控制系統

物流分揀機器人采用4 個直流有刷減速電機，由于物流分揀機器人運行過程中需要保證足夠的穩定狀態，同時本身自重較大，為了保證底盤運動的穩定性，因此電機選用的時候，需要增加齒輪減速箱，提高電機的轉矩。通過計算選型，選用電機HJX3RE，額定工作電壓為12 V，轉速620 r/min。前面正逆運動學已經給出方程式，因此可以列出部分程序方程如下：

1.handle-＞speed1 = y_axisbuf - x_axisbuf +（yawbuf*handle-＞yawfac）;

2.AbsSpeed1=Absolute_Value（handle-＞speed1）;

3.if （AbsSpeed1 ＞ AbsSpeed2） SpeedMax =AbsSpeed1;

4.else SpeedMax=AbsSpeed2;

5.if （SpeedMax ＜ AbsSpeed3） SpeedMax =AbsSpeed3;

6.if （SpeedMax ＜ AbsSpeed4） SpeedMax =AbsSpeed4;

7.if（SpeedMax ＞handle-＞MaxLinearSpeed）

8.{handle-＞speed1=handle-＞speed1*handle-＞Max-LinearSpeed/SpeedMax;

9.handle-＞speed2 = handle-＞speed2 * handle-＞Max-LinearSpeed/SpeedMax;

10.handle-＞speed3=handle-＞speed3*handle-＞Max-LinearSpeed/SpeedMax;

11.handle-＞speed4=handle-＞speed4*handle-＞Max-LinearSpeed/SpeedMax;}

2.2 循跡模塊系統

比賽的場地是由黃黑相間的格子組成，根據地圖線條的位置，選用黑色線條作為軌跡規劃的運動依據。因此，整個設計方案是以黑色為指引線，循跡傳感器通過判斷走過黑色的線條數[7]。而對于循跡過程中偏差的識別，物流分揀機器人采用PID 負反饋調節，通過改變左右電機轉速差，從而調整物流機器人的位置，也可以防止“過沖”。物流機器人需要4個循跡傳感器，以單循跡傳感器為例，傳感器上有8 個監測裝置，分別感應當前位置值。將其序號定為1～8，例如當2 號傳感器單獨觸發，則信號顯示N2，若4 號與5 號同時顯示，則位置平均值為N4.5，將該數值反饋到主控板上，以此調整位置。綜上所述，物流分揀機器人循跡目的調整運行方向，首先通過算法計算當前位置，通過循跡傳感器獲取一定數值，然后通過判斷采樣數值正負關系，確定物流分揀機器人整體左移或者右移動。所采用的調節原理圖如圖4所示。因此判斷姿態的公式為：

圖4 循跡模塊調節原理

式中：Nft為前循跡傳感器的當前位置反饋值；Nbt為后循跡傳感器的當前位置反饋值。

2.3 機械手臂模塊系統

本次設計舵機的控制方式是采用PWM信號，即通過調節占空比的變化來調節信號和能量的變化，占空比是一個周期內的信號處于高電平的時間所占整個信號周期的百分比[8]。選用的舵機為360°的連續轉動舵機，可以通過信號控制速度與方向，這款舵機的周期為20 ms 的時基脈沖，脈沖的高電平時間為0.5～2.5 ms。機械手臂在抓取物料過程中，通過上位機軟件來調節4 個舵機的運動范圍，然后編寫程序代碼到app.c文件中，上位機軟件界面如圖5所示。

圖5 上位軟件界面

3 物流分揀機器人實驗驗證

為了保證設計的合理性，同時又為了更好地測試，然后對整機實物進行制作，完成物流分揀機器人的平臺搭建[9]。采用3D 打印技術，設計不同類型的機械手爪，目的是為了更好地適應多種物料，整機實物如圖6所示。在實際測試的過程中，若針對不同位置的物料，可以通過上位機調整4 個舵機旋轉角度的多少。通過調整循跡傳感器位移的大小，從而改變運動格子多少，實現物流搬運機器人不會出現偏移，準確運動至所需要的位置。與此同時，物流機器人的循跡傳感器可以隨時進行自我矯正，配合調節機械手臂抓取物體位置，可以實現物料抓取、搬運、放置功能[10]。

圖6 整機實物

4 結束語

本文從實際功能出發，依照所需的功能要求，設計出結構簡單、操作性強的物流分揀機器人。實驗前，先確定黃黑地圖上物料抓取區域和放置的位置，然后確定物流機器人的出發與返回區域，實驗中發現，該物流機器人可以進行多次反復的物料放置，同時也可以準確實現堆疊的操作過程[11]。本文的整機框架結構與機械手臂軟件編程設計具有創新性的意義，而且在實際使用過程中，只需要對內部app.c文件進行修改即可，編程程序可移植性強大，可以進行商業化生產[12]。因此，本文的思路可以為后續的行業發展提供有效的理論依據。