基于激光傳感器的柔性自組織輸送鏈路微輸送單元連接方法研究

吳健 韓金龍 方愿捷 劉婷婷 童山 王駿杰 張喆

摘 要：針對自組織輸送鏈路中微輸送單元連接無機械硬約束、準確對接困難等問題，借助測距傳感器對輸送單元進行檢測，通過邊界與閾值判定來獲得對接問題的解決方案。基于該解決方案來構(gòu)建微輸送單元的軟連接系統(tǒng)，并對其相關性能進行實物測試。測試結(jié)果表明，在邊界條件的區(qū)間范圍內(nèi)，微輸送單元能夠?qū)崿F(xiàn)準確對接。該研究在一定程度上解決了自組織輸送鏈路中物料難以準確對接的問題，提高了對接的準確性及可靠性。

關鍵詞：微輸送單元;自組織輸送鏈路;激光傳感器;軟連接系統(tǒng)

中圖分類號：TP211.6 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）12-0042-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.008

Research on Micro Conveyor Unit Connection Method in Flexible

Self-Organizing Conveying Link Based on Laser Sensor

WU Jian1? ? HAN Jinlong2? ? FANG Yuanjie1? ? LIU Tingting1? ? TONG Shan1

WANG Junjie1? ? ZHANG Zhe1

（1.Chaohu University，Industrial Process Control Optimization and Automation Engineering Research Center，Hefei 238000，China;2.Anhui China Longyang Power Group New Energy Development Co.，Ltd.，Hefei 238000，China）

Abstract：Aiming at the problem that the connection of micro conveying units under self-organizing conveying link has no mechanical and hard constraints and it is difficult to connect accurately.With the help of the detection method of the distance sensor to the conveying unit，the solution of the corresponding docking problem is obtained through the determination of the boundary and threshold.Based on the above solution，the soft connection system of micro conveying unit is constructed.And carry out physical test on relevant performance.The test results show that the micro conveying unit can realize accurate docking within the range of boundary conditions.The research solves the problem of accurate docking of materials under the self-organized transportation link to a certain extent，and improves the accuracy and reliability of docking.

Keywords：micro conveyor unit;self organizing transport link;laser sensor;soft connection system

0 引言

在現(xiàn)代化工廠中，柔性生產(chǎn)是降低制造成本的重點[1]。傳統(tǒng)生產(chǎn)線中傳送帶的輸送鏈路固化、基于自動導引小車（Automated Guided Vehicle，AGV）運載量離散化、效率低下，已不能滿足生產(chǎn)線柔性工況下的需求。多樣化生產(chǎn)、制造周期短的柔性生產(chǎn)線已成為生產(chǎn)線發(fā)展的主要方向[2]。

在實際工業(yè)場景中，國內(nèi)外學者已重點研究柔性傳送帶的靈活應用和自動導引小車的使用。晁用璽[3]設計出一種蛇形移動帶式傳動方式，能夠?qū)崿F(xiàn)物料在不同工位上的連續(xù)傳遞;王趙強等[4]針對帶式輸送過程中傳送帶跑偏的問題，借助外力裝置，來改進物料傳送系統(tǒng);錢東海等[5]為了提高AGV在行徑路程中的定位精度，利用激光雷達設計出相應的姿態(tài)算法;時光等[6]將AGV與機器人結(jié)合，并將其運用于實際;在工業(yè)生產(chǎn)中會有大量的分揀任務，于會群等[7]設計出多AGV的路徑規(guī)劃方案，從而提高物料的分揀效率。

綜上所述，傳統(tǒng)傳送帶系統(tǒng)運輸量大，但其是在固定軌跡路線下運行，導致其靈活度不高、自由度小。自動導引小車雖然具備靈活、自組織特性，但在運輸能力上明顯低于傳送帶系統(tǒng)。將AGV小車與短距離微輸送單元自組織架構(gòu)下的柔性帶傳送系統(tǒng)結(jié)合起來，可有效解決上述缺陷，但各單元間的對接關鍵技術(shù)仍存在缺失，亟待解決。

本研究針對物料傳送過程中如何實現(xiàn)準確對接，提出了基于激光傳感器TOF200F的微輸送單元自組織輸送鏈路匹配法，并從微輸送單元的機械結(jié)構(gòu)、對接匹配檢測原理展開研究。

1 機械結(jié)構(gòu)

1.1 微輸送單元結(jié)構(gòu)

微輸送單元是具備輸送長度、位姿連續(xù)有限可調(diào)，且能串聯(lián)或并聯(lián)實現(xiàn)的柔性輸送系統(tǒng)的最小輸送單元。在其通過上位機時可得到一條路徑軌跡，并可計算出每個微輸送單元的位姿，將位姿通過上位機串口發(fā)送給Zigbee通信模塊，并對每一個微輸送單元所應到達的位姿進行分配。當其到達指定位置后，每個微輸送單元的傳送帶伸縮裝置進行伸縮，從而實現(xiàn)對接，構(gòu)建出一條柔性輸送路徑。

微輸送單元如圖1所示，其是以麥克納姆輪為核心的全向移動系統(tǒng)，并在全向移動系統(tǒng)上搭建了可調(diào)的微型輸送帶。微型輸送帶整體采用雙層伸縮裝置，由兩塊側(cè)面擋板、雙層彈性皮帶和滾軸、伸縮滑塊組、兩組驅(qū)動皮帶的減速電機、絲桿螺母及其推塊、步進電機及其螺桿組成。兩組減速電機通過同步帶輪與一個滾軸相連，使其成為主動軸，從而驅(qū)動上下兩組傳送帶轉(zhuǎn)動;步進電機與螺桿連接，通過螺桿、螺母及其推桿與滑塊組連接，進而通過步進電機帶動絲桿的旋轉(zhuǎn)，使滑塊組向前移動。

在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中，當一條鏈式輸送路線形成時，輸送單元開始運作，通過多個單元不斷對接來實現(xiàn)貨物的運輸（見圖2）。當2個以上的微輸送單元以一定角度進行對接時，其對接方式一般為首尾連接，并借助傳感器的輔助測量來進行調(diào)整，最終實現(xiàn)物料的傳送。

1.2 微輸送單元模型幾何關系

微輸送單元需要嚴密配合才能實現(xiàn)多個輸送單元的緊密連接。因此，其基礎幾何模型需要進行嚴格論證（見圖3）。H1是第二級傳送帶的前端最底部;H2是第一級傳送帶后端的最頂部;[ΔH]是H1的最小值和H2的差值;θ為兩級傳送帶與水平面的斜度，取值為20°;L2是第二級傳送帶可伸長的長度;L1是第二級傳送帶的總長度，取值為325 mm。對模型進行分析計算，可得如式（1）所示的關系式。

[H2+ΔH+L2·sin20°=H1]? ?（1）

式中：H1最小值為390.55 mm，最大值為533.9 mm;h2為340.97 mm;[ΔH]為390.55 -340.94=49.61 mm;L2最小值為0 mm，最大值為325 mm，當L2伸長1 mm，H1就會升高0.34 mm。

2 對接匹配檢測原理

2.1 對接檢測原理

由式（1）可知，前級微輸送單元與后級微輸送單元的對接匹配程度取決于二級傳送帶的伸縮長度變量[ΔS]，而[ΔS]可由高度差[ΔH]的測量值計算得出，借助TOF200F激光傳感器可獲得相應的[ΔH]數(shù)據(jù)。所采用的激光傳感器是基于時間飛行原理（Time of Flight，TOF）[8]，其結(jié)構(gòu)圖見圖4。

激光傳感器可周期性地向外發(fā)出近紅外光調(diào)制波，調(diào)制波遇到物體時會發(fā)生反射，通過測量調(diào)制波往返相位差，可以得到飛行時間，再計算出此時物體與被測目標之間的相對距離（見圖5），其距離計算公式見式（2）。

式中：[Δφ]為調(diào)制光在距離為2D上的相位差;C為調(diào)制光的傳播速度;t為調(diào)制光在待測距離往返一次所需要的時間;f為調(diào)制光的頻率。

在對接過程中，二級傳送帶的伸長量是待求解的參數(shù)，利用二級傳送帶的前端是否落入預定區(qū)域的高度范圍內(nèi)，來判斷二者鏈路是否搭建成功。二級傳送帶通過傳感器回送的距離值，來調(diào)整自身的伸長距離，當達到一定條件范圍時，表示軟對接完成。

2.2 邊界條件

微輸送單元按照上位機規(guī)劃好的路線運輸物料時，每個微輸送單元會從后方接近前一級輸送單元。但對如何控制二級伸縮傳送帶的伸縮距離需要進行分析，并歸納其對應的邊界條件。在檢測環(huán)節(jié)中，傳感器的回送距離值落在邊界區(qū)間內(nèi)的增量區(qū)間內(nèi)，均可判定為對應的軟對接成功。

2.2.1 第一種極端情況下相應的對接情況。如圖6所示，微輸送單元的側(cè)面中軸線與下一輛微輸送單元中軸線呈90°。微輸送單元在行進到指定位置時，開始伸長二級傳送帶。此時，二級傳送帶與下一級微輸送單元的傳送帶并不平行，斜率不一致。圖6中的θ是傳送帶與地面的夾角。通過控制電機運動，使得二級傳送帶伸長[ΔL]，傳送帶在距離上次的位置升高[ΔS]，通過激光傳感器兩次測距的高度差可測得[ΔS]的大小。在對接時，兩輛微輸送單元的中軸線相交的角度無法完全確定。控制每次二級傳送帶伸長距離[Δl]為固定值，當微輸送單元的側(cè)面中軸線與下一輛微輸送單元中軸線呈90°時，[ΔS]取得最大值[ΔSmax]，見式（3）。

[ΔSmax=sinθ·ΔL]? ? ?（3）

通過步進電機說明書中的參數(shù)可確定二級傳送帶伸長速度為15 mm/s，規(guī)定伸長時間為2 s，可通過式（3）計算得出[ΔSmax=10.27 mm]。

2.2.2 第二種極端情況下相應的對接情況。如圖7所示，微輸送單元的正后方方向的中軸線與下一輛微輸送單元中軸線呈0°。

此時，二級傳送帶與下一輛微輸送單元能夠達到相對平行的狀態(tài)，斜率相同。由于兩個二級傳送帶平面與下一輛微輸送單元平面平行，二級傳送帶每次伸長[ΔL]時，傳送帶升高的高度h都相同，所以高度差[ΔS]為0，即可得[ΔSmin=0]。

對以上兩種極端情況進行分析，可得出微輸送單元在進行對接時，能夠?qū)崿F(xiàn)準確對接相應的邊界條件，見式（4）。

[0≤ΔS<10.27 mm]? ? （4）

在對接時，通過激光傳感器獲取實時測距傳輸數(shù)據(jù)，可得到對接過程的圖像，并通過所測得的數(shù)據(jù)進行計算，分析[ΔS]是否在邊界條件內(nèi)，判斷微輸送單元是否完成準確對接。

本研究所采取的微輸送單元的對接方向僅供參考，其實際意義具有普遍性，結(jié)論適用于對接時所產(chǎn)生的角度。

2.3 對接匹配算法

結(jié)合TOF200F激光傳感器的檢測原理、對接檢測[ΔH]的邊界判定，可獲得二級傳送帶停止伸長的條件，具體流程如圖8所示。

通過設置上位機總控系統(tǒng)來對傳送現(xiàn)場的障礙地圖進行分析，然后規(guī)劃貨物的傳送路徑。當微輸送單元行駛到指定位置進行物料輸送時，上位機采集激光傳感器所測得的數(shù)據(jù)。由于對接時微輸送單元之間產(chǎn)生的角度不是唯一確定的，所以需要對測定的[ΔS]進行判定，得出相應的邊界條件。

對于測量計算得到的[ΔS]，當[ΔS]的值滿足邊界條件式（4）中的范圍時，則二級傳送帶可實現(xiàn)準確對接。反之，傳送帶需要繼續(xù)伸長，并重新采集數(shù)據(jù)，并對[ΔS]進行判斷，直至達到其范圍內(nèi)。

3 試驗結(jié)果與分析

為了驗證理論分析的可行性，在實驗室內(nèi)進行多次對接測試。測試內(nèi)容為多個微輸送單元根據(jù)上位機指令到達指定位置實行兩兩對接。測試裝置及測試條件如圖9、圖10所示。

激光傳感器實時測定的距離曲線及線性擬合曲線如圖11、12所示。從圖11可以看出，在AB段，激光傳感器實時測定距離為二級傳送帶對地距離;在B點，微輸送單元到達指定位置;在BC段，二級傳送帶開始上升;在C點，即將與下輛微輸送單元的傳送帶進行對接;在CD段，二級傳送帶平面與下一輛微輸送單元平面接觸;在DE段，二級傳送帶平面與下一輛微輸送單元平面實現(xiàn)完全覆蓋。

由試驗數(shù)據(jù)可知，通過激光傳感器兩次測距的高度差測得的[ΔS]在理論數(shù)值區(qū)間內(nèi)，驗證了本研究微輸送單元對接判定條件的可靠性及準確性。

4 結(jié)語

本研究基于微輸送單元的基本結(jié)構(gòu)與幾何關系，設計了一種基于微輸送單元柔性帶傳送下的激光測距對接系統(tǒng)，重點研究微輸送單元對接過程中的邊界條件及其應用，通過試驗設定值來計算出邊界值，對邊界條件則重點研究了對激光傳感器數(shù)據(jù)曲線特征的提取與擬合。最后，通過試驗驗證了本研究所提出的激光測距對接系統(tǒng)對接策略的有效性，保障了微輸送單元對接的準確性，在一定程度上解決了實際工業(yè)場景中物料對接輸送時的損耗問題。

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