一種危險化學藥品自動搬運和存儲小車*

李芮政，郭佳浩，徐澤靖，張景波，李帛洋，劉佳意，劉曉陽

（1.河北科技大學機械工程學院，河北 石家莊 050018；2.河北科技大學信息科學與工程學院，河北 石家莊 050018）

危險化學藥品在搬運和存儲時，易受到震動、碰撞、摩擦、溫度變化等外界因素的影響，而發生泄露、爆炸等危險，對工作人員的生命安全存在巨大的風險隱患。隨著社會的不斷發展進步，將自動化技術應用于工廠生產中，代替人工勞動，已經成為時代的需求[1-2]。

本文通過對危險化學藥品生產線的調查研究，了解其生產方法及流程，分析其搬運和存儲特點，進行相應的機械結構和控制系統的設計。

1 小車總體設計方案

1.1 小車的機械結構

危險化學藥品自動搬運和存儲小車的機械結構主要由升降系統、水平移動系統、抓取系統、傳送系統、旋轉系統、行走系統等部分組成。

圖1為機械結構設計圖。如圖1所示，小車在進行搬運和存儲工作時，通過一對平行的爪帶將化學藥品瓶傳輸到水平傳送帶上，隨后進入轉盤的槽孔里面，轉盤旋轉將化學藥品瓶傳輸到水平傳送帶相鄰的固定板面上。

圖1 機械結構設計圖

當化學藥品瓶裝滿后，小車通過麥克納姆輪和視覺避障系統按照設定的路線進行運動，到達指定位置后，通過轉盤旋轉、水平傳送帶傳輸、爪帶傳輸以及電機反轉，將小車內的化學藥品瓶依次輸出到指定的放置位置，進而完成化學藥品瓶的自動搬運和存儲。

1.2 小車的控制系統

第103頁圖2為總體設計方案圖。小車的控制系統主要功能包括車身升降控制系統、車身水平移動控制系統、底盤控制系統以及視覺避障系統。

圖2 總體設計方案圖

2 小車主要機械結構設計

2.1 升降系統

在圖1中，小車的升降系統采用導軌式升降結構，升降范圍在1.5~2 m之間，設計符合工廠生產線使用要求。升降平臺主要包括框架、雙滑塊機構、推桿電機組等結構。工作時由電推桿驅動滑塊沿導軌上下滑動，實現升降功能，在運動過程中具有較高的可靠性和穩定性[3]。雙層設計及多輛小車交替循環運行模式可以大大提高搬運存儲效率。

2.2 水平移動系統

小車的水平移動系統采用滑軌式移動結構，通過滑塊在軌道上的移動，控制這一對爪帶之間的實際距離，以符合化學藥品瓶的直徑尺寸，保證恰好能夠抓取并傳輸化學藥品瓶。

此外，爪帶采用帶傳動的機械傳動方式。由于化學藥品瓶的包裝一般為玻璃瓶或者塑料瓶，故在爪帶的外側粘一排均勻分布的橡膠管，以加大抓取化學藥品瓶時的摩擦力，同時在爪帶下面有一個托盤與之聯動，防止抓取化學藥品瓶時，化學藥品滑落而發生危險。

2.3 旋轉系統

轉盤的旋轉由槽輪機構實現，槽輪機構由裝有圓柱銷的主動撥盤、槽輪和機架組成，具有間歇運動特性[4]。槽輪機構使傳輸過程更平穩、更準確。圖3為槽輪機構設計圖。此外，轉盤采用樣條曲線建模，以適應不同直徑尺寸的化學藥品瓶。

圖3 槽輪機構設計圖

2.4 行走系統

圖4為行走系統設計圖。如圖4所示，行走系統由框架、麥克納姆輪、輪組、減震器等組成。其中，每個輪組裝配有兩個減震器，減震效果好。麥克納姆輪可全方位移動，由輪轂和圍繞輪轂的輥子組成，麥克納姆輪的輥子軸線和輪轂軸線夾角成45°。在輪轂的輪緣上斜向分布著許多小輪子，即輥子，故麥克納姆輪可以橫向滑移。輥子是一種沒有動力的小滾子，小滾子的母線很特殊，當輪子繞著固定的輪心軸轉動時，各個小滾子的包絡線為圓柱面，故該輪能夠連續地向前滾動[5-6]。由4個這種麥克納姆輪加以組合，可實現全方位移動功能。

圖4 行走系統設計圖

2.5 避障系統

小車完成搬運是以導航控制為基礎條件的。假設小車和障礙物是一個粒子和一個近似多邊形的關系，其每個頂點僅通過線段來連接，以此為基礎進行路徑規劃。這個問題則轉變為查找起始點到目標點之間的最短線段的集合，即線不能通過障礙物多邊形。路徑規劃是導航中很重要的一個環節，本文使用可視圖法。導航控制算法[7]決定小車行為，使用A*算法尋找最短路徑，對硬件的要求低，成本低。當環境較復雜時，由于查找到的是線段，小車與障礙物之間容易發生相互碰撞，搜索時間相對較長，但仍滿足當前的生產運輸需要。

小車避障策略采用了直線運動和圓弧運動的方式。當障礙物離小車比較遠或者對小車的前進路線沒有影響時，采用直線運動方式；當障礙物對小車的行進方向產生影響時，采用圓弧運動方式[8]。

小車運動區域的劃分示意圖和圓弧運動示意圖，分別見圖5和第104頁圖6。

圖5 劃分示意圖

圖6 圓弧運動示意圖

3 小車主要控制系統設計

小車的底盤電機采用DJI3508，機械臂電機使用DJI6020。主控板通過控制器域網（Controller Area Network，CAN）接口實現與電機的通信，使用比例-積分-微分（Proportion-Integration-Differentiation，PID）算法使運動更加精準。

圖7為硬件連接圖。將GM6020電機CAN、脈沖寬度調制（Pulse-Width Modulation，PWM）和電源線分別連接到開發板的CAN1、TIM1和24 V可控電源輸出接口上。此外，還用到陀螺儀、超聲波、激光測距等模塊共同實現功能。

圖7 硬件連接圖

4 結論

綜上所述，危險化學藥品自動搬運和存儲小車具有自動化、可全方位運動、系統穩定等優點，可代替人工進行危險化學藥品搬運和存儲的工作。車身具有升降、水平移動等功能，且小車具有視覺避障系統，工作過程無需鋪線或鋪設軌道,不受空間、道路和場地的限制，柔性好，工作靈活。因此，危險化學藥品自動搬運和存儲小車的設計具有很強的現實意義。