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2011～2018年我國AGV市場新增量及增長情況如圖1所示, 由此可見, 我國對AGV的需求量在逐步增大。

圖1 2011～2018年我國AGV市場新增量及增長情況   下載原圖

根據(jù)本次機器人所要實現(xiàn)的搬運、導航、避障等功能, 對控制系統(tǒng)進行五大模塊的設計:

(1) 主控模塊:主要對系統(tǒng)內起到各個模塊的平衡作用。

(2) 電源及管理模塊:電源是機器人的動力源泉。

(3) 運動控制模塊:機器人在接收指令后通過直線行走、轉彎等運動到指定位置。

(4) 避障模塊:通過紅外光電傳感器檢測障礙物, 并及時做出規(guī)避動作。

(5) 定位模塊:機器人通過二維碼信息采集技術進行導航定位, 按規(guī)定路線進行運行。

圖2 內部結構圖   下載原圖

構成主要包括搬運機器人的底盤、舉升設施以及傳感器等。物流機器人的底盤是機器人的重要外圍設計, 對機器人的整體結構起到支撐作用。

外殼屬于保護部件, 對內部結構起保護作用。機器人舉升設施是用來實現(xiàn)舉升、裝卸的關鍵部分, 保證機器人可靠行走的部件則為傳感器。

倉儲搬運機器人內部結構示意圖如圖2所示。倉儲物流搬運機器人主體支架由上下兩層組成。其中主要包括控制單元、避障裝置、驅動裝置、導航定位裝置、舉升設備等部件。

圖3 四輪布局   下載原圖

本次設計采用兩輪驅動方式, 為了提高機器人承載重物的能力, 選擇使用兩個萬向輪分擔負載。如圖3所示。

此外本次運用Solidworks軟件對機器人的車輪進行設計, 并利用以前所制作的3D打印技術, 對機器人車輪進行打印。

出于本次設計的倉儲物流機器人運行速度低, 功率也不高, 因此, 采用直流電機作為驅動系統(tǒng)足夠滿足此次設計。機器人車體本身重量m1=3 kg, 最大負重m2=10 kg, 最大移動速度v=0.3 m/s。設最大加速度a=0.3 m2/s, 取滑動摩擦系數(shù)μ=0.2, 安全裕量k=2, 機械傳動效率η=0.8, 并假設兩個驅動電機在理想情況下機械特性、功率曲線一樣, 則機器人正常工作時所需總驅動功率為:

本文采用兩個直流無刷電機進行驅動, 并考慮安全裕量, 故單個電機功率需求為:

根據(jù)電機功率進一步計算電機轉矩T, 本文采用輪子直徑T=650 mm, 所需最大轉矩為:

T=fr=μ (m1+m2) gr

=0.2× (3+10) ×9.8×0.0325=0.8281 N·m

根據(jù)機器人移動速度和驅動輪輪徑, 可計算得到機器人電機所需轉速n為:

n=60V/2πr= (60×0.3) / (2π×0.0325) =88.1473 r/min

本次研究選用鋰電池作為機器人的動力源泉, 所選電池參數(shù)如表1所示。

表1 鋰電池參數(shù)表 導出到EXCEL

如果在行進過程中遇到障礙物擋住發(fā)出的光線, 則會使發(fā)射出的紅外光線中的一部分反射回來, 通過收光裝置之后, 會輸出一個信號, 然后經(jīng)過系統(tǒng)的控制所傳遞出的信息使機器人立即停止行進。

圖4 功能需求分析圖   下載原圖

倉儲搬運機器人系統(tǒng)的功能需求分析圖如圖4所示, 由圖分析機器人需要接收上位機信號并執(zhí)行指令, 將貨物搬運至工作區(qū)再返回到出發(fā)區(qū)。途中機器人還需向上位機對機器人的狀態(tài)、信息進行反饋。對于所述要求, 倉儲搬運機器人需要具有數(shù)據(jù)采集功能以及搬運等功能。

在模擬搬運環(huán)境中, 地面貼有二維碼地標, 每個二維碼標志攜帶有位置信息, 使用專門模塊掃描二維碼獲取地標信息從而獲取位置信息。

其中數(shù)據(jù)為二維碼對應的位置信息以及是否存在貨架, 如果檢測存在貨架, 則機器人需要原地旋轉180°, 并等待舉升機構的動作。

倉儲搬運機器人裝有3個灰度傳感器, 如圖5所示。

圖5 灰度傳感器分布圖   下載原圖

首先將3個灰度傳感器從左向右分別如圖5編號。機器人沿中心循跡時, ②號傳感器能夠檢測, ①號、③號傳感器不檢測。灰度傳感器掃過引導線時, 傳感器會輸出高信號, STM32首先對高信號進行統(tǒng)計, 之后取高信號編號的平均值, 與平均值做差, 以此來判斷機器人是否偏移, 然后進行誤差修正。

機器人通過用電動推桿將貨物舉起。本次使用的電動推桿伸縮量可以達到100 mm, 使用位置閉環(huán)控制對電機進行控制, 反饋電動推桿上下移動的距離則取決于編碼器脈沖數(shù), 由于電動推桿本身自帶限位開關, 由此特性來控制是否正常工作。

本次產(chǎn)品有以下特點: (1) 采用3D打印技術制造機器人零部件:使用Solidworks軟件對倉儲搬運機器人的零部件進行設計, 通過3D打印技術打印機器人部分組成零件。 (2) 二維碼掃描技術進行指令識別:本機器人主要采用二維碼掃描技術來進行導航定位并且實現(xiàn)指令的識別。 (3) 采用四輪設計的驅動方式:在兩輪驅動的基礎上, 配合兩個萬向從動輪, 以此提高倉儲搬運機器人承載重物的能力。 (4) 實現(xiàn)智能追蹤, 擁有避障功能:通過紅外傳感器來實現(xiàn)機器人的尋跡和安全避障。

本次機器人成品圖如圖6所示。

圖6 機器人成品圖