一種智能機器人AGV小車的設(shè)計

一種智能機器人AGV小車的設(shè)計辛海明瀏月昊;宋鵬飛淳5大路【摘要】AGV作為未來智能倉儲物流和自動化工廠的核心組成部分，是未來技術(shù)升級的重點.針對目前AGV小車普遍缺少自動裝卸等問題，將工業(yè)機器人和機器視覺技術(shù)融入傳統(tǒng)AGV小車之中，并采用四輪獨立驅(qū)動的麥克納姆輪，設(shè)計出一種新型智能機器人AGV小車.該AGV小車具備貨物自動識別、裝卸以及貨物全程自動化搬運等功能.另外，通過搭建好的實物驗證模型，驗證了本設(shè)計的合理性，提高了現(xiàn)代倉儲運行效率.【期刊名稱】《現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備》【年(卷)，期】2019(000)004【總頁數(shù)】4頁(P25-27,30)【關(guān)鍵詞】智能機器人;AGV小車;麥克納姆輪【作者】辛海明瀏月昊;宋鵬飛;郭大路【作者單位】濰坊職業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，濰坊262737;濰坊職業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院濰坊262737山東省工業(yè)和信息化研究院，濟南250013;濰坊職業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，濰坊262737【正文語種】中文AGV(AutomatedGuidedVehicle)小車又稱自動導(dǎo)引運輸車，是一種集機械、電子、控制、計算機、傳感器以及人工智能等多學(xué)科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代自動化裝備［1-2］。我國在1976年由北京起重機機械研究院研制出了第一臺AGV小車，到1995年實現(xiàn)國內(nèi)AGV小車出口目標，這標志著我國AGV小車技術(shù)的成熟。但與歐美發(fā)達國家相比，我國AGV技術(shù)仍停留在中低端AGV小車研制上，缺乏電機、傳感器等高端核心部件制造技術(shù)。另外，我國正面臨著人口老齡化、勞動力缺乏、成本上升以及產(chǎn)業(yè)升級等影響因素，勢必會導(dǎo)致制造業(yè)招工困難，所以作為先進制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化設(shè)備代表的AGV小車，對企業(yè)生產(chǎn)自動化和社會發(fā)展起著重要作用。本文根據(jù)當前企業(yè)實際生產(chǎn)需求，結(jié)合傳統(tǒng)AGV小車特點，設(shè)計出了一種新型智能機器人AGV小車，實現(xiàn)了貨物自動甄選識別匹配、裝卸以及貨物全程自動化搬運目標。1智能機器人AGV小車的系統(tǒng)組成智能機器人AGV小車系統(tǒng)主要分為上位中控系統(tǒng)、CPU核心控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)、機器視覺系統(tǒng)、小車定位模塊、循跡模塊和ZigBee無線模塊等部分，如圖1所示。圖1智能機器人AGV小車系統(tǒng)中控-上位控制系統(tǒng)是指AGV系統(tǒng)的硬件設(shè)備，主要負責(zé)作業(yè)分配、車輛調(diào)度和路徑管理等工作；ZigBee無線通信模塊主要是實現(xiàn)AGV小車與中控上位機PC系統(tǒng)之間的無線通信；工業(yè)機器人系統(tǒng)由獨立電源供電，主要控制機械手完成貨物準確抓取和裝卸操作；機器視覺系統(tǒng)是根據(jù)貨物特征對貨物進行準確識別，以此來保證機械手準確抓取貨物；小車循跡模塊與機器視覺系統(tǒng)同時根據(jù)規(guī)定線路顏色完成循跡和定位；小車定位模塊采用LocalSense無限脈沖技術(shù)，利用有限的微基站，實時地^將AGV準確信息反饋到中控上位機系統(tǒng)中；電源模塊主要完成AGV小車的自動智能充電和電能分配控制。智能機器人AGV貨物裝卸及搬運控制流程如圖2所示。PC機或手持控制器通過無線系統(tǒng)發(fā)出任務(wù)指令到AGV控制系統(tǒng)中；AGV根據(jù)指令，完成路線規(guī)劃，并通過機器視覺系統(tǒng)、循跡模塊以及定位模塊將貨物存放到位；最后，通過機器視覺完成貨物識別確認，反饋給AGV控制系統(tǒng)，機械手抓取貨物任務(wù)后返航。圖2智能機器人AGV貨物裝卸及搬運控制流程圖2智能機器人AGV小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計對傳統(tǒng)AGV小車以及當前市場上最新AGV小車技術(shù)進行研究，并在滿足企業(yè)生產(chǎn)需求基礎(chǔ)上，以傳統(tǒng)AGV小車為平臺，融入工業(yè)機器人技術(shù)和機器視覺技術(shù)，簡化了企業(yè)生產(chǎn)流程，提高了生產(chǎn)效率。本文設(shè)計過程中在AGV小車上側(cè)加裝了—臺5~6自由度機械手，并在機械手末端加裝了一個基于OpenCV的機器視覺系統(tǒng)，同時還包括基于四輪麥克納姆輪全向驅(qū)動和兩個定向輪輔助支撐，具體三維設(shè)計圖如圖2所示。2.1車體結(jié)構(gòu)設(shè)計該智能機器人AGV小車整體車身為鋁合金材質(zhì)的框架式結(jié)構(gòu)，大大減輕了車身重量。車架和底盤采用鋼構(gòu)件焊接而成，增加了車身承重力和穩(wěn)定性，很好地保護了機器視覺系統(tǒng)和車燈等易損設(shè)備。車體裝有引信號接收器與PC端，通過手持控制器進行遠程控制。此外車身加裝車斗，可便于貨物存放。車體內(nèi)夕卜結(jié)構(gòu)三維設(shè)計圖如圖3所示。圖2智能機器人AGV整體結(jié)構(gòu)設(shè)計三維圖2.2轉(zhuǎn)向輪設(shè)計傳統(tǒng)AGV小車一般采用聚氨酯萬向輪，實行兩輪驅(qū)動，通過差速運動實現(xiàn)AGV小車運動功能。智能機器人AGV采用麥克納姆輪四輪驅(qū)動，其特殊構(gòu)造可實現(xiàn)360°任意方向全向移動。傳統(tǒng)AGV車輪與麥克納姆AGV優(yōu)缺點對比如表1所示。圖3車體內(nèi)外結(jié)構(gòu)三維設(shè)計圖表1傳統(tǒng)AGV和麥克納姆輪AGV對比項目傳統(tǒng)AGV車輪麥克納姆輪AGV驅(qū)動形式及數(shù)量兩輪差速驅(qū)動四輪獨立驅(qū)動運動方向前進、后退、轉(zhuǎn)彎前進、后退、左右橫移、零位移轉(zhuǎn)彎、任意方向移動等空間大小大小靈活性低高調(diào)節(jié)能力低高成本低較高控制系統(tǒng)簡單復(fù)雜由于四個麥克納姆輪均可以實現(xiàn)獨立驅(qū)動，故可通過軟件來實現(xiàn)其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的精確控制，即使之具備前后直行、左右橫移、零位移旋轉(zhuǎn)、任意半徑轉(zhuǎn)彎及任意方向移動等功能。該小車設(shè)計了前四輪由獨立驅(qū)動麥克納拉姆輪和后兩輪起定向作用的定向輪，如圖4所示。麥克納姆具有360°全向移動優(yōu)勢，解決了當前傳統(tǒng)AGV小車不能在狹小空間內(nèi)靈活移動的問題。麥克納姆輪輪轂采用鋁合金鑄造，在保證力學(xué)性能的同時大大減輕了重量，表面輥子采用耐磨性聚氨酯，增加了使用壽命，如圖5所示。通過在直角轉(zhuǎn)彎處對比傳統(tǒng)AGV與麥克納姆輪AGV轉(zhuǎn)彎半徑可以看出，麥克納姆輪AGV通過橫移運動實現(xiàn)了理論死角的全向通過，大大縮短半徑，減少了通道占地面積，如圖6所示。圖4輪系設(shè)計圖圖5麥克納姆輪實物圖圖6傳統(tǒng)AGV與麥克納姆輪AGV直角轉(zhuǎn)彎對比2.3機械手設(shè)計由于傳統(tǒng)AGV小車僅能夠?qū)崿F(xiàn)貨物搬運功能，為了實現(xiàn)貨物自動抓取，在車體上側(cè)加裝設(shè)計一臺5~6自由度串聯(lián)機械手。初步設(shè)計機械手一次最大抓取能力為5kg。在Solidworks中進行三維建模后，導(dǎo)入Ansys軟件中進行受力分析，選取輕質(zhì)鋁合金進行拉伸應(yīng)力應(yīng)變受力分析，如圖7所示?？梢钥闯?，鋁合金材質(zhì)等效應(yīng)力及應(yīng)變完全滿足設(shè)計要求，且對尺寸進行了調(diào)整，大大減輕了機械手臂重量。2.4機器視覺系統(tǒng)設(shè)計機器視覺技術(shù)可以快速實現(xiàn)物體測量、監(jiān)測和識別，被廣泛應(yīng)用于自動化程度高的生產(chǎn)線當中［3-4］。為實現(xiàn)機械手自動抓取，必須先甄選識別貨物，該智能機器人AGV基于OpenCV單目機器視覺技術(shù)，滿足上述目標。機器視覺系統(tǒng)選用德國映美精的DFK23G273相機，采用日本康標達（Computar）H0514—MP2鏡頭，光源采用高密度LED陣列的OSe直射型環(huán)形光源以及研華GRABLINKBASE系列視頻采集卡。圖7機械臂應(yīng)力應(yīng)變仿真3結(jié)語本文針對目前傳統(tǒng)AGV小車缺乏貨物自動裝卸及在狹小空間內(nèi)轉(zhuǎn)彎不夠靈活的問題，將工業(yè)機器人和機器視覺技術(shù)融入傳統(tǒng)AGV小車中，設(shè)計出了一種新型智能機器人AGV小車，實現(xiàn)了貨物自動甄選識別匹配、裝卸以及全程自動化搬運的目標。該AGV小車車輪選擇四輪獨立驅(qū)動的麥克納姆輪，可在轉(zhuǎn)彎處進行零位移轉(zhuǎn)彎。另外，通過清研訊科的LocalSense微基站技術(shù)，該AGV小車定位精度高達到2cm,實現(xiàn)了精確定位