智能物流搬运小车

汪弘达 熊小青 陈晟 熊易 杜莹

摘  要：随着物流业的迅速发展，物品搬运工作变得越发的枯燥，效率低下，而且工人的劳动强度更是大大提高，因此解决物品搬运的问题显得尤为重要。为了提高效率、减轻工人的负担，设计了一款智能物流搬运小车，通过控制小车的运动和物品的抓取以及摆放，能够提高工作效率，减轻工人的劳动强度，以此实现机器换人的目的。

关键词：智能物流小车;搬运;机器换人

中图分类号：TH692.3       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）06-0113-02

引言

“智能”物流小车可以实现自主循迹、规避障碍、抓放物品等功能。一个设计良好的智能物流小车不仅可以解放人、降低工人的劳动强度，更能提升工作效率。现在物流搬运小车的技术仍在不断的发展，产品市场还没有饱和，发展潜力大，有研究的意义;再者物流搬运小车也顺应了机器换人的潮流。

1 设备的方案设计

1.1 运动方案选择

履带式传动常用在坦克、装甲车以及某些地面行驶的机器人上，它具有良好的稳定性能、越障性能和较长的使用寿命，适合在崎岖的地面上行驶，但是当地面环境恶劣时，履带会很快被磨损甚至磨断。沉重的履带和繁多的驱动轮使得履带式传动整体机构笨重不堪，消耗的功率也相对较大，加上履带的机构复杂，使得履带的运动设计较难。

轮式运动具有高速行驶的优势，但越野性能不强，适用于室内、硬路面等相对来说平整的路面，不适合柔软或粗糙的地板路面。

我们最后选择轮式运动作为小车运动方式的原因有以下几点：

（1）路况一般较为平整，不需要小车有较强的越野能力，轮式运动能提高运行速度，从而提高工作效率。

（2）轮式运动的价格较履带便宜，且设计难度相对较低，拆卸方便。

（3）轮式运动中的全向轮，如麦克纳姆轮，能够使小车在更狭小的空间更方便的避过障碍。

1.2 底盘的设计

底盘是小车移动的唯一方式，也是小车最为重要的一部分。底盘的设计重心主要是小车的轮子、电机和各种传感器的安放位置。

轮子采用麦克纳姆轮，除了能够前进、后退与转弯外还能够可以实现横移，斜移。电机采用带编码器的直流电机，可以实时反馈速度，采用PID算法，使控制更加精确[1]。通过装在车头底部的灰度传感器来识别路线，使车身不会偏离轨道。在上下料区域，小车采用平移来精准控制位置。

1.3 物品抓取、放置设计

由于物品一般比较工整，所以我们选择使用常见的机械臂来抓取物品，机械臂可以稳定且准确的抓取物品，并放置于如图1所示由槽轮带动的物料仓上。物料仓与槽轮通过四孔相连，其拥有六个小仓用于放置物品，物料仓两个小仓之间增加一个额外的一栏能够起到很好的减震作用。该系统能够稳定的运输物品，防止物品在运输过程中，因震动而掉落。

2 控制方案设计

2.1 路线循迹设计

小车通过装在车头底部的一排至少5个灰度传感器来识别路线：

在①处位置当车头处灰度传感器识别到一整条横线，给予小车减速的指令，缓慢行驶。

在②处位置，当小车通过左侧传感器识别到横线立即停下，同时位于机械爪上的条码识别器开始工作，逐个辨别物品，待遇到正确的物品[2]，机械手抓取物品，并将其放于物料仓，小车重复物品识别、抓取的步骤，直至完全抓完。

在③处位置由超声波传感器判断是否有障碍，若有，则驱动麦克纳姆轮的全方位移动避过障碍。

在④处位置当小车左侧部位灰度识别器识别到横线时小车停下，条码识别器扫描要求的物料条形码，然后机械手抓取对应的料仓上的物品放置在放料区上，重复此步骤。当所有物料放置完毕，小车回归原点，开始下一次的运输（路线图如图2）。

2.2 避障传感器选择

红外测距传感器是用红外线为介质的测量系统，测量范围广，响应时间短，其利用传感器发射出一束红外光，在照射到物体后形成的一个反射光到传感器，然后利用发射与接收的时间差计算出小车与物体的距离[3]。

超声波测距传感器是利用超声波回波测距原理来检测传感器与目标物之间的距离。其中小角度，小盲区的测距传感器具有测量准确、无接触、防水防腐蚀和低成本等优点。

由于超声波测距传感器成本相对较低，而2种测距传感器的精度无显著区别，所以选择使用超声波测距离传感器来作为我们的避障传感器。

2.3 控制系统设计

我们采用市面上常见的STM32F103ZET6控制器来完成小车的路线控制、条形码识别和机械臂运动等功能。该控制器具有成本低，性能稳定等优点，其集成的USB转串口电路可以实现一键传输，使得程序的传输及控制变得简单[4]。使得小车的通信、运行和抓取变得简单。小车运动总体流程图如图3。

3 结束语

通过与现有的物流小车相比，我们设计的小车具有较为明显优势，其以灰度传感器为基础的识别设计，使得小车路线识别精度大大提高;以槽轮为基础的物料仓设计能够一次搬运多个物品，显著提高了小车运输的效率，并且减少了物块在小车运输过程中掉落等情况的发生;利用超聲波测距传感器能很好地完成小车的避障工作。

参考文献：

[1]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2003：34-50.

[2]卢忠亮，沈慧芳，陈杰.基于射频识别的智能物流小车[J].江西理工大学学报，2011，32（3）：53-56.

[3]向楠，陆会娥.物流自动化智能可避障搬运小车系统设计[J].广东石油化工学院学报，2017，27（4）：30-34.

[4]赵昆，臧铁钢，郑博文.医用智能轨道物流小车嵌入式控制系统设计[J].机械制造与自动化，2017，46（04）：192-194.

[5]侯明义.多组搬运机器人运输算法的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012：03-11.

[6]宗光华，张慧慧.机器人设计与控制[M].科学出版社，2004.

[7]李志尊.UG NX CAD基础应用与范例解析[M].机械工业出版社，2004.