柔性机器人智能装运系统

陈飞 于继明 郑焜耀 张晓冉 陈礼

摘  要：随着智能制造规划推进，散装货物自动化装运系统一直是国内外迫切需要解决的难题。当前公司人员不断减少，生产效率不断提升，安全要求不断提高，而发货系统仍然全靠现场人工操作，操作技能要求较高，但又相对枯燥。柔性机器人智能装运系统的目的是使散装货物现场去人工化。该系统在现场可以利用传感器感知装运车位置和散装货物堆放情况，并根据算法计算最简路径，实现真正的无人值守智能装运。

关键词：散装货物  自动化装运  柔性机器人

中图分类号：TP242                                 文献标识码：A                          文章编号：1672-3791（2019）04（b）-0009-02

散货其装运流程比普通货物更为复杂，传统的工具和系统往往捉襟见肘，不但时效性不足，有时甚至会触发险情。为实现散装固体货物安全、高效、快速的装运，业界正尝试研发智能高效装运系统取代传统装运系统。该文研发一套柔性机器人发货智能仿真平台，对工业生产中无人值守发货系统的关键技术进行试验与仿真，包括柔性机器人运动学分析、机器人装运系统大数据分析等工作，为真实的项目提供技术支持，涉及多学科交叉创新与应用，面向解决复杂工业应用需求中的关键技术与系统优化技术。

1  柔性机器人智能装运系统背景

1.1 需求背景

随着国家智能制造规划推进，梅山矿业公司在系统自运化、减员增效方面工作开展，柔性机器人智能自动化发货系统是智能制造的重要应用。经调研了解到，散装货物自动化装运系统一直是国内外的难题，也是矿山发货中迫切需要解决的难题。当前公司人员不断减少，生产效率不断提升，安全要求不断提高，特别是发货工作直接关系着矿山的生产、经营。但当前发货系统全靠人工操作，操作技能要求较高，新操作员跟师傅2年左右才能达到独立操作水平。因现场工作环境差，人工操作劳动强度大，易疲劳，工作内容机械重复，易产生烦燥情绪，需要值班、换班人员多，不符合企业散装货物发货高效、安全的要求。因此，提升发货智能化、自动化、信息化水平，减员增效，是传统制造企业提档升级、搏取生存与发展机会的重要途径。

1.2 市场需求分析

该系统可广泛用于、发电厂和粮仓等产业的散装货物装运。根据市场实际调查可知，现阶段市场对该项目的需求迫切，且随着经济的发展需求量会越来越大。

矿山使用：当前我国金属矿山有2万多座，每个矿山都有铁精矿、铁尾砂、废石等散装货物发货问题，采用人工发货，效率低、用人成本高、有安全隐患存在。

火力发电厂使用：中国五大发电公司所属的大型火力发电厂有276家，其中华能集团27家、大唐集团67家、华电集团104家、中电集团和国电集团都是39家。预计2020年对煤炭的需求量近41亿t。

粮食装卸使用：中国现在有6条粮食物流通道，即东北地区粮食流出通道、黄淮海地区小麦流出通道、长江中下游稻谷流出通道、华东沿海地区流入通道、华南沿海地区流入通道、京津地区流入通道，每年跨省粮运输达6000～7000万t。

2  柔性机器人智能装运系统简介

2.1 系统总体设计

通过智能控制完成散装货物运输中的“去人工化”。系统通过扫描、定位等物联网技术实时全场景信息采集，再依托集成网络无线传输数据给大数据分析和人工智能模块，在后台根据业务建模并进行数据处理，实时计算出最优方案，最终反馈给电控模块，实现电动系统的电动智能控制，完善机器的智能控制。

系统由两个道闸组成，分别称为车道一、车道二（见图1）。4对主动式红外传感器俩俩分别放置于车道的两侧。当车辆一由外往里行驶时，红外传感器探测到有车靠近，当车头进入车道的一瞬间，靠近外端的探测器接收到遮挡物，传出信号1，此时另外一个探测器仍处于初始状态。车辆缓缓驶入，两个红外探测器都被遮挡，此时两个探测器都发出信号1。车辆继续往里行驶，离开外侧探测器范围，此时里探测器仍发出信号1，外侧探测器回到初始状态。直到车辆完全离开车道时，两个探测器均回到零状态。

2.2 系统硬件设计

激光雷达作为扫描装置，扫描距离根据现场情况确定，扫描角度360°，采样频率4K，激光雷达和上位机通过串口相连，返回的是点云中每个点的距离、角度和量测质量数据。激光雷达实现的是线扫描（获取扫描头到障碍点的距离z），而且其不会主动移动，因此需要为其搭建一套运动部件，在运动部件的带动下激光雷达在各个关键位置（x，y）进行线扫描，将多次线扫描的结果拼接在一起就能形成三维图像（x，y，z）。运动部件选用了基于PLC的皮带装置，可控制激光雷达在二维平面内进行移动和精准定位。上述两套设备都通过串口和PC机连接，接收控制指令。

以信号的形式来表示，车辆驶入车道的状态可以表示为00->10->11->01->00。同理，车道二也是这样的。

2.3 系统软件编程设计

系統编程实现分为三步进行：初始化;算法研究;发送数据包，将RS485转换成TTL信号。

（1）初始化。

首先进行初始化配置，包括通用输入输出端口配置，通用输入输出端口时终初始化，使能通用同步/异步串行接发器，复位串口二。

嵌套中断控制，并且初始化串口。因为用到8个串口，故选用字长为8位数据格式，其间设定一个停止位，没有设置奇偶校验位，确定好波特率。

（2）算法。

这段函数通过switch语句实现对小车状态的判断，设置标志量state1，state2分别表示1，2号进出车库状态。

通过对DaoZHang3和DaoZHang4所对应位的数据的判断实现标志量state1，state2状态的变化。当小车进入车库的时，状态量实现从00->10->11->01->00的变化，即标志量实现0->1->2->3->0的变化。

switch（State1）//进出车库状态00->10->11->01->00表示进车库状态。

当小车驶出车库的时，状态量实现从00->01->11->10->00的变化，即标志量实现0->3->2->1->0的变化。用switch语句对state 0，state 1，state 2，state3四个状态进行赋值，表示进入车库的4个阶段，按照顺序完成。通过这段代码以进行车辆驶出轨道的状态判断。

switch（State2）//进出车库状态00->01->11->10->00表示出车库状态。

两矿道模型初始状态变量state均设置为0，程序进入switch循环，case==0时开中断（N_F1=0），对信号量（DaoZHang1，DaoZHang2||DaoZHang3，DaoZHang4）进行判定，满足条件状态量赋值为1进行下次switch，若不满足则赋值为3，认为矿车在矿道中;case==1时，保持开中断状态，在信号量满足条件后发出信号flag并关中断，若信号量不满足则赋值为0，认为矿车处于车库;case==2时，若信号量满足条件则赋值为3，表明下个状态是处于出矿道，若信号量不满足则状态量赋值为1，表明处于进矿道状态;case==3时开中断，若信号量满足条件则表明处于已出矿道进入车库，并为状态量赋值为0准备进入下一次循环，若不满足，状态量赋值为2，认为是出矿道状态，并关中断输出信号flag。此函数执行4次后回复到初始态即state1==0&&state2==0，即执行了00->01->11->01->00的进出库动作。

（3）发送数据包。

通过uart的方式将是否有小车进入车道产生遮挡的信息发送，发送结束后切换为接收模式等待新的消息。即有一个缓存区用于存放信息，是当缓存区满以后，将缓存区的数据发送出去再切换为接收模式等待接收新的信息。

Uart2_TxBuf.TX_DATA.DataBuf[0]=Enter_Out_Flag1;//發送当前道闸1是否有矿车进出

Uart2_TxBuf.TX_DATA.DataBuf[1]=Enter_Out_Flag2;//发送当前道闸2是否有矿车进出

参考文献

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①作者简介：陈飞（1998，9—），男，汉族，江苏泰州人，本科在读，研究方向：机电控制。

于继明（1977，7—），男，汉族，河南罗山人，博士，副教授，研究方向：机电控制。

郑焜耀（1997，12—），男，汉族，江苏徐州人，本科在读，研究方向：机电控制。

张晓冉（1997，12—），女，汉族，河北邯郸人，本科在读，研究方向：机电控制。

陈礼（1998，4—），男，汉族，江苏盐城人，本科在读，研究方向：机电控制。