基于单片机的吸附式仓储搬运机器人研发

王媛媛 刘海龙 蔡逸锋

摘要：针对传统仓储作业模式中存在的问题，设计了一种吸附式仓储搬运机器人。该机器人将传统搬运AGV小车与码垛机器人合成一体，设备轻巧，占用空间小，可连续作业;采用新式吸附式机械手，可提高作业效率，大大降低企业成本，解决了中小型企业在轻型、小型复合材料仓储过程中的物流难题。

关键词：仓储机器人;AGV;吸附式机械手;扫码;单片机控制

0    引言

在传统仓储作业模式中，人力搬运耗时长，强度大，分拣效率较低且出错率较高，不能满足现代物流仓储中批量小、种类多样的特征需求。仓储分拣工作相对辛苦单调，年轻劳动力不愿从事此类工作，导致劳动力成本不断提高，很多企业急需应用一种智能化的物流仓储机器人，以提高物流分拣和搬运环节的工作效率[1]。

目前，虽然国内外关节型工业码垛机器人和自动引导小车AGV技术发展成熟，但在相关中小型企业中没有得到普及，主要由以下原因引起：（1）码垛和搬运是两套系统、两个设备，相对独立，且价格高昂，中小型企业承担不起;（2）设备占用空间大，需要的巷道较宽，不能很好适应现代中小型企业物流仓库环境;（3）作业不连续，不能连续完成扫码识别货物并自动上架功能，特别是对于一些包装小、质量轻的复合材料，如3D打印耗材小型箱体类的仓储搬运不适宜推广使用此技术。因此，基于中小型复合材料企业的仓储搬运需求，迫切需要设计一种小型化、复合型码垛搬运仓储机器人。

1    现有技术背景

目前国内外有各种搬运机器人，如GRAY Orange公司研发的Bulter已经成功应用于物流行业[1]。2015年，亚马逊公司研发的机器人Kiva投入其物流仓储中，可利用条形码对每个货架进行追踪定位从而实现智能导航。2016年，京东在双十一时期使用了载货能力可达300 kg以上的智能搬运机器人，实现了自动避障与规划路径等功能[1-2]。这些机器人主要解决了货架提升、重物搬运问题，而要实现货物上架，還需要码垛机器人的配合。

综合目前研发现状来看，一方面，现有的仓储AGV和码垛机器人技术都在分别解决搬运和码垛中某一个环节的技术问题，没有将AGV和码垛机器人整合成复合式机器人，对于轻质件，不能有效改善当前人工上架效率低下的现状;另一方面，目前潜伏式AGV配合码垛机器人生产线的关键技术主要依靠进口，性价比很低，维护成本却非常高[3]。

综上所述，开发出造价低、维护方便简单的设备显得尤为重要。本研究以码垛型仓储搬运AGV作为研究对象，从高性能热塑性复合材料智能工厂仓库改造建设的实际需求出发，针对轻型产品的仓储搬运和码垛问题，设计并实现了一种更准确、便捷、有效的仓储码垛AGV控制系统。

2    吸附式仓储机器人原理与结构设计

2.1    吸附式仓储机器人系统设计

根据吸附式仓储机器人的功能需求，提出了总体设计方案，确定了产品的性能参数。其中，控制方式选用单片机实现对机械臂及移动部分的控制，舵机控制用舵机控制板与单片机配合完成。

2.2    吸附式仓储机器人硬件设计

吸附式仓储机器人的硬件设计主要分为硬件结构设计和硬件电路设计两大部分。

2.2.1    硬件结构设计

（1）吸附式仓储机器人机械臂结构如图1所示。机械臂主要由7个舵机控制，每个舵机可调整的范围为0°～270°，通过调试机械臂的抓取动作，完成抓取，抓取动作烧录在舵机控制板中，当检测到相应的条形码时，机械臂在舵机控制下完成相应动作[4]。其中，扫码模块放在机械臂前端，扫描和抓放均无死点位置。

（2）移动车体设计。移动车体主要包括避障装置、驱动装置、控制单元等关键部件，如图2所示。驱动电机、驱动轮、导航定位及安全避障的传感器放置在底盘第一层;控制单元、驱动模块放置在机器人底盘第二层;机械手、扫码模块及载物台在第三层。驱动方式采用四轮驱动，驱动装置采用带减速箱的无刷直流电机。

（3）扫码模块及机械手吸盘等部分。机械手、扫码模块及载物台在第三层，机械手采取新型吸盘式抓取方式，扫码模块具体结构如图3所示。

2.2.2    硬件电路设计

硬件电路采用模块化设计，进行控制芯片引脚的实际分配[4]，完成以单片机ATMEGA2560为核心的仓储机器人控制系统硬件电路设计，如图4所示，主要包括最小系统模块电路设计、运动控制驱动板设计、通信模块设计、转接板电路设计等的电路设计以及设计车体及机械手部分的机械结构。

2.3    吸附式仓储机器人软件程序设计

根据仓储搬运机器人系统需求，如图5所示，机器人的运行程序应设计为：起点出发、自动识别条码、机械手吸取、搬至指定区域、完成货物码垛、返回出发点。

软件设计也采用模块化，将整个控制软件分成多个模块：主程序、初始化程序、中断函数、信息采集模块、运动控制函数和通信函数[4-5]。

3    结语

本吸附式仓储机器人研究主要包括：吸附式仓储机器人系统设计、吸附式仓储机器人各模块硬件结构设计（包含机械臂、吸附式机械手、移动车体等结构）、吸附式仓储机器人软件程序设计等三大部分，解决了轻型复合材料产品（例如3D打印耗材等）的扫码识别、货物搬运、货物自动上下货架等仓储物流难题。

本研究将传统搬运AGV小车与码垛机器人合成一体，设备轻巧，占用空间小，可连续作业，新型吸附式机械手不但提高了作业效率，大大降低了成本，还解决了抓放包装易损坏问题，可应用在中小复合材料生产企业的自动化仓库中，提升了企业的行业竞争力，具有广阔的市场应用前景。

[参考文献]

[1] 徐航宇.仓储搬运机器人控制系统设计与实现[D].南京：南京理工大学，2017.

[2] 谭涛.基于PLC的立体仓库AGV控制系统设计和研究[D].汉中：陕西理工学院，2016.

[3] 李庆，李路.智能搬运机器人控制系统的设计与实现[J].宜春学院学报，2014，36（6）：50-53.

[4] 陈飞，张健，胡红柱.基于机器视觉的PCBA板自动分拣系统设计[J].常熟理工学院学报，2018（5）：66-70.

[5] 张星.基于麦克纳姆轮的全向AGV运动控制技术研究[D].重庆：重庆大学，2016.

收稿日期：2020-02-05

作者简介：王媛媛（1983—），女，山东莱阳人，工学硕士，讲师，主要从事智能制造及机器人技术等方面的研究工作。