一种危险化学药品自动搬运和存储小车*

李芮政，郭佳浩，徐泽靖，张景波，李帛洋，刘佳意，刘晓阳

（1.河北科技大学机械工程学院，河北 石家庄 050018；2.河北科技大学信息科学与工程学院，河北 石家庄 050018）

危险化学药品在搬运和存储时，易受到震动、碰撞、摩擦、温度变化等外界因素的影响，而发生泄露、爆炸等危险，对工作人员的生命安全存在巨大的风险隐患。随着社会的不断发展进步，将自动化技术应用于工厂生产中，代替人工劳动，已经成为时代的需求[1-2]。

本文通过对危险化学药品生产线的调查研究，了解其生产方法及流程，分析其搬运和存储特点，进行相应的机械结构和控制系统的设计。

1 小车总体设计方案

1.1 小车的机械结构

危险化学药品自动搬运和存储小车的机械结构主要由升降系统、水平移动系统、抓取系统、传送系统、旋转系统、行走系统等部分组成。

图1为机械结构设计图。如图1所示，小车在进行搬运和存储工作时，通过一对平行的爪带将化学药品瓶传输到水平传送带上，随后进入转盘的槽孔里面，转盘旋转将化学药品瓶传输到水平传送带相邻的固定板面上。

图1 机械结构设计图

当化学药品瓶装满后，小车通过麦克纳姆轮和视觉避障系统按照设定的路线进行运动，到达指定位置后，通过转盘旋转、水平传送带传输、爪带传输以及电机反转，将小车内的化学药品瓶依次输出到指定的放置位置，进而完成化学药品瓶的自动搬运和存储。

1.2 小车的控制系统

第103页图2为总体设计方案图。小车的控制系统主要功能包括车身升降控制系统、车身水平移动控制系统、底盘控制系统以及视觉避障系统。

图2 总体设计方案图

2 小车主要机械结构设计

2.1 升降系统

在图1中，小车的升降系统采用导轨式升降结构，升降范围在1.5~2 m之间，设计符合工厂生产线使用要求。升降平台主要包括框架、双滑块机构、推杆电机组等结构。工作时由电推杆驱动滑块沿导轨上下滑动，实现升降功能，在运动过程中具有较高的可靠性和稳定性[3]。双层设计及多辆小车交替循环运行模式可以大大提高搬运存储效率。

2.2 水平移动系统

小车的水平移动系统采用滑轨式移动结构，通过滑块在轨道上的移动，控制这一对爪带之间的实际距离，以符合化学药品瓶的直径尺寸，保证恰好能够抓取并传输化学药品瓶。

此外，爪带采用带传动的机械传动方式。由于化学药品瓶的包装一般为玻璃瓶或者塑料瓶，故在爪带的外侧粘一排均匀分布的橡胶管，以加大抓取化学药品瓶时的摩擦力，同时在爪带下面有一个托盘与之联动，防止抓取化学药品瓶时，化学药品滑落而发生危险。

2.3 旋转系统

转盘的旋转由槽轮机构实现，槽轮机构由装有圆柱销的主动拨盘、槽轮和机架组成，具有间歇运动特性[4]。槽轮机构使传输过程更平稳、更准确。图3为槽轮机构设计图。此外，转盘采用样条曲线建模，以适应不同直径尺寸的化学药品瓶。

图3 槽轮机构设计图

2.4 行走系统

图4为行走系统设计图。如图4所示，行走系统由框架、麦克纳姆轮、轮组、减震器等组成。其中，每个轮组装配有两个减震器，减震效果好。麦克纳姆轮可全方位移动，由轮毂和围绕轮毂的辊子组成，麦克纳姆轮的辊子轴线和轮毂轴线夹角成45°。在轮毂的轮缘上斜向分布着许多小轮子，即辊子，故麦克纳姆轮可以横向滑移。辊子是一种没有动力的小滚子，小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，故该轮能够连续地向前滚动[5-6]。由4个这种麦克纳姆轮加以组合，可实现全方位移动功能。

图4 行走系统设计图

2.5 避障系统

小车完成搬运是以导航控制为基础条件的。假设小车和障碍物是一个粒子和一个近似多边形的关系，其每个顶点仅通过线段来连接，以此为基础进行路径规划。这个问题则转变为查找起始点到目标点之间的最短线段的集合，即线不能通过障碍物多边形。路径规划是导航中很重要的一个环节，本文使用可视图法。导航控制算法[7]决定小车行为，使用A*算法寻找最短路径，对硬件的要求低，成本低。当环境较复杂时，由于查找到的是线段，小车与障碍物之间容易发生相互碰撞，搜索时间相对较长，但仍满足当前的生产运输需要。

小车避障策略采用了直线运动和圆弧运动的方式。当障碍物离小车比较远或者对小车的前进路线没有影响时，采用直线运动方式；当障碍物对小车的行进方向产生影响时，采用圆弧运动方式[8]。

小车运动区域的划分示意图和圆弧运动示意图，分别见图5和第104页图6。

图5 划分示意图

图6 圆弧运动示意图

3 小车主要控制系统设计

小车的底盘电机采用DJI3508，机械臂电机使用DJI6020。主控板通过控制器域网（Controller Area Network，CAN）接口实现与电机的通信，使用比例-积分-微分（Proportion-Integration-Differentiation，PID）算法使运动更加精准。

图7为硬件连接图。将GM6020电机CAN、脉冲宽度调制（Pulse-Width Modulation，PWM）和电源线分别连接到开发板的CAN1、TIM1和24 V可控电源输出接口上。此外，还用到陀螺仪、超声波、激光测距等模块共同实现功能。

图7 硬件连接图

4 结论

综上所述，危险化学药品自动搬运和存储小车具有自动化、可全方位运动、系统稳定等优点，可代替人工进行危险化学药品搬运和存储的工作。车身具有升降、水平移动等功能，且小车具有视觉避障系统，工作过程无需铺线或铺设轨道,不受空间、道路和场地的限制，柔性好，工作灵活。因此，危险化学药品自动搬运和存储小车的设计具有很强的现实意义。