智能物料搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、智能物料搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要：智能搬運(yùn)機(jī)器人是指以嵌入式為控制基礎(chǔ)，由電池提供能源，具備移 動(dòng)載物、自動(dòng)導(dǎo)航、安全保護(hù)、路徑規(guī)劃等功能的無(wú)人搬運(yùn)車(chē)。智能搬運(yùn)機(jī)器的 設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，集合了材料、機(jī)械、微處理器、智能算法等多個(gè)領(lǐng)域，涉及廣泛的 科學(xué)技術(shù)應(yīng)用。隨著人類(lèi)社會(huì)需求的發(fā)展，人力成本的上升，智能搬運(yùn)機(jī)器人在 日常的生活和工作領(lǐng)域起到越來(lái)越重要的作用。本文主要分析智能物料搬運(yùn)機(jī)器 人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：物料搬運(yùn)機(jī)器人；麥克納姆輪；機(jī)械手 引言 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技發(fā)展越來(lái)越快。關(guān)于中國(guó)工業(yè)的現(xiàn)狀，今后10年中 國(guó)工業(yè)情報(bào)將高速發(fā)展，智能工廠也將是不可或缺的組成部分。傳統(tǒng)工廠也轉(zhuǎn)變 為智

2、能工廠，智能工廠將為生產(chǎn)企業(yè)提供智能。工廠的頂級(jí)設(shè)計(jì)、改造路徑圖以 及通過(guò)軟件和硬件集成實(shí)現(xiàn)的工業(yè)智能解決方案，也將極大地幫助提供技術(shù)，包 括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的東西、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全、工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算平臺(tái)等。隨著智能制 造工廠的出現(xiàn)，生產(chǎn)模式發(fā)生了巨大變化。人工智能和機(jī)器人取代了傳統(tǒng)工作， 這可以說(shuō)是時(shí)代的必然產(chǎn)物，也是未來(lái)智能制造不可或缺的一部分。 1、 搬運(yùn)機(jī)器人整體設(shè)計(jì)思路 裝卸機(jī)器人是一個(gè)集機(jī)械、電子、光學(xué)和多學(xué)科控制于一體的復(fù)雜光電機(jī)電 控制系統(tǒng)。它包括三個(gè)部分:機(jī)械部分，控制部分和檢測(cè)部分。包括步進(jìn)機(jī)構(gòu)機(jī) 械部分、抓取機(jī)構(gòu)、傳感器響應(yīng)模塊控制部分、驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊、跟蹤模塊 傳感部分

3、、顏色識(shí)別模塊、二維代碼識(shí)別模塊。通過(guò)模塊間的配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人 自動(dòng)獲取信息、自主行走、材料加工等功能。 2、 智能物料搬運(yùn)機(jī)器人的主要零部件設(shè)計(jì) 2.1底座 底座是搬運(yùn)小車(chē)的主要支撐部件，為提高小車(chē)運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性，需保證底座 具有足夠的剛度，考慮到能效比，要求底座質(zhì)量較小，故底座材料選用雙層形亞 克力板，設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)有利于小車(chē)多向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、空間足夠布置芯片、 電路與機(jī)械抓手等其他零部件。 2.2抓取機(jī)械手 機(jī)械臂。機(jī)械臂是搬運(yùn)小車(chē)的核心部位，通過(guò)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，小車(chē)可以在無(wú) 需移動(dòng)的情況下，抓取不同位置的物料。采用五軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，機(jī)械臂各關(guān)節(jié) 的運(yùn)動(dòng)均為轉(zhuǎn)動(dòng)副，分別由五臺(tái)舵

4、機(jī)控制，舵機(jī)之間由四個(gè)U形架連接整合。U 形架為鏤空設(shè)計(jì)且其材質(zhì)為鋁合金，在保證機(jī)械臂剛度的同時(shí)可以減輕機(jī)械臂重 量，減少機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使小車(chē)在移動(dòng)過(guò)程中更加平穩(wěn)。U形 架兩側(cè)增加一個(gè)滑動(dòng)副，通過(guò)調(diào)整其相對(duì)位置而改變機(jī)械臂長(zhǎng)度，使機(jī)械臂活動(dòng) 更加靈活，加大工作范圍。機(jī)械爪。機(jī)械爪由機(jī)械手指、傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置組 成，機(jī)械爪由一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)控制機(jī)械手指張開(kāi)和閉合，機(jī)械手指 與齒輪為分體式結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺栓連接固定，便于依據(jù)物料形狀拆卸更換機(jī)械手指， 使機(jī)械手指與物料緊密貼合，使抓取更加穩(wěn)定。 2.3控制系統(tǒng) （1）主控制單元采用基于Arduino和Bigfish擴(kuò)展板

5、的巴士拉主控制板構(gòu)成 系統(tǒng)的主控制單元。開(kāi)發(fā)板可以收集有關(guān)各種傳感器的環(huán)境信息，并使用設(shè)備來(lái) 改變環(huán)境。本開(kāi)發(fā)版本的優(yōu)點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)良、供電面積大，電壓可在3V 至12V之間。（2）定位單元讀數(shù)通過(guò)激光傳感器在駕駛過(guò)程中實(shí)現(xiàn)，x軸使用高性 能激光器，y軸使用低功率激光器。高功率激光器的范圍大于2 m，低功率激光 器的范圍為1 m至2 m。單片機(jī)通過(guò)三軸陀螺儀讀取控制盤(pán)的速度和加速度信息， 然后根據(jù)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，確?？刂票P(pán)能夠穩(wěn)定地向前移動(dòng)。（3）起落 架運(yùn)動(dòng)單元采用常用直流延時(shí)電動(dòng)機(jī)控制mcnamur輪左右移動(dòng)，并通過(guò)調(diào)整PWM 信號(hào)的按鍵比來(lái)調(diào)整車(chē)的移動(dòng)速度。（4）顏色檢測(cè)采用

6、OPENMV相機(jī)檢測(cè)具有優(yōu)異 性能的材料顏色，能夠快速檢測(cè)材料顏色信息并將其傳輸?shù)街骺刂茊卧⑽锛?顏色與參考顏色進(jìn)行比較以識(shí)別顏色的裝置。如果兩種顏色在給定的錯(cuò)誤范圍內(nèi) 相似，則返回檢測(cè)結(jié)果。（5）灰色傳感器檢測(cè)表面光的反射度與顏色有關(guān)，不同 顏色的反射度不同。不同檢測(cè)面的不同電阻值通過(guò)光刻機(jī)進(jìn)行比較，以獲取顏色 深度。在一定距離范圍內(nèi)，白色發(fā)光二極管被照射到檢測(cè)面上，光線從反射面反 射出來(lái)。光強(qiáng)由光刻機(jī)捕獲，然后傳輸?shù)娇刂蒲b置。（6）選擇12V至5V轉(zhuǎn)換模塊， 最大輸出電流為3A，轉(zhuǎn)換效率為92%，作為電源。一個(gè)12V鋰電池由兩條導(dǎo)線輸 入，一條通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換器模塊轉(zhuǎn)換為5V，另一條連接到

7、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。 2.4車(chē)身設(shè)計(jì) 機(jī)器人身體的設(shè)計(jì)是整體問(wèn)題的關(guān)鍵。對(duì)體上不同零部件位置的合理排列可 以節(jié)省空間，使機(jī)器人的尺寸控制盡可能小。該提案規(guī)定，參加比賽的機(jī)器人在 參加比賽前要經(jīng)過(guò)與A4紙大小相同的門(mén)框。因此，整個(gè)車(chē)輛的體積基本上不應(yīng) 超過(guò)A4紙的體積，機(jī)器人的高度應(yīng)盡可能降低。同時(shí)，應(yīng)降低重心高度，以降 低機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)時(shí)傾斜的可能性。為保證機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性，機(jī)器人 體不應(yīng)太寬，后軸直徑不應(yīng)過(guò)大，否則轉(zhuǎn)向不靈活，周期軌跡累積誤差增大，最 終偏離預(yù)定軌道。機(jī)器人汽車(chē)的底板不必承受太大的力，精度要求相對(duì)較低。結(jié) 合mit情境，選用丙烯酸板作為加工材料，采用激光切割技術(shù)進(jìn)行切割

8、。 2.5檢測(cè)設(shè)計(jì) 按照競(jìng)爭(zhēng)要求，鐵路地面鋪有人造板或人造革，主要顏色為淺黃色或其他非 紅色、非綠色和非藍(lán)色；地板上有間距300mm的黑色方格線。經(jīng)度線是線寬為20 mm的單條線，緯度線寬是線寬為15 + 10（間隔）+ 15 mm的雙線，可用于判斷機(jī) 器人行走的地面坐標(biāo)位置。該機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)箱下面安裝的六個(gè)灰色傳感器檢 測(cè)到鐵軌上的黑線。下面是用于直線跟蹤和反向跟蹤的機(jī)器人前后兩個(gè)灰度傳感 器，中間兩個(gè)傳感器用于記錄機(jī)器人的位置。跟蹤和記錄機(jī)器人的位置可能導(dǎo)致 機(jī)器人到達(dá)路徑上的任何位置。用于存儲(chǔ)隨機(jī)二維代碼數(shù)據(jù)的平板電腦垂直安裝 在體育場(chǎng)容器內(nèi)部，二維代碼信息設(shè)置為三個(gè)數(shù)字“ 1”、

9、“2”和“3”的組合， 其中“ 1”為紅色，“2”為綠色，“3”為藍(lán)色。該數(shù)字組合指定了不同顏色材 質(zhì)在材質(zhì)包絡(luò)過(guò)程中的處理順序。機(jī)器人研制過(guò)程中，我們采用帶Raspberry Pi 控制板的USB攝像頭實(shí)現(xiàn)QR碼和對(duì)象顏色的檢測(cè)功能。 3、機(jī)器人調(diào)試 灰度跟蹤:通過(guò)捕獲軌道上的黑線來(lái)判斷它是否遠(yuǎn)離軌道。車(chē)廂前有七級(jí)灰 度，中間檢測(cè)到白線，左右檢測(cè)到黑線，中間檢測(cè)到車(chē)廂后部四級(jí)灰度中的兩級(jí)， 另外兩級(jí)檢測(cè)到白線，表明沒(méi)有偏差。當(dāng)檢測(cè)到左側(cè)或右側(cè)的黑線時(shí)，它們會(huì)向 左或向右扭曲。手推車(chē)邊上有三個(gè)灰色平面，停著幾條線。當(dāng)數(shù)到三條單行時(shí)， 手推車(chē)認(rèn)為是二維代碼識(shí)別，并抓住對(duì)象。 二維代碼掃描:

10、持續(xù)掃描二維代碼并查看計(jì)算機(jī)上的反饋，直到掃描完成。 稍后將安裝一個(gè)小型液晶屏。此時(shí)，識(shí)別出的grabbing序列顯示在小液晶屏上， 模塊可以根據(jù)顯示進(jìn)行調(diào)試。該模塊在測(cè)試過(guò)程中容易斷裂，然后下降模塊不穩(wěn) 定，改進(jìn)后好多了。 顏色檢測(cè)模塊：在模塊前面顯示不同顏色的小對(duì)象的設(shè)備，掃描對(duì)象的顏色， 并將對(duì)象的顏色與以前學(xué)習(xí)的參考顏色進(jìn)行比較，以檢測(cè)顏色。如果兩種顏色在 特定的錯(cuò)誤范圍內(nèi)匹配，則返回檢測(cè)結(jié)果。爪子安裝在測(cè)試中，測(cè)試是否正確取 決于爪子包裹的對(duì)象是否與程序中編寫(xiě)的對(duì)象相匹配。再次出現(xiàn)的問(wèn)題是以前的 顏色檢測(cè)距離不夠，必須非常近才能檢測(cè)到它。后來(lái)發(fā)生了很大的變化和改進(jìn)。 機(jī)械臂模塊：

11、機(jī)械臂是轉(zhuǎn)向傳動(dòng)控制的連桿結(jié)構(gòu)，主要調(diào)整轉(zhuǎn)向傳動(dòng)的參數(shù)。 測(cè)試情況已轉(zhuǎn)移到下一階段。每當(dāng)我?jiàn)A住中間的一塊塊時(shí)，總是提前松開(kāi)爪子， 導(dǎo)致塊的位置不穩(wěn)定，最后落到地面上。后來(lái)看了節(jié)目后，我發(fā)現(xiàn)這是程序問(wèn)題。 參數(shù)更改后，放置得很順利。 結(jié)束語(yǔ) 本文對(duì)物料搬運(yùn)小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，主要包括底座、車(chē)輪、物料抓 取機(jī)械手及總體布局等。物理樣機(jī)可平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向、加減速等功能， 表明設(shè)計(jì)方案可行。 參考文獻(xiàn)： 1. 范淇元，覃羨烘，黃文妹.基于模塊化控制的多功能智能搬運(yùn)小車(chē)的設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化與儀表，2018，33（11）： 47-51. 2. 潘光良.搬運(yùn)機(jī)器人自動(dòng)化系統(tǒng)研究[J].智能機(jī)器人,2019, (01) :36-38. 3. 都德偉，周夢(mèng)，劉衡，李明威，張夢(mèng)還.搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2019, (09):61-62. 4. 聶萬(wàn)芬，陳廣華.搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代信息科技，2018, 2 (08)： 189-190. [5]張家偉，張毅榮，李驥志.智能制造連接工廠與未來(lái)[J].當(dāng)代縣域 經(jīng)濟(jì)，2019 (06)： 6-7.