智能工业搬运机器人的设计与研究①

常浩 顾振超 窦岩 沈永楠 蒋鑫 张凤草

(常熟理工学院 江苏常熟 215500)

随着科技信息化的高速的发展，大型企业工厂的材料货物搬运成为重要的一环。如何高效率、自动化、智能化的完成将生产、制造、搬运等一系列工作实现自动化和智能化是人们一直所需要探索和研究的。传统的工业搬运靠的是人为驾驶叉车进行货物搬运，我们的产品可以完全依靠智能实时控制，节约了人力消耗。对于以往的大型货物只能一个一个去装卸，我们的机器人可以依靠机械手臂来实现大规模的搬运，提高了工作效率。同时我们的设备也可以避免一些意外事故的发生。所以智能搬运机器人对于现代工业有着很大的发展前景。本智能机器人意在实现自动化搬运以及实时控制。

1 机器人的整体结构设计和工作原理

1.1 机器人车体结构及工作原理

车体由门架、链条、遮板、配重块、轮胎、支架组成。整体采用长方体形状，轮胎采用柔性材料，两侧对称分布，使受力均匀。门架与整体为刚性连接，起支撑固定的作用。支架下方有外伸杆连接在转动轴上，采用链条与门架连接形成动力传送。配重块位于底座内部，设有燕尾型导轨，可在其上方前后滑动，通过智能系统自动调节重块的位置，进而实现整体装置在任何场景下仍保持整体的平衡，遮板放置在配重块的上侧，便于后期的维修和内部的防尘，保证导轨的清洁，避免因与外部接触而造成损坏，使平衡不能精准。底座上表面前侧共有8个螺纹孔，通过螺纹连接安装两只液压机械手臂。当装卸货物时，门架带动支架，完成货物放置，配重块整体平衡，车辆进行行驶，完成货物运输。

1.2 液压机械手臂

图1 智能工业搬运机器人整体示意图

液压机械手臂包括连接杆、活塞、电机箱、层板、支座板、大小齿轮、压盘、和底座。底座通过螺钉连接固定在车体上，上方依次连接大小齿轮、支座板液压轴、电机箱、压盘。三种连接杆由螺栓连接固定，最后与压盘连接，整个手臂的周向转动通过大齿轮与小齿轮之间啮合传动来实现，进而实现货物的转移，压盘由电机箱控制液压系统往复运动产生压紧力实现压紧货物。上半部分的工作系统和下半部分的动力系统则通过上层板与支座板实现连接固定，并且通过连接轴与齿轮连接并一起周向移动。

1.3 整体装置的具体实施流程

使用时，内置的控制系统发出指令，车辆整体（见图1）行驶到达货物前方，车辆停止，并利用外设的红外测量系统来测量物体的位置以及质量，在确保安全可行的条件下装夹物体。由第一电动机带动链齿轮和链条实现支架的向上匀速运动，让物体实现抬高。此时车体内部平衡系统通过控制柜计算车辆整体的受力大小，然后由电动机带动配重块在燕尾导轨上前后左右滑动来保持车辆的整体平衡。第二电动机使大小齿轮啮合带动传动轴让机械手臂实现自由转动，当机械手臂转动到物体区域附近时，齿轮停止转动。此时机械手臂下方的液压装置开始启动，动力传输到压盘产生压紧力，从而慢慢的将物体在支架和压盘之间固定。货物固定后，平衡系统再次调整配重块，使车辆整体平衡。控制柜计算输出运动路线，摄像感应监测道路状况控制车辆行驶。到达货物堆放指定地点后，控制系统发出指令，使电动机实现反转，带动各部件执行相反工作步骤，放下货物，完成搬运工作。

2 控制系统设计

2.1 机器人整体控制系统的设计

搬运机器人的运动行驶，采用无人驾驶技术，由外部的摄像感应装置，监测机器人行驶过程中的道路状况，实时传输到控制芯片，计算安全可靠的运动路线，同时平衡机器人的整体受力，防止发生侧翻等意外事故。用户可通过控制系统界面发出指令，内部预设的完整程序进而控制电机正反转实现行驶、装卸货物等功能。机器人上有无线连接装置，可以通过物联网模块连接以太网或局域网，实现在电脑、手机APP及专业的通讯设备上使用控制操作。

图2 典型的PID算法框图

2.2 平衡系统的设计

由门架上的感应测量系统测量货物质量大小，传回控制芯片，在微控制器中以PID算法（见图2），并将计算所得数值通过PWM方式传回电动机芯片，告知滑移距离调整配重块的位置，从而完成车辆的前后平衡。行驶中，采用最常使用的PI控制器，芯片根据摄像感应系统收集的数据，计算位置参数，电动机运转使配重块移动的对应位置，电动机调整机器人的运动速度，两者相互配合，使其平稳工作，并且根据感应系统提供的数据实时调整。

2.3 装卸货物控制系统的设计

采用PLC程序进行动作控制，当用户在操作界面发出工作指令后，按照输入的路线行驶到货物面前。点击装夹指令，控制柜测量质量，第二电动机旋转调整平衡，第一电动机旋转，门架、支架工作抬升货物，机械手臂上的液压系统开始工作，通过连接杆传递压紧力到压盘，固定货物。

运输到货物指定堆放地点后，点击卸放指令，执行反方向工作程序，电动机反转，放下货物，同时反馈信息到操作界面，完成卸放工作，方便用户进行下一步操作。

3 结语

在科技快速发展的时代，加快工业的发展是经济社会的重要一部分，智能化、自动化已成为时代潮流。智能工业搬运机器人的使用普及，可以满足大型制造工厂的大质量货物运输需求，也为企业的整体升级降本提供了便利。随着智能化和自动化产品不断的出现在大众面前，相信在不久将会被使用在企业工厂当中。