智能物流搬运小车

李淼鑫 刘炎杨 刘竟波 项波

摘  要：近年来随着电商的崛起，快递物流行业也进行了翻天覆地的变化，各大小省市每天的物流量也在逐年增涨，但是各地的物流分拣依旧依靠人工进行，如今已经进入智能化，自动化的时代，人工分拣不仅会出现分拣错误的情况，而且工作效率很低，所以一款可以智能分拣的机器人就显得尤为重要。该项目为一款智能化物流搬运机器人，机器人内部集成有一款高自由度且带位置反馈的机械臂，可以连接网络接收搬运任务，物流识别系统，以及一些其他功能。同时项目相比较市面其他机器人，具有研发成本低，操作简单，工作效率高等特点。别项目的研发致力于解决物流货物分拣和搬运问题，帮助各地区物流分拣人员提高效率，节省人工资源，将智能机器人融入人们的日常生活中。

关键词：智能化; 自动化; 分拣机器人

1 引言

目前物流行业中，主要的劳力环节集中在物流分拣和搬运方面，但是由于近年来国家日益发展，人民生活水平的提高，体力劳动者也渐渐减少，并且随着时间的推移，体力劳动只会更加罕见，而这些最基础的工作又不能缺失，所以这些纯体力劳动的工作必然要被机器所代替，同时使用机器不仅可以节省财力，也能保证人员安全，更加省心省力。

2   原理与设计

项目的设计理念是打造一款可以通过互联网技术物流任务，对物流进行搬运和分拣，进而节省劳动力;机器人设计为三段结构，为了能够实现物流平稳运输和机器人的全方位移动，机器人底盘采用二段式车辆设计，使用麦克纳姆轮实现全方位移动;二层为空置层，设计有货物卡扣结构，保证物流在运输过程中的稳定;第三层安装多自由度机械臂，实现物流搬運过程，同时机械臂具备位置反馈功能，可进行遥控教点，控制方式简单等特点（结构如图1所示）。

3   硬件设计与实现

3.1硬件设计

该智能物流搬运小车的硬件设计使用多片STM32单片机相互协调进行工作、使用ESP8266连接物联网领取物流任务码、利用openmv进行物流识别、采用工业级飞特总线舵机自行设计机械臂，使用特制的遥控手柄可以进行位置校点、使用麦克纳姆轮可实现全方位移动如图2所示，同时电机使用三项无刷电机，已进行速度闭环处理。

产品使用绿色能源，使用12V航模电池进行供电，首先通过三个工业级降压模块分多路降低为7.2V、5V、3.3V，其中机械臂和电机使用12V电源，机械爪使用7.2V供电，5V为传感器，显示和物料识别电源，3.3V为单片机工作电压;整个作品中共使用了7片单片机，其中四片进行路径识别，一片用了图像识别，一片用来位置识别，一片用来处理所有数据;制作过程中考虑到电源干扰，将电路板进行了分例设计，其中主控电路为单独一辆，并且大部分为信号线，传感器也为小电流传感器，另外一块为驱动板，整个机器人运动中产生的大电流多从此电路板中发出，保证信号的纯净，并且可能在运动中产生大电流的设备信号线进行单向处理，使其无法形成反击电动势击坏单片机。

3.3机械臂设计

我们根据物理力学知识和参考目前市面上成熟的工业机械臂，决定采用三段式的结构进行设计，在想法初立阶段，我们设计了图3中的机械臂，该机械臂其实已基本满足了我们的使用需求，但是在实际使用中，我们发现机械臂存在抖动现象，同时在不改变此机械臂结构的基础了进行了多款舵机测试，均存在此问题，同时在使用中舵温度过高。

机械臂抖动无疑会增加分拣的准确性，通过力矩计算，我们发现初代机械臂存在不合理的设计，于是在数据的加持下我们设计了第二款机械臂，并采用总线舵机，使用总线舵机的好处是我们可以随时得知机械臂各关节的相应位置，并且与理想位置进行偏差计算，实现机械臂的位置闭环，这样的处理无疑使机械臂的准确度实现质的变化，图4是我们的二代机械臂。

但是二代机械臂在长时间工作下依旧会出现抖动问题，相比较初代机械臂虽然提升了不少，但是依旧有改进空间，于是我们设计了图5所示的第三代机械臂，该款机械臂添加了可条件力臂和关节的功能，可自主修改臂长，同时保留的二代机械臂的特点，同样使用总线舵机，可实现闭环操作。

3.4手抓设计

由于机械的局限性，我们实验了多种手抓的设计方式，但是除了仿生手外没有其他的结构可实现万能抓取，最终我们决定拓展受力面积来稳固物料抓取，就是在机械爪的上面和下面添加树脂打印的防滑齿，我们可以根据物料来修改手抓上的防滑齿，进行不同物料的搬运如图6所示。

3.5程序流程

机器人在未送到搬运指令前，在任务等待区等待搬运任务码的发起，等到发送任务码后机器人获得出发指令，前往货车停靠处搬运物流到消毒场所进行消毒处理，而后扫描物流上的二维码，获取二维码上的二级地区，进行第二次搬运和分拣，当前任务完成后，返回任务等待区等待系统发放新的任务。

整个搬运过程及如上所示，但为了使货物搬运准确，我们还需要进行图像处理和寻路识别，通过自制的九路寻迹传感器，可以在不同环境下学习当前环境的光线，和阈值进行对比，而后把传感器收到的模拟值转换成数字值，把信号发送给主处理器，图像处理的方法与其类似。

4 结 论

如今社会，人民依旧还处在一个探索阶段，并且我国人民还未能把自动化和智能化与自己的生活结合起来，虽然目前社会的主要劳动力还是一些85后、90后，但是早晚会有年轻的一代接手这个社会，可是如今的新一代青年多半是娇生惯养长大的，他们的思维活跃，实现自动化的重担必将由他们担起，到那时，一些繁琐的劳动就会被机器人所代替，所以我们处于时代的开始，是一个探索阶段，未来会有更好的自动化、智能化的产品面世，我们需要不断学习，不断创新，才能不被这个社会所淘汰;本产品方便二次开发，未来的发展也会向模块化方向拓展，使机器人可以适应更多情况的实用。

参考文献

[1]董小雷，李冬梅.自动送货机器人结构设计[J].机械工程与自动化.2020（01）.

[2]孙静，叶紫萱，高杰，韦清鹏，赵成凯.一种光电循迹的搬运机器人电路设计[J].福建电脑.2021（11）.

[3]徐昊天.智能物料搬运小车的设计[J].新型工业化.2021（03）.

[4]陈文科，高艳雯，陈志，王志.模糊PID控制在万向电动底盘上的应用[J].机械工程学报.2014（06）.

天津市大学生创新创业训练计划资助项目，项目编号：0808