基于AGV和工业机器人的智能搬运小车的研究

周文军，吴有明

（南宁职业技术学院，广西南宁530008）

基于AGV和工业机器人的智能搬运小车的研究

周文军，吴有明

（南宁职业技术学院，广西南宁530008）

针对目前工业机械手活动范围不够大的问题，设计了一种全新的将工业机械手和AGV小车组合的移动工业机器人。其采用超声波传感器进行初定位，利用地面上的简单二维码进行位置校正和辅助定位，并采用PSD精确位置传感器，实现了AGV小车的准确定位，配合工业视觉相机，工业机械手能灵活稳定地存放各类货物。提出了一种上位机集中调度控制AGV的方案。经过长时间的实验室试验，证明本系统稳定，有望大大提高现代仓储运行效率。

AGV小车；工业机器人；PSD传感器；集中控制；物流搬运

AGV具有灵活性、可重组性、智能化等优点,可以方便地实现生产过程的柔性化运输，在现代仓储管理系统中占据了越来越重要的位置[1-2]。工业机械手能轻易地实现焊接、喷涂、装配、分拣、码垛、涂胶、以及机床上下料等。但其一般固定安装于地面、墙壁或天花板，或者通过导轨扩大它的操作范围。为了进一步扩大工业机械手的工作范围，可将其安装于能自主移动的AGV小车之上。这样，既能充分利用AGV小车的运动范围广的特点，又能发挥工业机械手运动灵活，稳定可靠的特点，能大大提升现代仓储物流存取的自动化水平，提高生产效率，节约成本。

工业机械手和自动导引小车AGV的组合即为一种移动工业机器人，目前在市场中未见有该类机器人。该类机器人属于特种机器人，本项目设计的AGV智能搬运小车，它结合工业机器人和AGV小车的优势，能实现仓库存物和取物的全自动化管理。

1 智能搬运小车系统结构

智能搬运小车控制系统结构如图1所示，系统包括：小车CPU控制核心、工业机器人控制器、小车循迹模块、小车精确定位模块、电源模块、视觉识别模块、ZigBee无线通讯模块。

图1 智能搬运小车控制系统结构

工业机器人控制器主要控制机械手完成货物的灵活夹取和存放；小车循迹模块主要采用光电扫描，能根据地面白色导条，辅以关键点二维码定位技术完成小车的循迹和定位；小车精确定位模块主要采用超声波测距以及PSD精确位置控制来实现小车的精确定位；电源模块主要完成智能充电和供电控制；视觉识别模块是在小车准确到达指定位置后来智能识别货物，以保证机械手能准确抓取货物；ZigBee无线通讯模块主要完成智能搬运小车和中控上位机PC间的通信，以实现该小车由中控PC统一调度。

智能搬运小车硬件安装如图2所示：工业机械手安装于潜伏式AGV小车之上；工业机械手控制器、大容量电池、小车CPU控制核心等安装在小车内部；视觉识别系统和末端夹具安装在工业机械手的末端；PSD传感器安装在小车的侧面。

图2 智能搬运小车硬件安装

2 智能搬运小车准确定位的实现

本系统使用工业机械手和视觉识别来实现对货物的精确夹取和存放，因此对于小车的定位精度要求很高。当机器人的末端夹具的重复定位偏差超过20 mm时，就有可能使视觉相机误测。这样，要求AGV小车的定位精度应＞±3 mm，在竖直轴上的旋转偏差应＜±3°.

2.1 二维码定位的应用

通过扫描预置在路线中的二维码来实现小车准确定位的方法在作者的另一篇文章《AGV小车柔性对接充电技术研究》中做了详细的说明。二维码简单稳定，铺设和更换方便，信号处理容易，定位效果较好。二维码定位方法主要用于小车路径实时校正，保证系统的稳定性。

2.2 超声波测距的应用

超声波测距是一种成熟的避障方法，但是超声波传感器具有检测盲区，无法检测近距离障碍物，因此本系统的AGV小车用超声波仅完成进行避障和预定位。

当检测距离小于300 mm时，小车开始减速，检测距离为200 mm时，小车换用PSD准确测量和定位，进一步减速。

2.3 基于PSD的小车准确定位控制

2.3.1 PSD测量方法

PSD是位置探测器，它是一种精密的光电测距器件，其响应速度快、位置分辨率高。在测量物体时，即使被测物体的位置有微小变化，输出电压值都会有很明显的变化。PSD光斑移动的位置可由光敏传感器的两端电极输出电流来决定，当采用±5 V电源供电时，分辨率超过1 400 mV/mm，即光斑每移动1 mm，输出电压呈线性变化1 400 mV.

图3 PSD传感器输出信号转换电路

本系统采用一维PSD传感器，其输出为电流信号，需要将电流转换为电压信号，这样便于进行A/D转换，方便进行数字化处理。本系统采用如图3所示的电路，利用电压并联负反馈电路来实现。该电路中，若PSD输出1 mA电流变化，则A/D转换端将得到1000 mV的电压变化，将该模拟信号转换成数字信号后可用于精确控制小车的位移。

2.3.2 PSD传感器用于AGV准确定位

在每一个仓位都有一个固定红外光束，当小车靠近仓位时，光束开始投射光斑到小车侧面。在前述图2中已经述及PSD安装在小车的侧面，可以准确地检测到光斑。

当超声波传感器检测到距仓位小于200 mm时，小车速度已经降到30 mm/s，此时已经进入PSD传感器检测区域。由于小车的速度慢，且PSD传感器的检测精度高，一旦PSD检测小车到位，立即启动刹车电路。采用该方法，能保证小车的定位误差小于20 mm.这样，就能保证安装在机械手末端的视觉系统能正常检测到货物并启动视觉识别程序。

3 基于视觉识别的货物抓取

如图2所示，相机安装在工业机械手的末端，随机械手一起运动。本系统采用信捷SV4-120ML智能相机，该相机分辨率为1 280×960，约120万像素。该相机对黑白文字的识别率较高，能识别印在货箱上的文字以及图片等信息。同时，能识别目标外框，并能准确测出外框的具体坐标，该坐标以像素为单位，所摄图像的左下角为坐标原点。

该智能相机具有MODBUS-485标准接口，能实时输出目标的外框坐标。如图3所示为CPU控制核心读取和处理智能相机输出的目标外框坐标的处理流程。

在完成AGV小车的准确定位后，首先需要将机械手运动到预定的姿势，若不能检测到目标，则需要在临近区域改变机械手姿态以搜索目标。搜索到目标后需要调用MODBUS读取子程序以准确调整机械手姿态，直到能准确夹取目标，最后调用夹取子程序，完成夹取。

图4 视觉处理程序流程图

4 与上位机PC通讯接口的设计

现代物流仓储的仓位多，且种类繁杂，单台AGV无法解决繁重的搬运工作。用上位机PC实现对多台AGV的集中控制和调度是一种常见的解决方案[3]。国内外学者对现代仓储系统AGV小车调度方面的研究取得了很多成果，这些成果大大提高了自动化仓储系统中AGV设备的利用率[4]。

本系统AGV小车间通过ZigBee协议组成无线网络系统，小车CPU控制核心通过ZigBee无线模块以及ZigBee路由器与上位机PC联网，接受上位机的调度[5]。

如图5所示是智能搬运小车与PC组网示意图，上位机与ZigBee路由器通过RJ45网线相连。小车通过ZigBee无线模块联接到ZigBee路由器，从而可以实时接受PC上位机的调度，并能实时返回小车的各种状态信号给PC，如：小车位置、小车抓取货物情况、小车电量等。

图5 智能搬运小车与PC组网

5 结束语

针对目前工业机械手活动范围不够大的问题，本项目设计了一种工业机械手和自动导引小车AGV的组合体，即一种移动工业机器人。

本系统采用超声波传感器进行初定位，利用地面上的简单二维码进行位置校正和辅助定位，并采用PSD传感器，实现了小车的准确定位控制，其定位误差小于20 mm.

在实现AGV小车准确定位后，本系统采用工业视觉相机来实现工业机械手的最后精确定位。利用工业机械手运动的灵活性，可以方便地夹取各类货物。本AGV智能搬运小车系统在实验室里经过大于100 h的试验测试，其运行较稳定。

但是，该系统还有两个方面需要改进：一、工业机械手的耗电较大，电池容量是短板；二、本项目只提出了PC上位机的集中控制方案，因试验条件限制，在试验过程中只是对单台AGV智能搬运小车进行了测试，若要大范围推广应用，还需要进一步试验验证。

[1]金亚萍.自动导引车关键技术现状及发展趋势[J].物流技术与应用，2015（11）：60-63.

[2]刘敏伟.浅谈激光导引AGV系统原理与应用[J].科技创新与应用，2014（11）：120-123.

[3]顾红.卷烟企业物流系统柔性调度管理研究[D].昆明:昆明理工大学，2011.

[4]宋存利，薛倩.混合蚁群遗传算法在车间作业调度的应用研究[J].科学技术与工程，2009（11）：18-20

[5]吴清秀.基于ZigBee协议栈的网络管理研究[J].物联网技术，2016（07）：25-28.

Research of Intelligent Vehicle Based on AGV and Industrial Robot

ZHOU Wen-jun，WU You-ming
（Nanning College for Vocational Technology，Nanning Guangxi 530008，China）

In order to solve the problem that industrial robot motion range is not big enough，a new kind of mobile industrial robot，which combines industrial robot and AGV，is designed.The ultrasonic sensor is used for initial positioning，and the simple two-dimensional code on the ground is used for correcting AGV position，and PSD precise position sensor is used to achieve accurate AGV positioning，and with the help of smart cameras，industrial robot can flexible and stable store all kinds of goods.A scheme of upper PC centralized scheduling control AGV is proposed.After a long time laboratory test，this system is very stable，and is expected to greatly improve the efficiency of modern warehousing operations.

AGV car；industrial robot；PSD sensor；centralized control；logistics

TP368.12

A

1672-545X（2016）11-0096-03

2016-08-07

1.2015年度广西高校科学技术研究项目“工业机器人和AGV小车的组合应用研究”（KY2015LX625）；2.2015年度南宁职业技术学院重点科技项目“DeviceNet总线工业机器人外围非标设备研究与开发”（2015ZD119）

周文军（1981-），男，湖南衡阳人，硕士，讲师，研究方向：智能化焊接、工业机器人应用；吴有明（1972-），男，广西宜州人，副教授，研究方向：机电一体化技术、工业机器人应用。