用于智能制造工厂中物料搬运机器人的研制

2020-05-16王远超王嘉琪岳世杰田建涛

湖北农机化 2020年2期

王远超王嘉琪焦鹏岳世杰田建涛

(太原理工大学现代科技学院，山西太原 030002)

0 引言

随着经济的发展，科技发展也越来越快。就中国工业的现状来看，未来10年，中国工业智能化领域将有高速发展，智能工厂也是必不可少的一部分，传统的工厂也将会转型成智能工厂，智能工厂为制造业公司提供了智能化的工厂顶层设计、转型路径图、软硬件一体化实施的工业智能化解决方案，同时在技术的供应上也有非常大的帮助，包括工业物联网、工业网络安全、工业大数据、云计算平台、MES系统等；智能制造工厂出现，生产模式发生了巨大变化，人工智能和机器人取代传统劳动力，可以说是时代必然的产物，是未来智能制造中不可或缺的一部分。

1 智能制造工厂的特点

1.1 互联互通

互联互通是通过CPS系统将人、物、机器与系统进行连接，以物联网作为基础，通过传感器、RFID、二维码和无线局域网等实现信息的采集，通过PLC和本地及远程服务器实现人机界面的交互，在本地服务器和云存储服务器实现数据读写，在ERP、PLM、MES和SCADA等平台实现无缝对接，从而达到信息的畅通，人机的智能。

1.2 数字化

数字化包含2个方面内容，一方面是指智能工厂在工厂规划设计、工艺装备开发及物流等全部应用三维设计与仿真;另一方面，在传感器、定位识别、数据库分析等物联网基础数字化技术的帮助下，数字化贯穿产品创造价值链和智能工厂制造价值网络，从研发到运营，乃至商业模式也需要数字化的贯通，从某种程度而言数字化的实现程度也成为智能制造战略成功的关键。

1.3 智能供应链

智能供应链重点包含供应物流、生产物流、整车物流，各相应环节实施物流信息实时采集、同步传输、数据共享，并驱动物流设备运行，实现智能物流体系。

2 物料搬运机器人的整体方案设计

2.1 总体方案的设计

小车系统分为四大部分：信号采集部分、数据处理部分，机械臂抓取部分以及行驶控制部分。信号采集部分选用了黑标传感器，黑标传感器相对其他传感器来说更加小巧方便，而且操作程序相对简单。数据处理部分选用Arduino2560，Arduino2560比单片机更加简单化，而且Arduino2560有对应的扩展版，更加方便快捷。机械臂抓取部分是由3个270度的伺服舵机来完成工作任务，通过3个舵机的配合，可以在搬运物料的过程中相对稳定地保护物料的“安全”。行驶控制部分是由4个步进电机配合福来轮来完成的行驶，而且步进电机和福来轮的配合更加适应工厂的地面。

下面就是机器人的执行任务流程图：

图1 系统流程图

2.2 主控板的设计

本文中智能机器人的主控板采用的是Arduino2560为核心的微控制系统开发板，本身具有54组数字I/O端口(其中14组可以作为PWM输出)，16组模拟比输入端，4组UART串口，供电系统有2种选择，USB直接供电和外部供电，此控制板的极限电压范围为6V～12V。

2.3 器件选择及功能模块设计

电器元件选择一个ArduinoMega2560主控板、Bigfish扩展板、步进电机扩展版、3个270°舵机、4个黑标传感器、颜色识别传感器，Wi-Fi模块。4个黑标传感器用以判断地图上的黑线以此实现小车循迹功能；机械臂用来抓取物料；颜色传感器用来识别物料颜色；Wi-Fi模块用来获取搬运物料的任务。

颜色传感器的使用方式：把一个白色物体放置在颜色传感器之下，两者相距10mm左右，点亮传感器上的4个白光 LED灯，用Arduino控制器的定时器设置一固定时间 1s，然后选通3种颜色的滤波器，让被测物体反射光中红、绿、蓝三色光分别通过滤波器，得到的 RGB比例因子，则物体反射光中红、绿、蓝三色光对应的1s内输出信号脉冲数乘以R、G、B比例因子，就可换算出被测物体的RGB标准值。

以下是行走程序：

delayTracking(Y, time);

linear_v = 0.2; //速度设置为 0.1m/s

while(toDigital(sensor2) || toDigital(sensor3)) trackingY();

switch(i){

case 0: move(0, 0.045, 0); move(0.01, 0, 0); break;

case 1: move(0, 0.045, 0); move(0.01, 0, 0); break;

case 2: move(0, 0.04, 0); break;

以下是颜色识别程序：

//颜色检测函数

void colorDetect(int i){

#ifdef DEBUG

Serial.println(color_data);

#else

switch(i){

case 0: myScanner1.scan(); break;

case 1: myScanner1.scan(); break;

}

3 机械加工工艺

3.1 机械臂的加工

机械臂的加工主要经过以下流程：选材、用料、切除、钻孔、打磨、抛光、折弯等步骤，其中切除和钻孔是最为费事的，选好料之后用笔针先画上线，然后在铣床上反复来回的切除，直到铣出来模型以后，还要用锉刀把周边铝板上的毛刺锉平，然后再比对上舵机的尺寸在铝板上比划，用铆钉在铝板上钉个小眼，以防铣刀打滑，钻出孔后还要折弯，最后进行抛光。

以下是机械臂角度的调试和抓取程序：

//底部舵机角度

//0:中间角度

//1:夹取方向角度

//2:放置方向角度

#define SERVO_A_0 88

#define SERVO_A_1 25

#define SERVO_A_2 147

3.2 Wi-Fi技术的应用

当前Wi-Fi技术在人们生活中已经得到了广泛的应用, Wi-Fi技术的实质是IEEE802.11标准,该技术的信息传输速度很快,可以达到500MB/s,基本可以满足大部分用户对于数据传输的要求。将Wi-Fi技术应用于物料搬运机器人之中,能够通过互联网络实现对物料搬运机器人的远程控制,而且还能够在局域网内部对设备进行本地控制。除此之外，物料搬运机器人获取搬运任务的方式也得到改善，从扫描二维码获取任务转变到了通过Wi-fi获取搬运任务，既节省了大量的时间，也提高了搬运的数量。Wi-Fi技术的应用使得物料搬运机器人拥有高效率、高精准性的特点。这是新技术应用于制造业中产生的成果。

以下是接入WiFi模块的程序：

#include

#include ″WiFly.h″

#define UDP_HOST_IP″255.255.255.255″// broadcast

#define SSID ″Your-SSID″

#define KEY″passphrase″

// Arduino WiFly

//2<——>TX

//3<——>RX

WiFly wifly(2, 3);

HTTPClient http;

char get;