关于快件包裹自动分拣机器人智能控制系统的研究

2021-01-24孙驿凯李玉廷

设备管理与维修 2021年22期

关键词：快件定位机器人

孙驿凯，李玉廷

（临沂大学自动化与电气工程学院，山东临沂 276005）

0 引言

机器人自动分拣是一项新兴的快递物流技术，人们借助计算机技术、互联网技术等高新信息技术，可以构建出机器人智能控制系统，使机器人准确、自动地分拣快件包裹，大大释放人力资源，降低快递物流行业的人资成本，有助于快递物流领域的现代化发展。

1 系统用机器人分析

1.1 整体结构

在该智能系统控制下的机器人，其整体结构包括车体机械结构、驱动结构、分拣执行结构、定位导航结构、安全辅助结构、通信结构等部分。其中，车体结构为机器人的主要框架负责承载其他结构设施，且能够决定其他机器人结构装置的部署布局；驱动结构中包含轴承、驱动电机等装置，控制系统与这些装置相连可以控制机器人的运动转向；分拣执行结构包含举升电动缸、托盘两个部分，控制系统通过与该结构相连，能够控制机器人的分拣行为，将快件运送到对应的出件口；定位导航结构的作用是告诉控制系统机器人所在的具体位置，帮助其做出后续的行为决策；安全辅助结构即避障传感器系统，能够感知运行路线中障碍物的存在情况，并报告给控制系统，使控制系统能够控制机器人做出避让行为，提高机器人运行效果；通信结构则为控制系统与各个机器人运作结构之间的连接纽带，负责传输控制系统的控制指令，保证控制系统的有效运行。

1.2 任务流程

在智能控制系统的控制下，快件包裹自动分拣机器人的任务流程为：首先，待标签扫描完毕后，计算机会将包裹的运送目的发给智能控制系统，系统会根据该项信息设计包裹的分拣方案；其次，待工作者将包裹托盘上后，系统会按照之前制定好的分拣方案向机器人下达行为指令，并根据机器人结构中的传感器等装置收集机器人的运行信息，以便于及时制定、下达避障等指令，保证机器人的正常运行；最后，当分件任务执行完毕后，机器人会将自身的电量状态反馈给控制系统，电量低于15%时系统会向其下达充电指令，并将空闲充电桩作为目的地发送给机器人，使其自行前往充电桩充电。

2 系统的机器人定位导航功能分析

2.1 定位

在智能控制系统的运行中，所应用的机器人定位技术分为相对定位技术、绝对定位技术两种：在相对定位技术的应用中，设置在机器人结构内的传感器装置会获取当前、初始位置信息，然后发送给智能控制系统，系统则会推算出两者的相对关系，确定机器人的相对定位，作为控制决策制定的依据；在绝对定位技术的应用中，传感器装置会对机器人所在位置上识别存在于附近具有一定特征的目标，并将信息数据传输给控制系统，系统会基于此推算出机器人的绝对定位，然后同样将其作为控制决策制定的依据。一般来说，绝对定位所需的定位目标通常被分为两种，即自然目标、人工目标，但由于自然目标稳定性较差，因此人们经常会在地面、墙体等位置设置人工目标，帮助控制系统完成机器人绝对定位。

2.2 导航

在机器人的运行中，智能控制系统的导航功能通常是基于磁导航、惯性导航、激光导航、视觉导航这4种技术实现的。在此过程中，由于磁导航技术、激光导航技术的应用成本较高，而且容易被外界因素所干扰、对环境要求苛刻，因此，现阶段智能控制系统导航功能运行所用的导航技术，以惯性导航、视觉导航为主。在惯性导航技术的应用中，所需的设施为加速度计、陀螺仪，这两个装置的作用是收集机器人的行动信息，然后系统即可按照行动信息，使用积分运算得出机器人的移动坐标系及其在坐标系上的位置，实现系统的导航功能。但是由于陀螺仪、加速度计在经过一段时间的使用后会积累误差，影响导航准确性，因此，需要定期对两个装置进行更换。在视觉导航技术的应用中，控制系统主要是依靠识别和处理传感器收集到的环境图像信息，得出机器人的当前位置、运行状态，然后按照上述信息对机器人加以导航控制，实现机器人导航。

3 系统的机器智能调度分析

3.1 任务调度

系统对机器人开展的调度控制主要有两种，即任务调度、冲突调度。其中，任务调度的系统控制内容为，当场地上设有多个进件口时，按照时间代价最小原则，帮助机器人对进件口进行选择。在此过程中，系统需要将当前位置到与进件口之间的路程长度、路程拥堵情况、排队等待情况等纳入到选择考量中，再做出进口选择决策，增强任务调度效果。在决策过程中，系统通常会使用评价函数来得出最终的任务调度决策。该函数为g（n）=wfn+Pfntn，其中g（n）为总代价，fn为选择最佳路径时当前位置到进件口的代价，w为拥堵系数，Pfn为排队机器人数量，tn为单位包裹的作业时间。

3.2 冲突调度

冲突调度是指在道路交叉时，为了避免机器人运行碰撞，系统会在两个机器人同时到达一点时，对其运行做出合理调度，使一个机器人先行，达到规避碰撞的效果。一般来说，系统会将纵向道路定位为主干道，横向道路则定位为辅路，然后在冲突调度时，让位于主干道的机器人先行、位于辅路的机器人让行。在此过程中，系统会让位于辅路的机器人，接收到坐标点被占用的信息，使其在原地等待让行，待位于主路的机器人通行完毕后才会解除坐标点占用，让辅路处的机器人通行。在此过程中，通过设置占用等待指令来实现冲突调度，能够简化让行指令的结构，提高系统指令生成效率，增强冲突调度功能的实现效果。

4 系统数据功能

智能控制系统的数据功能主要有两种，即后台数据管理功能和历史数据记录功能。

（1）后台数据管理。在后台数据管理功能的运行中，控制系统会借助路径规划算法，将规划好的运行路径发送给机器人，同时也会将该路径数据存储到数据库，当后续的机器人申请同样的运行路径时，控制系统则无需再次规划路径，而是直接从数据库中提取路径信息，再将其发送给机器人，减少控制系统的决策工作量，也缩短了机器人的等待时间，有助于自动化快递包裹分拣效率的提升。在此过程中，路径信息均由坐标表示，而且智能控制系统的后台数据管理体系支持在TextBox（文本框）上进行路径修改、增删、查询，以便于工作者更好地管理机器人。

（2）历史数据记录。在控制系统的运行中，历史数据记录功能的主要作用是保存机器人运行期间产生的各类信息数据，以供工作者随时加以查看、校验。通常历史数据记录功能记录的数据类型包括出件口数据、进件口数据、快递包裹记录、交通冲突记录、登录账户记录等，而且支持历史记录的查询、删除、导出，导出的文件格式为Excel表格文件。其中，出件口数据记录格式为“机器人名称+进件口名称+次数”，进件口数据记录格式为“机器人名称+包裹目的地+次数”。快递包裹数据记录以天为记录单位的表格格式，内容包括每个快件的目的地、出件时间、操作员、机器人名称等。交通冲突数据记录格式为坐标，记录内容为坐标点信息以及经过该坐标点的机器人数量，由此可以看出机器人运行的交通拥堵情况，登录数据记录内容为登录、退出时间[1]。

5 系统前端功能

智能控制系统在作业过程中，会运行两个关键的前端功能，即监控功能和参数设置功能，以保证机器人的正常运作，提高自动化分拣业务的执行效果。

（1）在监控功能方面，系统主要依靠内部的监控模块、用户模块、分拣任务完成量现实模块、消息面板模块，来实现该项功能。在该项功能的运行中，监控模块可以利用VS2010的GDI（Graphics Device Interface，图形设备接口）+画面功能，结合其他模块所提供的信息数据，模拟出场地与机器人，以实现对其运行状态的实时监控。在此过程中，模拟的监控视频会被保留在数据库中，工作者可以随时调取观看，满足其快递包裹分拣工作管理需求。此外，该功能还支持工作者选取某一机器人，单独查看其运行状态监控，同时还可以通过消息面板查阅该机器人的通信记录，提高人工监管工作的便捷性与针对性，有助于自动化分拣工作水平的提升[2]。

（2）参数设置功能。参数设置功能的主要作用是，支持工作者对场地信息的修改，以确保场地改建、扩建之后，该套智能控制系统以及机器人依然可以正常使用。在该项功能下，工作者可以修改的参数包括进出件口数量、名称、位置、显示颜色，机器人显示颜色、卸货方式以及道路方向指示标识颜色、样式等多种参数。待修改完毕后，工作者退出重新登录，即可使修改后的参数生效。在此过程中，考虑到信息安全问题，在设计控制系统时通常会为该项功能设置专门的权限机制，只有管理员可以分配相应的访问权限。同时，在配套信息安全防护系统方面，人们一般也会针对该项功能的运行体系设置防护措施，以增强智能控制系统运行的稳定性[3]。