廣東海格怡創(chuàng)科技有限公司 李國亮 盧健瀚

一種智能搬運(yùn)小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廣東海格怡創(chuàng)科技有限公司 李國亮 盧健瀚

本文根據(jù)項(xiàng)目要求給出了一種智能搬運(yùn)小車方案設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述了此智能搬運(yùn)小車方案的軟硬件的總體設(shè)計(jì)，對相關(guān)的軟硬件功能作出詳細(xì)解釋，并給出有關(guān)的電氣、機(jī)械連接相關(guān)的設(shè)計(jì)過程，以及介紹了設(shè)計(jì)過程中需要注意及出現(xiàn)的問題及其解決方法，最后給出根據(jù)設(shè)計(jì)方案的結(jié)論。項(xiàng)目取得了階段性的成果，設(shè)計(jì)方案可行，符合項(xiàng)目要求，并可以根據(jù)實(shí)際需求作進(jìn)一步的擴(kuò)展。

智能搬運(yùn)小車；智能硬件；智能控制系統(tǒng)

0 引言

除著人工智能的發(fā)展各種各樣的機(jī)器人逐漸滲透到各行各業(yè)。物流業(yè)亦因?yàn)槿肆Τ杀镜膯栴}逐步引入了自動(dòng)化設(shè)備以提供生產(chǎn)效率以及降低成本[1]。現(xiàn)代化的倉庫管理對物流機(jī)器人提供了需求。本文根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的需求設(shè)計(jì)了一種智能機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)。下文就對系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)過程進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)總體介紹

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

硬件系統(tǒng)方案包括機(jī)械組裝，電源連接，信號(hào)連接。機(jī)械組裝包括智能小車搭載平臺(tái)面積計(jì)算，其他設(shè)備安裝位置設(shè)置，重量估算。電源連接使用智能小車的鋰動(dòng)力電源來作為電源供應(yīng)，包括各個(gè)設(shè)備電流電壓要求，相關(guān)輸入端和安全檢測回路的改造，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人能夠自由的在工作區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，沒有電源電纜束縛。信號(hào)連接包括各種設(shè)備間的通信以及信號(hào)互連。軟件系統(tǒng)實(shí)用開源的Ubuntu搭載開源的ROS（Robot Operation System)作為操作系統(tǒng)對整體進(jìn)行控制。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī) 械結(jié)構(gòu)考慮

圖2所示中，移動(dòng)平臺(tái)NQ2[2]效載物尺寸為429mm*604mm。NQ2可以放機(jī)械臂+機(jī)械臂控制箱，機(jī)械臂UR3底座直徑為128mm，UR3機(jī)械臂控制箱寬為423mm,所以平臺(tái)上長度大概剩余604-423-128=51mm，寬度為429mm?？紤]到按裝時(shí)要遷就平臺(tái)的螺絲孔位置，安裝后長度方向剩余會(huì)少于51mm。

圖2 小車結(jié)構(gòu)平面圖

UR3工作半徑為500mm[3]加上NQ2[2]的241mm的高度，可達(dá)到高度為約750mm，如需增加臂高度，需增加電動(dòng)升降臺(tái)或者固定支架平臺(tái)。升降臺(tái)電動(dòng)410電動(dòng)底座尺寸為245mm*245mm，揚(yáng)程為410mm-710mm，凈重8.6KG，可承受IT重量，可遙控。若加此升降臺(tái)，升降臺(tái)底座邊長245mm+機(jī)械臂控制箱423mm為678mm，稍超移動(dòng)平臺(tái)672mm長度，需要剪裁加工。

激光雷達(dá)VLP-16及KINECT須抬高。所以考慮將主控制箱放到機(jī)械臂控制箱上。主控制箱與機(jī)械臂用螺絲孔連接。按UR3的技術(shù)文檔，UR3帶有12''觸摸屏安裝支架。液晶觸摸屏預(yù)定裝于UR3帶的觸摸屏安裝支架。3519雙目板預(yù)定裝于現(xiàn)有相機(jī)架上，用于測距以及識(shí)別。KINECT預(yù)定裝于現(xiàn)有相機(jī)架上，用于識(shí)別，定位等。激光雷達(dá)用于構(gòu)建地圖及避障，預(yù)裝在小車平臺(tái)上。麥克風(fēng)，語音播放器預(yù)定裝于主控制箱內(nèi)。主控制箱應(yīng)為麥克風(fēng)，語音播放器提供相應(yīng)的開口。

主控制箱中還裝有TX1，交換機(jī)，電源轉(zhuǎn)接板，迅飛AIUI開發(fā)板，超寬頻定位模塊。在提供放置主控板TX1等設(shè)備空間同時(shí)，作為平臺(tái)提供一定合適高度以便安裝激光雷達(dá)及KINECT。所以主控制箱大小要根據(jù)機(jī)械臂控制箱的外型確定以及其他模塊的大小以及激光雷達(dá)及KINECT需要的高度。

2.2 重量考慮

NQ2額定承重為70KG[2]，主要負(fù)載為機(jī)械臂及其控制盒。根據(jù)規(guī)格書，UR3重量為11KG，控制盒重量20KG左右，機(jī)械手WSG25-CR為500g,其他設(shè)備重和應(yīng)該不超過10KG。承重方面應(yīng)滿足要求。

2.3 電源連接考慮

如圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖所示，車載電源輸出接電源轉(zhuǎn)接板再接各個(gè)設(shè)備輸入。

5V：交換機(jī)5V/1A，液晶觸摸屏5V/1A，AIUI開發(fā)板5V，700mA。

12V：TX112V/5A，激光雷達(dá)12V/2A，3519雙目板12V/2A機(jī)械臂控制箱12V/2A。

48V：機(jī)械臂典型125W，最大250W。

NQ2車載電池[3]為24V/18.2Ah鋰離子電池[2]。車載電源有3個(gè)輸出：5V/5A/12V/5A/電池電壓(22.4～29.2V)/>10A。

所以5V輸出足夠設(shè)備使用。但12V還差約6A。

24V/18.2Ah鋰離子電池功率為436.8W，5V/5A/12V/5A按85%的轉(zhuǎn)換效率消耗大概100W，24V剩下大概330W，按80%的轉(zhuǎn)換效率，剩下330×0.8-250=14W，14W可供12V/1A。

因此，還須加入12V5/AH電池。但考慮到各個(gè)設(shè)備都為極端情況下功耗，按照一般正常情況則無須加入電池。例如機(jī)械臂正常情況下為125W，比極端小一半；TX1主要的耗電外設(shè)例如SATA未使用，耗電少于5A。為留有足夠裕量，可加入12V/80AH鋰電池。

電源轉(zhuǎn)接板主要的用有開關(guān)控制，輸入輸出轉(zhuǎn)接，過流過壓保護(hù)，24V轉(zhuǎn)48V升壓電路。

2.4 通訊連接考慮

如圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖所示，主要設(shè)備的數(shù)據(jù)交換都通過交換機(jī)進(jìn)行。KINECT與TX1通過USB3.0進(jìn)行連接。TX1與通過HDMI連接，觸摸屏接口通過USB2.0進(jìn)行連接。TX1與NQ2的控制板RHF407開發(fā)板通過TTL電平的UART進(jìn)行連接。

3 軟件件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

總體控制軟件系統(tǒng)為運(yùn)行于Ubuntu系統(tǒng)的ROS。ROS為面向機(jī)器人的開源操作系統(tǒng)。它能夠提供類似傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的諸多功能，如硬件抽象、底層設(shè)備控制、常用功能實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程間消息傳遞和程序包管理等。此外，它還提供相關(guān)工具和庫，用于獲取、編譯、編輯代碼以及在多個(gè)計(jì)算機(jī)之間運(yùn)行程序完成分布式計(jì)算。另外還提供豐富的軟件包及通訊接口庫。[6]

基于ROS的控制平臺(tái)上研發(fā)機(jī)器人軟件系統(tǒng)可以大大地提高開發(fā)效率。激光雷達(dá)構(gòu)建地圖模塊使用Gmapping。Gmapping可以構(gòu)建基于激光雷達(dá)的SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)[4]。機(jī)器人自動(dòng)探索為基于ROS的move_base進(jìn)行開發(fā)的模塊[5]。人機(jī)界面采用安卓客戶端。

4 結(jié)論

智能搬運(yùn)小車的研發(fā)設(shè)計(jì)涉及到機(jī)械、電子、電氣、軟件的各個(gè)工程學(xué)科，是個(gè)比較復(fù)習(xí)的設(shè)計(jì)過程。項(xiàng)目還在進(jìn)行中，也取得了階段的成果。智能搬運(yùn)車能夠在辦公室環(huán)境自主行走，遇到障外可以自主避行，構(gòu)件的地圖精確可用。

本文給出的設(shè)計(jì)方案及過程考慮到設(shè)價(jià)的各個(gè)方面，對于其他項(xiàng)目的設(shè)計(jì)應(yīng)該有很好的參考作用。

[1]張繼勇.智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的蛋糕到底有多大[J].中國經(jīng)濟(jì)信息,2017,01(1):48-49.

[2]Navigator Q2用戶手冊.Navigator Q2四輪全向機(jī)器人平臺(tái)[N].成都航發(fā)液壓工程有限公司,2013-12-30(1.0).

[3]優(yōu)傲機(jī)器人.優(yōu)傲機(jī)器人技術(shù)參數(shù)[N].優(yōu)傲機(jī)器人貿(mào)易(上海)有限公司2016-3-24(1.0).

[4]Sebastian Schweigert.gmapping[EB/OL].(2015-12-09)[2015-12-09]http://wiki.ros.org/gmapping.

[5]MoriKen.move_base Package Summary[EB/OL].(2016-12-26) [2016-12-26]http://wiki.ros.org/move_base.

[6]Dirk Thomas.ROS/Introduction[EB/OL].(2014-05-22)[2014-05-22]http://wiki.ros.org/ROS/Introduction.

李國亮【通訊作者】（1981—），男，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向：智能硬件、機(jī)器人系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)。

盧健瀚（1987—），男，廣東佛山人，工學(xué)學(xué)士，軟件工程師，主要研究方向：軟件工程、Linux系統(tǒng)、Linux驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人、視覺系統(tǒng)，音頻效果。

Design and Implementation for An Intelligent Robotic Fetcher System

Li Guoliang Lu Jianhan

（Guangdong Haige Icreate Technology Co.，LTD.，Guangzhou 510627，China）

This paper introduces a design for an intelligent robotics fetcher，detail for design logic，method and process for electric and mechanic of the robotics fetcher is given，software and hardware functions for the robotics fetcher has also be illustrated.Problems during design and debug process and their solving are shown.Implementation at this stage is demonstrated at the last part of the paper，showing that the design is reasonable and applicable，meeting the criteria of the project，and it is extendable according to various application requirements.

Intelligent Robotics Fetcher System；Intelligent Hardware；Intelligent Control System