魏云鵬，張文藝，周志源

（1．南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016；2．南京航空航天大學(xué)公共實(shí)驗(yàn)教學(xué)部工程訓(xùn)練中心，江蘇 南京 210016）

隨著倉儲(chǔ)與物流的迅速發(fā)展，物品搬運(yùn)工作的工作量越發(fā)龐大，工作環(huán)境也越發(fā)復(fù)雜，而勞動(dòng)力成本不斷攀升。目前大部分智能物流小車大多為特定工作環(huán)境而設(shè)計(jì)，要求路面平整、光滑。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，當(dāng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)較大，存在多倉庫之間轉(zhuǎn)運(yùn)，或者在搬運(yùn)路途中存在較為復(fù)雜的情況時(shí)，例如需要攀上較陡的斜坡、越過一定的溝槽、經(jīng)過摩擦力較大的草地等復(fù)雜地況時(shí)，如圖1所示，由于受限于小車輪子的結(jié)構(gòu)與尺寸，無法滿足上述多地形環(huán)境的作業(yè)要求。通常倉儲(chǔ)物流小車主要應(yīng)用于平整倉庫內(nèi)部，例如京東倉儲(chǔ)系統(tǒng)，如圖2（a）所示，顯然此小車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不適合多地形路況。因此，往往在難途徑路段（例如倉庫與倉庫之間的不平整路徑上），采用叉車進(jìn)行搬運(yùn)，如圖2（b）所示，增加了人工成本，且與倉庫內(nèi)AGV直接缺乏有效的協(xié)作與調(diào)度機(jī)制，影響物流效率。

圖1 復(fù)雜路況

圖2 倉儲(chǔ)系統(tǒng)無人小車及轉(zhuǎn)運(yùn)裝置

20世紀(jì)80年代末，我國才開始智能小車與智能倉儲(chǔ)的研究，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，取得了若干階段性成果。1992年，國防科技大學(xué)研制成功了國內(nèi)第一輛無人駕駛汽車。清華大學(xué)研制的清華V型智能汽車是當(dāng)時(shí)我國科技含量最高的無人駕駛汽車，其能在各種復(fù)雜的道路上運(yùn)行。西安交通大學(xué)研發(fā)了Spingrobot智能試驗(yàn)平臺(tái)，在甘肅敦煌舉辦的“新絲綢之路”活動(dòng)中成功表演。同濟(jì)大學(xué)研制了一款時(shí)速高達(dá)50km/h的基于無人駕駛技術(shù)的清潔能源電動(dòng)游覽車。京東與淘寶的倉儲(chǔ)系統(tǒng)中均采用了大量的自動(dòng)化倉儲(chǔ)搬運(yùn)設(shè)備，但在多地形倉儲(chǔ)搬運(yùn)中，均未見有更實(shí)用的解決方案?？v觀國內(nèi)外倉儲(chǔ)與物流的研究，協(xié)作機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人互相協(xié)作，以及與人類并肩工作，承擔(dān)起重復(fù)、單調(diào)的工作，讓人類從中得以解放，是今后的必然趨勢(shì)[1]。

本文針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)可適用于多倉庫之間轉(zhuǎn)運(yùn)，具有多地形適應(yīng)能力，同時(shí)能滿足倉儲(chǔ)投放，具備搬運(yùn)能力、定點(diǎn)投放能力、雙車協(xié)作功能的物流搬運(yùn)小車系統(tǒng)。它可以完成同類型多種工件的運(yùn)送和自主裝配及碼垛，并可在草地、窄橋、臺(tái)階、管道等多種不同地面環(huán)境下作業(yè)和避障，從而勝任復(fù)雜環(huán)境下的智能物流配送，擴(kuò)大倉儲(chǔ)物流小車的適用范圍，減少員工的工作量，降低人工成本，大幅度提高工作效率[2,3]。

1.融合支撐臂的甲臺(tái)遙控多地形小車

針對(duì)在倉庫間多種復(fù)雜地面環(huán)境下的行徑需求，以及倉庫外場(chǎng)地復(fù)雜多變，不適合采用自主導(dǎo)航小車，本文擬采用多地形越障的可遙控小車實(shí)現(xiàn)物流搬運(yùn)。通過在車身結(jié)構(gòu)以及車輪上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用三段式關(guān)節(jié)甲臺(tái)、輔助支撐臂結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了小車在臺(tái)階、裂縫等路況中的越障能力。

1.1 關(guān)節(jié)甲臺(tái)小車車身結(jié)構(gòu)

在小車車身平臺(tái)設(shè)計(jì)了可以相對(duì)活動(dòng)的“關(guān)節(jié)甲臺(tái)”，借鑒動(dòng)車組底盤的減震裝置，在各“關(guān)節(jié)甲臺(tái)”之間添加兩個(gè)彈簧，各平臺(tái)之間受到一定的彈性約束。當(dāng)平臺(tái)之間相互脫離時(shí)，受到彈簧拉力的約束；當(dāng)平臺(tái)之間相互擠壓碰撞時(shí)，受到彈簧張力的約束，使小車整體車身在行徑中具有較好的柔性與避震性，完全適應(yīng)高低不平的地形。在上下坡及越過地面裂縫的過程中，輪子都能完好地與地面接觸，確保小車輪子都能很好地發(fā)揮驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)保證了橋梁上良好的直線運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性[4,5,6]。

由于三段式甲臺(tái)位置可以上下彎曲，跨越階梯時(shí)可以根據(jù)階梯的高低，甲臺(tái)關(guān)節(jié)在自身重量與彈簧的作用下，保證輪子能緊貼地形，快速通過。但三段式小車也存在車體較長(zhǎng)，小車自身重量相對(duì)較大，安裝結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的問題。

1.2 支撐臂輔助越障

為解決小車攀爬臺(tái)階問題，本文在實(shí)際的小車制作中，縮短了車身長(zhǎng)度，采用了兩段式關(guān)節(jié)甲臺(tái)，同時(shí)設(shè)計(jì)了輔助支撐手臂結(jié)構(gòu)，在甲臺(tái)和支撐臂的協(xié)同作用下，完成臺(tái)階的攀越。

遙控小車具備搬運(yùn)貨物功能，因此帶有機(jī)械臂以實(shí)現(xiàn)抓取貨物。在機(jī)械臂抬升部分機(jī)構(gòu)中，采用輸出力矩大的伺服電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，通過與電機(jī)輸出軸連接件將力矩傳遞給U型支架，通過同樣的方式將力矩傳遞給底部支撐支架，攀越臺(tái)階時(shí)，可通過底部支架支撐在臺(tái)階面上，由于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩較大，能夠?qū)崿F(xiàn)向下支撐起整輛車，帶動(dòng)整個(gè)車身前部分抬升，從而便于小車攀越臺(tái)階，如圖3所示。整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，攀爬效果好。

圖3 機(jī)械臂抬升機(jī)構(gòu)輔助支撐示意圖

1.3 遙控小車

遙控小車采用了藍(lán)牙通信方式，藍(lán)牙模塊通過Bigfish擴(kuò)展板與BASRA控制板連接，控制板通過藍(lán)牙模塊接收到終端發(fā)送的指令后，控制相應(yīng)模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)完成指令內(nèi)容，如圖4所示。

圖4 遙控小車控制模塊工作原理

通過多地形越障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制程序開發(fā)與調(diào)試，成功實(shí)現(xiàn)了遙控小車在草地、橋梁、臺(tái)階等地形的行徑測(cè)試，并成功通過機(jī)械臂進(jìn)行了模擬貨物的抓取與定點(diǎn)位置投放貨物，調(diào)試結(jié)果如圖5所示。這為倉庫內(nèi)物流小車貨物搬運(yùn)接駁工作打下了基礎(chǔ)。

圖5 遙控小車多地形貨物抓取調(diào)試

2.倉庫內(nèi)自主小車尋跡優(yōu)化與貨物轉(zhuǎn)移

2.1 灰度傳感器的擺放位置優(yōu)化

為了提高自主小車尋跡效率，在更短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)定任務(wù)，降低尋跡過程中發(fā)生錯(cuò)誤的可能性，采用了“三灰度三角形放置”的方式取代傳統(tǒng)的“三灰度并排放置”，三角形放置方式可較為敏銳地判斷前后車頭是否偏移既定路線，不至于發(fā)生較大偏移時(shí)，才觸發(fā)矯正程序，減少了左右搖擺的現(xiàn)象，自主小車的尋跡穩(wěn)定性明顯提高，如圖6所示。

圖6 灰度傳感器位置優(yōu)化及其效果對(duì)比

2.2 貨物位置感知

為實(shí)現(xiàn)倉庫內(nèi)小車能順利感知到倉庫外搬運(yùn)小車投放交接的貨物，采用了HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器，通過digitalWrite( )函數(shù)對(duì)TRIGPIN口進(jìn)行高低電平的轉(zhuǎn)換，利用delayMicroseconds( )函數(shù)進(jìn)行延時(shí)操控，從而給超聲波測(cè)距傳感器完成一個(gè)方波發(fā)射的指令[7,8,9]。通過pulseIn( )函數(shù)接收ECHOPIN口達(dá)到高電平的時(shí)間，此高電平時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到被反射回的時(shí)間，由此便能夠獲得到障礙物的距離。當(dāng)測(cè)距小于最小設(shè)定值時(shí)，判斷前方有遮擋物，并觸發(fā)自主小車的貨物拾取與搬運(yùn)程序。小車調(diào)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 自主尋跡小車調(diào)試結(jié)果

3.雙車協(xié)作通信功能

在雙車搬運(yùn)任務(wù)交接中，遙控小車完成將貨物搬運(yùn)到倉庫內(nèi)的任務(wù)后，應(yīng)盡早呼叫倉庫內(nèi)自主尋跡小車，及時(shí)將貨物轉(zhuǎn)移到倉庫內(nèi)貨架區(qū)。遙控小車的HC-05藍(lán)牙模塊設(shè)置為主機(jī)模式，用來發(fā)射信號(hào)。自主小車的HC-05藍(lán)牙模塊設(shè)置為從機(jī)模式，用來接收遙控小車的信號(hào)。雙車協(xié)作步驟如下：

步驟1：當(dāng)多地形遙控小車將貨物放到指定位置后，向倉庫內(nèi)自主小車發(fā)送任務(wù)請(qǐng)求信息，以及貨物應(yīng)搬運(yùn)位置的貨架信息，同時(shí)啟動(dòng)自主小車的超聲波傳感模塊開始工作；

步驟2：自主小車進(jìn)入循跡模式沿著引導(dǎo)線行駛，當(dāng)小車行駛至標(biāo)定位置附近（即多地形遙控小車投放點(diǎn)）時(shí)，根據(jù)超聲波傳感模塊的接收信息，可判斷是否已經(jīng)趨近貨物；

步驟3：根據(jù)步驟2中的判定結(jié)果，若已經(jīng)趨近貨物，自主小車進(jìn)入步驟5；

步驟4：步驟2中若未能接收到趨近貨物的信息，則自主小車停止，等待遙控小車運(yùn)送裝配工件，超出設(shè)定等待時(shí)間后，發(fā)出報(bào)警出錯(cuò)信息（蜂鳴），進(jìn)入步驟6；

步驟5：自主小車執(zhí)行貨物抓取任務(wù)，自主尋跡，搬運(yùn)至倉庫內(nèi)指定貨架；

步驟6：自主小車任務(wù)標(biāo)識(shí)完成，返回等待區(qū)，進(jìn)入可執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)。

4.結(jié)語

本文首先分析了物流小車的現(xiàn)狀與工作環(huán)境，提出設(shè)計(jì)可適用于多倉庫之間轉(zhuǎn)運(yùn)，具有多地形適應(yīng)能力，具備搬運(yùn)能力、定點(diǎn)投放能力、雙車協(xié)作功能的物流搬運(yùn)小車系統(tǒng)，然后就遙控多地形小車車身結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化方案，使小車更加適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境（草地、階梯、斜坡、窄橋等），提高了小車的穩(wěn)定性與可靠性，同時(shí)優(yōu)化了自主小車的尋跡方式，通過藍(lán)牙進(jìn)行雙車協(xié)作通信，提高了物資搬運(yùn)效率。盡管設(shè)計(jì)并制作成功了能完成協(xié)作搬運(yùn)的倉儲(chǔ)物流原型系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了倉儲(chǔ)搬運(yùn)系統(tǒng)的性能，但仍存在著一些不足，需要進(jìn)一步的研究以及完善。設(shè)計(jì)的自主小車只能按照既定程序在指定位置搬運(yùn)工件，無法對(duì)工件進(jìn)行識(shí)別。未來可以嘗試采用機(jī)械臂視覺導(dǎo)引方法，采取CCD攝像機(jī)對(duì)不同工件進(jìn)行識(shí)別處理。目前的設(shè)計(jì)中只有自主小車是能獨(dú)立工作的，遙控小車還需要手動(dòng)操控行徑，后續(xù)可以通過視覺識(shí)別與地圖導(dǎo)航等方式，將多地形小車改進(jìn)為自主尋跡。