基于智能机器人的产线物流仓储系统设计.docx

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1、基于智能机器人的产线物流仓储系统设计智能物流是一种先进的物联网技术现已广泛应用于工业上的分拣、包装、装卸 、搬运、装配等环节，随着机器人技术的快速发展，用机器人来替代人进行工作，不但可以节约人力成本和减少搬运不当对人造成的伤害，而且可以提高工作效率和质量。本文创新性地集成了自动化立体仓库、AGV、复合机器人及双臂机器人等智能设备,设计了一套智能机器人仓储物流系统,同时开发了总控调度软件,实现了各设备的稳定立有序运行。针对AGV定位不准确的问题,本文提出一种二维码视觉精确定位方法,从而提高了仓储物流系统的稳定性。一、智能机器人产线物流仓储系统方案1.1 方案概述图1为本文设计的智能机器人仓储物流

2、系统总体方案,其集成了自动化立体仓库、AGV、机器人、视觉传感器、激取光料传感器等，由机器人完成物料的拾取、摆放、搬运和分捡,视觉系统完成对物料的形状、位置和颜色识别,传感器完成移动机器人的定位和避障等,该系统实现了齿轮箱的装配和拆解工作,其适用性广,衍生能力强。设计齿轮箱装配工艺流程如图2所示。图1 智能机器人仓储物流系统方案图2 齿轮箱装配工艺流程1.2 硬件系统该智能机器人仓储物流系统主要包括自动化立体仓库、平台式AGV、复合机器人、双臂机器人、叉车AGV等硬件设备。(1)自动化立体仓库自动化立体仓库是现代生产系统自动化程度提高的重要标志,在有限的占地面积下能够实现货物的大量、有效存储,

3、充分利用空间资源。如图3所示,本文设计自动化立体仓库包括货架、堆垛机、出入库平台组成。其中堆垛机的行走轴实现堆垛机沿着立体仓库长度方向运动、升降轴实现堆垛机沿着立体仓库高度方向运动,货叉伸缩轴实现货物托盘的抓取。出入库平台安装有货物托盘检测传感器,用于判断出入库平台与机器人的对接情况。零件出入库平台设有一段升降式运输平台,其处于低位时与平台AGV对接,处于高位时与出入库平台对接。图3 自动化立体仓库设计开发自动化立体仓库其管理系统具有货物入库、货物出库、入/出库人工修正、库存盘点、设备状态查询及设备故障记录等功能,可以自动记录设备故障信息,包括设备编码、故障时间、故障类别、故障说明等,在故障排

4、除后由操作员在该记录中填写排除时间信息,并且可以按照设备编码、故障类别等进行设备故障记录查询,查询结果以列表形式显示在计算机屏幕上,并可以打印输出。(2)平台式 AGV平台式AGV能够实现物品的自动化可靠运输及自动投送。其搭载激光传感器、超声波传感器。基于激光SLAM的定位导航算法,结合超声波传感器,实现自主行走及自主避障。其控制台可以集中调度、监控、管理 AGV 系统的运行状态活动。（3）复合机器人复合机器人由全方位移动底盘及关节柔性机械臂组成。其整体融入视觉系统、多样化的导航配置、高精度的二次视觉定位等高端技术,使机器人精度更高、更加智能化。可以广泛应用于3C行业、自动化工厂、仓储分拣、自

5、动化货物超市等,实现物料自动搬运、物品上下料、物料分拣等。（4）双臂机器人双臂机器人采用两个7自由度柔性机械臂组成, 能够集成化与柔性化地实现快速、安全、灵活、精准、高 效的旋拧、定位等全套装配解决方案。该机器人系统配有视觉系统,具有视觉识别引导抓取功能,末端采用电控夹爪,实现对工件的稳定抓取。（5）叉车 AGV叉车AGV具有激光导引系统、控制台和调度管理系统、在线自动充电系统、通讯系统及安全系统等。控制台和调度管理系统是AGV系统的调度管理中心,负责与上位机交换信息,生成AGV的运行任务,并将指令下发给AGV完成相应的任务。（6）齿轮箱齿轮箱模型如图4所示,其包括上箱体、下箱体、主动齿轮轴和

6、从动齿轮轴。图4 齿轮箱1.3 软件系统智能机器人仓储物流系统主要由总控调度软件和立体仓库监控软件组成,立体仓库监控软件主要用于立体仓库状态反馈,以及零件/成品的存入和取出。 总控调度软件负责管理和控制所有的设备, 协调各个设备进行工作,以完成整体的传工输作控流制程。总控调度软件和其他跟各踪模块之间的关系如图5所示。图5 软件结构图系统中所有设备通过TCP/IP协议进行通信,如图6所示。使用路由器组建一个局域网,双臂机器人、立体仓库监控软件服务器、总控调度软件服务器通过有线的方式介入局域网,而复合机器人、平台式AGV、叉车AGV使用无线的方式介入局域网。在该局域网中,总控调度软件是整个系统的核

7、心,允许直接监视其他设备的状态,并控制这些设备执行相应的动作。图6 电气系统组成1.4 系统布局综合考虑智能机器人仓储物流系统工作流程,机器人的转弯半径、工作空间、场地等多方面约束,进行智能机器人仓储物流系统布局设计,其布局如图7所示,图中虚线表示叉车 AGV 的运行路线,粗实线表示复合机器人的运行路线,细实线为平台式AGV的运行路线,两台平台式AGV交替工作。复合机器人与叉车AGV在转接台处完成取放货,复合机器人与平台式AGV在转接处完成对接。图7 智能机器人仓储物流系统布局1.5 软件功能设计本文设计开发的总控调度软件在Visual Studio平台上利用C#语言开发。C#是一种安全、简单

8、、稳定的面向对象的编程语言,是.NET开发的首选语言。总控调度软件具有如下功能:（1）零件/成品跟踪: 总控调度软件不仅存储零件/成品的属性(型号、数量、规格等),还要实时更新当前零件/ 成品的操作信息(产品类型、入库时间、出库时间、货位号、运输载体等)。（2）传输控制:平台式AGV及叉车AGV 控制包括车辆到目标点的设定、暂停、复位、装载、卸载、速度设定等;复合机器人控制包括车辆到达目标点的设定、上下料及卸载动作;立体仓库控制包括货物入库、出库动作、暂停、复位,及上下料动作。（3）设备状态监测:平台式AGV及叉车AGV 状态监测包括AGV位置监测、电量监测、载货状态监测和运行状态监测等;复合

9、机器人状态监测包括位置监测、电量监测、载货状态监测、使能状态监测和空闲状态监测等;双臂机器人状态监测包括机器人使能状态监测、机器人空闲状态监测、料台上下料完成状态监测等;立体仓库状态监测包括立体仓库堆垛机使能状态监测、空闲状态监测、货架中货物状态监测、出入库平台空间状态监测、出入库平台上下料完成状态监测等。（4）存储管理:包括货架库存信息、立体仓库出入库历史信息记录和事件日志信息。（5）人机交互界面:包括信息显示、手动操作和自动操作界面。二、二维码视觉精确定位本文所设计的智能机器人仓储物流系统对AGV和复合机器人移动底盘的定位精度要求较高,尤其是在平台式AGV与立体仓库升降式运输平台对接及复合

10、机器人和平台式AGV对接时,目前移动底盘常用的导航方式很难满足需求。针对目前AGV常用导航方式精度低、实时性差、无法实现位姿修正等问题,本文提出一种二维码视觉精确定位方法。将视觉摄像头安装于AGV的中心底部,使摄像头光心与AGV旋转中心重合,并在摄像头周围安装光源,克服光线变化的影响。通过识别地面上的二维码,经视觉处理将数据反馈给AGV运动控制系统,实现 AGV的精确定位。2.1 二维码轮廓处理为了凸显二维码的轮廓,本文采用在原二维码基础上加入矩形外轮廓,中心与二维码中心重合,如图8所示。使用加入矩形外轮廓的二维码检测效果好,不易被误检测,可以显著提高边缘检测的正确识别率。图8 二维码轮廓处理

11、效果2.2 位移处理模式通过图像边缘检测提取二维码的矩形轮廓及四个顶点坐标 Pi(xi ,yi) ,i = 1,2,3,4 ,计算二维码中心点坐标 P0( x0 ,y0) ,如式(1)所示:二维码中心点和当前图像中心点的偏移量(x,y)根据公式(2)求得:根据(x,y) 可以实现AGV的4个方向自由纠偏运动,位移纠偏移动方向如图 9b所示。经过位移处理,二维码中心能够与视觉图像中心吻合。(a)视觉坐标系 (b)位移纠偏移动方向图9 位移处理模型2.3 旋转处理模型旋转处理即以中心点为旋转参考点,旋转修正,如图10a所示。设定P0(x0 ,y0) 为轮廓中心点坐标,B(x23 ,y23)为待修正

12、后矩形一边的中心点坐标, A(x23,y23)为修正后矩形一边的中心点坐标。根据P0和B点坐标求得A点坐标,如式(3):故根据式(4)和式(5)可得A、B两点之间距离及旋转偏角。旋转修正方向如图10b所示。(a)旋转示意图 (b)旋转修正方向图10 旋转处理模型AGV经过视觉位移处理和旋转处理,可以调节AGV当前位姿,提高AGV的定位精度,保证AGV与其他设备的对接可靠稳定。三、应用验证利用齿轮箱的模拟装配拆解工作对本文智能机器人仓储物流系统进行了应用验证。通过总控调度系统软件及各机器人系统的通讯,能够实现对齿轮箱的装配和拆解。设计开发的总控调度软件经过长期运行和反复测试,能够正确显示各设备状

13、态,并且具有较好的用户使用界面,工作性能良好。软件运行结构如图11所示。图11a中各个按钮分别代表各机器人的不同动作,主要用于调试及单步操作。图11b 则为自动动作流程,装配模式启动后,总控调度软件就会按照指定的4个零件出库,然后通过平台式AGV、复合机器人、运输到双臂机器人装配台处,通过双臂机器人组装成成品放回成品料盘中, 成品料盘经复合机器人、叉车AGV运输到成品库位中,零件料盘经复合机器人、平台式AGV运输回零件库位中。（a）手动操作界面（b）自动操作界面图11 自动运行过程示意图装配过程中部分动作如图12所示。图12a中4张图分别描述了立体仓库堆垛机取料盘、堆垛机将料盘放到零件出入库平

14、台、出入库平台输送料盘、平台式AGV与出入库平台对接输送料盘等过程。(a)立体仓库出货，平台式AGV取货过程（b）复合机器人与平台式AGV对接、取货过程（c）双臂机器人装配过程（d）叉车AGV取托盘过程图12 自动运行过程示意图齿轮箱的装配和拆解过程严格按照工艺流程执行,验证了本文所设计的智能机器人仓储物流系统的可靠性及稳定性。平台式AGV与出入库平台的成功对接验证了本文二维码视觉定位的有效性及稳定性。四、结论本文集成自动化立体仓库、AGV、复合机器人及双臂机器人等智能设备，设计了一套智能机器人仓储物流系统，同时开发了总控调度软件，管理和控制所有机器人，并协调各机器人稳定有序运行。同时针对AGV定位不准确的问题,本文提出一种二维码视觉精确定位方法,从而提高了仓储物流系统的稳定性。该系统进行多次齿轮箱装配和拆解测试,验证了系统的有效性、实用性及可拓展性。