一文读懂：基于智能机器人的产线物流仓储系统设计

前言

智能物流是一种先进的物联 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。

一、智能机器人产线物流

仓储系统方案

1.1 方案概述

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

图3 自动化立体仓库

(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 ,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 ,而复合机器人、平台式AGV、叉车AGV使用无线的方式介入局域 。在该局域 中,总控调度软件是整个系统的核心,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

（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

2.1 二维码轮廓处理

图8 二维码轮廓处理效果

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(Δx,Δy)根据公式(2)求得:

根据(Δx,Δy) 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)为待修正后矩形一边的中心点坐标, A(x’23,y’23)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θ。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

（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

四、结论

—-好的文章，值得分享—-

大连大华中天科技有限公司杜宇

辽宁机电职业技术学院姜伟

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