CN106272438B - 应用于快递收发室中的机器人快件分发系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于快递收发室中的机器人快件分发系统及控制方法，包括：机器人远程控制模块以及机器人模块；机器人远程控制装置包括：第一控制单元以及与该第一控制单元相连的设置于货架外侧壁的快件定位单元、显示输入单元、第一无线通信单元；机器人模块包括：行进装置、三自由度机械臂、第二控制单元以及分别与该第二控制单元相连的行进装置驱动单元、机械臂驱动单元、循迹单元、第二无线通信单元；第一无线通信单元与第二无线通信单元匹配。该方法包括：通过显示输入单元输入取件信息，并下发至机器人模块；机器人模块按照取件信息通过行进装置行驶至待取快件处，并通过所述机械臂驱动单元取下快件，并返回原点处。

Description

应用于快递收发室中的机器人快件分发系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种应用于快递收发室中的机器人快件分发系统及控制方法。

背景技术

随着我国社会经济的快速发展，在我们日常生活中网上购物已经很普遍了。由于我国 强大的人力资源以及完善的供应链结构，导致整个运作过程很流畅快速。但是，如果在特殊的节点，比如双十一这样堪称春运的节日里，收发室中的收发员们就会非常忙，甚至连吃饭的时间都没有，而且由于快件多而杂，还会出现错发、漏发快件的现象，给买家带来不必要的麻烦。如果此时可以用机器人来协助收发员分发快件，收发员们只需要坐在固定的位置上把快件交到买家手中就可以了，这样就会大大减轻收发员们的工作强度，而且效率高，不易出错。随着科技的不断进步，机器人技术发展快速，已经在很多领域得到了应用，当然也将会逐渐应用到物流环节中。

尽管目前国外已经有人在研制物流机器人，并且已经应用于一些仓库和物流业中，但是真正投入应用的机器人种类还很少，技术也不够成熟，一定程度上限制了其应用领域和某些功能。在国内，物流机器人的的应用非常少，目前只有两个物流仓库有分拣机器人应用，其中之一就是天猫超市。有关物流机器人技术和研发也是比较落后，因此为了减轻物流业中工作人员劳动强度，提高工作效率，加快国内物流机器人的研制，发展物流机器人技术将迫在眉睫。

目前国外比较有名的物流机器人主要有以下几类：硅谷机器人公司研制的Fetch和Freight仓储机器人、以色列申卡尔工程与设计学院设计的Transwheel的机器人、自动化物流提供商Kiva提高的Kiva机器人、Skype创始人Heinla与Friis旗下的Starship公司推出的“盒子机器人”、新加坡机器人公司GrayOrange制造的Bulter机器人、日立HITACHI智能机器人和Swisslog的ClickΠck系统。Fetch机器人具备自动导航功能，可以在货架间移动，识别产品并将其取下货架并运动到叫Freight的自动驾车机器人里。Transwheel的机器人采用自平衡系统，当机器人手臂载货时能脚踩单轮保持直立行驶，单个机器人可运送小包裹，而若干机器人组合协作可运送大包裹。Kiva的机器人在2012年被亚马逊买下用来处理仓库的货物盘点以及配货等工作。“盒子机器人”最重可承载约9公斤的货物，最远可达到物流中心方圆约1.6公里的范围，由于其硬件上配置了一系列摄像头和传感器，能够保障其安全行走在人行道上，在指定时间从物流中心出发，穿越大街小巷，来到顾客家门口完成快递任务。 虽然近年来国内机器人得到了快速的发展，但离欧美等国仍然有不小的差距。不过，随着工业4.0的发展，尤其是国内电子商务的发达，在物流环节中引入机器人是必然地趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于快递收发室中的机器人快件分发系统及控制方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种应用于快递收发室中的机器人快件分发系统，包括：机器人远程控制模块以及机器人模块；所述机器人远程控制模块包括：一第一控制单元以及与该第一控制单元相连的设置于快递收发室中货架外侧壁的快件定位单元、显示输入单元、第一无线通信单元；所述机器人模块包括：一行进装置、设置于该行进装置顶部前侧的三自由度机械臂、设置于该行进装置顶部后侧的第二控制单元、设置于该行进装置顶部后侧且用于驱动所述行进装置的行进装置驱动单元、设置于该行进装置顶部后侧且用于驱动所述三自由度机械臂的机械臂驱动单元、设置于该行进装置顶部后侧的第二无线通信单元、设置于该行进装置底部前侧且与设置于地面的黑线路径配合的循迹单元；所述行进装置驱动单元、所述机械臂驱动单元、所述循迹单元以及所述第二无线通信单元均与所述第二控制单元相连；所述第一无线通信单元与所述第二无线通信单元匹配。

在本发明一实施例中，所述第一控制单元采用arduino mega 2560 单片机，所述第一无线通信单元采用nRF905无线通信模块；所述快件定位单元包括沿每层货架外侧壁长度方向等间隔设置的光电开关；所述显示输入单元包括一LCD12864与一4*4矩阵薄膜键盘；所述第二控制单元采用arduino mega 2560 单片机，所述第二无线通信单元采用nRF905无线通信模块。

在本发明一实施例中，所述三自由度机械臂包括一机架；所述机架内的一侧纵向设有一可相对机架转动的花键轴；所述机架的另一侧纵向设有一可相对机架转动的丝杆；所述丝杆上套置有一升降螺母；所述升降螺母上固连有一与所述花键轴滑动连接的升降台；位于所述花键轴侧的升降台下端设有一U 形槽；所述U 形槽内设置有一与所述花键轴花键滑动配合的第三同步带轮；所述第三同步带轮经同步带驱动一与其水平设置且位于升降台底端的第四同步带轮；所述第四同步带轮的输出轴与一位于所述升降台上端的齿轮盘底部连接；所述齿轮盘的上端面与一旋转臂连接；所述旋转臂顶端与一伸缩机械臂一端铰接；所述伸缩机械臂另一端与一末端机械手臂一端铰接；所述末端机械手臂另一端与一用以搬运待取快件的末端执行器铰接；所述旋转臂内设置有一第二电机；所述第二电机输出轴经一第二减速器与所述伸缩机械臂的一端连接；所述伸缩机械臂内与所述第二减速器相连侧设有一第五同步带轮，另一侧设有经同步带与所述第五同步带轮连接的第六同步带轮；所述第五同步带轮与所述旋转臂的上端固连；所述第六同步带轮与所述末端机械手臂的一侧端固连；所述末端机械手臂内与所述第六同步带轮相连侧设有一第七同步带轮，另一侧设有经同步带与第七同步带轮连接的第八同步带轮；所述第八同步带轮与末端执行器联动连接；所述第七同步带轮与所述伸缩机械臂的另一侧端固连。

在本发明一实施例中，所述花键轴的底部固连有一第二同步带轮；所述第二同步带轮经同步带与设于所述机架内旁侧的第一同步带轮连接；所述第一同步带轮经一设于所述机架内的第一减速器连接至一第一电机的输出轴；所述机架内的另一侧设有第三电机；所述第三电机的输出轴上连接有第九同步带轮；所述第九同步带轮经同步带与固连于丝杆下端的第十同步带轮连接。

在本发明一实施例中，所述机械臂驱动单元包括分别对应与所述第一电机、所述第二电机以及所述第三电机相连的第一电机驱动器、第二电机驱动器以及第三电机驱动器。

在本发明一实施例中，所述行进装置包括一铝合金底座；所述三自由度机械臂、所述第二控制单元以及所述第二无线通信单元均设置于所述铝合金底座上端面；所述铝合金底座下端面前部左侧设置有第一直流电动机，下端面前部右侧设置有第二直流电动机；所述第一直流电动机与所述第二直流电动机的端部均设置有与所述第二控制单元相连的光电编码器；所述第一直流电动机的输出轴与一第十一同步带轮连接；所述第二直流电动机的输出轴与一第十二同步带轮连接；所述第十一同步带轮经同步带连接至一第十三带轮；所述十三带轮与经第一连接组件设置于所述铝合金底座下端面前部左侧的第一驱动轮固定连接；所述第十二同步带轮经同步带连接至一第十四带轮；所述十四带轮与经第二连接组件设置于所述铝合金底座下端面前部右侧的第二驱动轮固定连接；所述所述铝合金底座下端面后部设置有一对万向轮；所述行进装置驱动单元包括分别与所述第一直流电动机以及所述第二直流电动机相连的直流电机驱动单元。

在本发明一实施例中，所述循迹单元包括设置于所述铝合金底座下端面前部的第一红外传感器至第四红外传感器；所述第一红外传感器至所述第四红外传感器从左至右依次等间隔设置。

在本发明一实施例中，所述第二控制单元还与一用于检测所述行进装置驱动单元、所述机械臂驱动单元、所述循迹单元、所述第二无线通信单元以及所述第二控制单元温度运行环境温度的温度传感器以及一用于散热的散热单元相连。

还提供一种应用于快递收发室中的机器人快件分发系统的控制方法，根据已编号快件的位置参数，通过所述显示输入单元键入取件信息，并将该取件信息下发至所述机器人模块；当按下所述显示输入单元中启动键时，所述机器人模块就开始工作，且其工作过程如下：所述机器人模块从原点，根据取件信息，通过所述行进装置驱动单元驱动所述行进装置，沿设置于地面且平行于货架的椭圆黑线路径轨道移动，且在移动过程中通过所述循迹单元识别椭圆黑线路径轨道；当达到待取快件所处位置，触发对应该处的快件定位单元中的光电开关；所述机器人远程控制模块接收到该触发信息后立即作出响应，使并发送停止指令至所述机器人模块；所述机器人模块停止移动，并通过所述机械臂驱动单元驱动所述三自由度机械臂进行取件；取件完成后，所述机器人模块携带快件沿椭圆轨道返回原点；最后，收发员取下快件。

在本发明一实施例中，所述取件信息包括：快件编号、快件定位单元中光电开关的序列号以及货架层数。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1. 本发明设计了一种适用于收发室中协助收发员进行快件分发的机器人系统，利用该系统可以减轻收发员劳动强度，提高快件分发效率，实现分发过程自动化。

2. 本发明设计中的机器人快件分发系统具有三个很重要的功能，即准确定位快件、快速提取快件和平稳搬运快件。所以该发明设计具有鲜明的创新性，一定程度上有利于促进我国物流机器人技术的发展和应用。

3. 本发明设计中提出了一种快件定位方法，首先给货架中的每个快件进行编号，然后根据安装在货架上的光电开关确定每个编号快件在X方向上（沿货架长度方向）的坐标，根据货架每层高度确定编号快件在Z方向上（沿货架高度方向）的坐标，这样各快件在货架中的位置就确定下来了。此时只要控制机器人沿着平行于货架的预设轨迹移动到对应编号的快件点就可以提取该号快件了。

4. 本发明设计中的机器人本体采用结构相对简单的三自由度机械手和四轮小车结合而成，使得整个机器人结构紧凑稳固，简洁明了。充分根据它们的结构原理，发挥各自功用，有效保证了机器人完成快件分发任务。

5. 本发明设计的机器人快件分发系统中，机器人移动路径采用平行于货架的椭圆轨迹，利用4个红外传感器检测该轨迹，机器人可以快速移动到待取快件所处位置提取快件并顺利返回。

6. 本发明设计中的机器人快件分发系统控制器分层设计，上位机负责系统参数设置、监视机器人和发出操控命令，下位机根据上位机传来的控制命令，直接控制机器人并获取其状态信息，上、下位机分工明确，系统结构层次分明。这样不但增加了系统的稳定性，而且维护非常方便。

7. 本发明设计中的机器人系统配置有人机交互界面，通过界面可以观察机器人移动位置及速度、控制器内温度、执行状态和报警信息，还可以向机器人发出动作命令，这样收发员只要在固定的位置就可以监控机器人整个运行状态，有效避免事故的发生。

8. 本发明设计中的机器人本体采用丝杠导轨、多组同步带、减速器等常用传动机构，传动效率高，通过这些机构组成整个机器人的四个运动：升降、旋转、伸缩和移动，从而驱动机器人完成快件分发过程，并且执行迅速、结构稳固。

9. 本发明设计中的机器人控制系统采用如今较为流行的Arduino mega 2560单片机作为核心处理器，该单片机具有54路数字输入/输出接口，很适合需要大量I/O接口的设计，并且开放源代码，编程简单，同时支持多样的互动程序，因此已被广泛应用于机器人、智能家居和物联网等众多领域。本发明设计中采用该单片机可以提高应用程序的开发效率，大大缩短系统开发周期，而且系统稳定性高，便于二次开发。

10. 本发明设计中的机器人本体末端执行器的直线伸缩运动只需由一个步进电机通过两组同步带传动机构来驱动，利用既可作为升降机械臂又可作为旋转机械臂的圆筒机构来带动末端执行器作升降和旋转运动。 上述两种结构设计减小了机械结构的复杂度，使整个机器人体积变小，重量轻。

11. 本发明设计中的机器人系统具有智能散热功能，通过比较下位机内部温度和系统设定温度，来自动启动和关闭散热风扇，在维持系统一个安全的环境的同时，而且还实现了节能环保。

12. 本发明设计中的机器人本体采用五相混合式步进电动机，具有步矩角小，转动力矩大，加减速时间短，动态惯性低等优点，从而达到无级调速和精确定位的目的。

13. 本发明设计中的机器人本体采用四轮小车作为移动机构，运动平稳、快速，承载能力大。

附图说明

图1为本发明一实施例中应用于快递收发室中的机器人快件分发控制系统结构示意图。

图2为本发明一实施例应用于快递收发室中的机器人快件分发控制系统中四轮小车底部结构示意图。

图3为本发明一实施例中应用于快递收发室中的机器人快件分发控制系统中系统电路框图。

图4 为本发明一实施例中下位机Arduino mega 2560单片机的I/O接口占用情况示意图。

图5 为本发明一实施例中上位机Arduino mega 2560单片机的I/O接口占用情况示意图。

图6 为本发明一实施例中机器人快件分发感过程中快件定位图。

图7 为本发明一实施例中机器人快件分发系统控制流程图。

图8 为本发明一实施例中机器人快件分发系统人机交互界面图。

图9为本发明一实施例中直流电机电路图。

图10为本发明一实施例中步进电机电路图。

图11为本发明一实施例中机器人末端执行器直线伸缩运动结构图。

图12为本发明一实施例中散热单元电路原理图。

【标号说明】：1-上位机；2-下位机；3-第一步进电机；4-第二步进电机；5-第三步进电机；6-第一减速器；7-第二减速器；8-第一同步带轮；9-第二同步带轮；10-第九同步带轮；11-第十同步带轮；12-第三同步带轮；13-第四同步带轮；14-第五同步带轮；15-第六同步带轮；16-第七同步带轮；17-第八同步带轮；18-导轨；19-丝杆；20-升降台；21-齿轮盘；22-丝杆螺母；23-散热风扇；24-旋转机械臂；25-末端执行器；26-伸缩机械臂；27-末端机械手臂；28-机壳；29-驱动轮；30-万向轮；31-铝合金车架；32-第一直流电动机；33-第二直流电动机；34-第一位置编码器；35-第二位置编码器；36-第十一同步带轮；37-第十二同步带轮；38-第十三同步带轮；39-第十四同步带轮；40-红外传感器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种应用于快递收发室中的机器人快件分发控制系统，包括一上位机以及一下位机。上位机包括一Arduino控制单元、参数设置与监控单元、快件定位单元、nRF905无线通信单元。下位机包括另一Arduino控制单元、另一nRF905无线通信单元、步进电机驱动单元、限位单元、初始位置复位单元、散热单元、直流电动机驱动单元、循迹单元、下位机供电单元、三自由度机械手和四轮小车。

进一步的，在本实施例中，上位机负责系统参数设置、监视机器人运行状态和向下位机发出操控命令，下位机根据上位机传来的控制命令，直接控制机器人并获取机器人状态信息。参数设置与监控单元，通过键盘设置快件位置参数和系统命令，液晶屏实时显示机器人循迹与定位情况、移动速度和控制器温度。快件定位单元，根据安装在货架上的光电开关确定每个编号快件在X方向上（沿货架长度方向）的坐标，根据货架每层高度确定编号快件在Z方向上（沿货架高度方向）的坐标，这样各快件在货架中的位置就确定下来了。nRF905无线通信单元，实现上位机与下位机之间的数据交换。

其中，上位机和下位机中的Arduino控制单元，均采用arduino mega 2560 单片机作为各自的核心处理器，它们之间通过nRF905无线通信模块进行数据交换。上位机负责系统参数设置、监视机器人运行状态和向下位机发出操控命令。下位机作为实时控制系统，根据上位机传来的控制命令，直接控制机器人并获取机器人运行状况信息。

参数设置与监控单元，也即显示输入单元，包括LCD12864、4X4矩阵薄膜键盘。通过键盘设置快件位置参数和系统命令，利用设置于直流电动机驱动单元位置编码器读取机器人移动位置和速度，利用散热单元中DS18B20读取下位机温度，并把这些数据实时显示于LCD12864上。这样就够成了良好的人机交互界面，方便操作员随时操控和了解机器人工作状态，保证机器人作业过程有序、平稳的进行。

快件定位单元，包括多个关电开关，把它们沿货架长度方向等距并排安装在货架上。在确定快件位置过程中，首先给每个快件进行编号，然后根据安装在货架上的光电开关确定每个编号快件在X方向上（沿货架长度方向）的坐标，根据货架每层高度确定编号快件在Z方向上（沿货架高度方向）的坐标，这样各快件在货架中的位置就确定下来了；最后只要控制机器人沿着设置于地面上预设的平行于货架的椭圆黑色路径轨迹移动到对应编号的快件点就可以提取该号快件并送往收发员处。

nRF905无线通信单元，包括两个nRF905无线通信模块，通过与Arduino单片机的相关口相连接，实现上位机与下位机之间的数据交换，协调整个机器人分发系统，实现对快件的定位、提取和搬运。

进一步的，在本实施例中，步进电机驱动单元，通过控制各步进电机的转角、转速和转向，从而驱动三自由度机械手中升降机械臂、旋转机械臂和伸缩机械臂之间的协调运动，实现机器人快件提取过程的自动化。限位单元，限制机械手各自由度的运动范围，保护机械手结构。初始位置复位单元，下位机驱动三自由度机械手中各机械臂先运动到极限位置，然后根据限位开关的开关信号驱动机械手各机械臂回到初始位置。散热单元，通过检测控制器内部温度是否到达系统设定的温度来自动控制散热风扇的启动与关闭，从而进行散热。直流电动机驱动单元，通过控制直流电机的转向和转速，来驱动机器人移动与换向。循迹单元，利用红外传感器对地面上的黑线路径进行识别，来保证机器人始终沿预设轨迹移动。下位机供电单元，分别给Arduino控制单元、步进电机驱动单元、直流电动机驱动单元、散热单元等供电，作为整个机器人系统的能源供应模块。三自由度机械手结构包括多组同步带传动机构、减速机构、丝杠导轨机构、升降台、升降机械臂、伸缩机械臂、旋转机械臂、末端机械手臂、末端执行器和三个五相步进电动机，通过各机构的协调配合传动，最终驱使末端执行器在空间中作垂直升降、圆周回转和水平伸缩运动，从而实现对快件的抓取。四轮小车作为移动机构，承载整个机身并带动机器人沿预设轨迹移动，其结构包括铝合金底板、一对驱动轮、一对万向轮、两组同步带传动机构和两个带编码器的大扭矩直流电动机。

其中，步进电机驱动单元，包括用于分别驱动三组五相混合式步进电机的步进电机驱动器。该5相混合式步进电机步矩角小，加减速时间短，动态惯性低，具有较高的精度和转矩，可实现单脉冲或双脉冲控制模式的切换，选择单脉冲控制方式时，通过单片机的相关I/O口与步进电机驱动器的方向信号和脉冲信号口相连接，脉冲信号端输入的脉冲信号控制电机转角与转速，方向信号端输入的高低电平信号控制电机转向。通过控制各步进电机的转角、转速和转向，从而驱动三自由度机械手中升降机械臂、旋转机械臂和伸缩机械臂之间的协调运动，实现机器人快件提取过程的自动化。

限位单元，包括三对限位开关，分别安装在机械手的三个自由度上，通过单片机的相关I/O口与限位开关接口相连接，限制机械手各自由度的运动范围，有效保证机械手的伸缩运动、旋转运动以及升降运动不至于超出所限定的运动范围，对机械手结构起到安全保护作用。

初始位置复位单元，包括三个限位开关，即限位单元种的限位开关，它们分别与下位机Arduino相关I/O 口相连接，当接收到上位机传来的复位指令时，下位机就会驱动三自由度机械手中各机械臂先运动到极限位置，然后根据限位开关的开关信号驱动机械手各机械臂回到初始位置。

散热单元，包括散热风扇、DS18B20温度传感器和继电器等。继电器、DS18B20分别与下位机Arduino单片机的相关I/O口相连接，通过检测控制器内部温度是否到达系统设定的温度来自动控制散热风扇的启动与关闭，利用散热风扇带来的强制对流对下位机进行多层散热。

直流电动机驱动单元，包括用于驱动两个带编码器的大扭矩直流电动机的L298N直流电机驱动模块。该带编码器的大扭矩直流电动机扭矩大，响应快，加减速时间短，动态惯性低，采用PWM调速技术来实现对电机的控制，通过单片机的相关I/O口与L298N驱动模块上的IN1、IN2、IN3、IN4接口相连接，控制电机的转向，通过单片机的相关I/O口与L298N驱动模块上的ENA、ENB接口相连接，控制电机的转速。通过控制各直流电机的转速和转向，从而驱动机器人移动。

循迹单元，包括并排装设于小车底盘前端的4个红外传感器，从左向右依次编号为1号、2号、3号以及4号。它们通过与下位机Arduino单片机相关I/O口连接，对地面上的黑线进行识别。机器人移动时，始终保持地面上的黑线在2号和3号红外传感器之间，当机器人偏离黑线时，2号或3号传感器将接收不到反射回来的红外光，此时控制系统立即作出响应，对机器人移动方向予以纠正。如果由于惯性过大，机器人越出了2号和3号红外传感器的探测范围，这时1号和4号红外传感器接收不到红外光，系统同样对机器人的移动方向进行纠正。这样通过4个红外传感器，即可实现机器人沿预设轨迹移动。为了保证机器人能够快速移动到待取快件所处位置并顺利返回。较佳地，可以沿平行于货架长度方向设置椭圆轨迹。

下位机供电单元，包括4个12 V的蓄电池、6个5号电池和按钮开关，分别给下位机Arduino控制单元、步进电机驱动单元、直流电动机驱动单元、散热单元等供电，作为整个机器人系统的能源供应模块。

多组同步带传动机构，包括第一同步带轮、第二同步带轮、第三同步带轮、第四同步带轮、第五同步带轮、第六同步带轮、第七同步带轮、第八同步带轮、第九同步带轮、第十同步带轮及配套的同步带。第一同步带轮、第二同步带轮实现把第一步进电机轴的转动转换为导轨的转动；第三同步带轮、第四同步带轮实现把导轨的转动转换为旋转机械臂的转动；第五同步带轮、第六同步带轮实现把伸缩机械臂的转动转换为末端机械手臂的转动；第七同步带轮、第八同步带轮实现把末端机械手臂的转动转换为末端执行器的转动；第九同步带轮、第十同步带轮实现把第二步进电机的转动转换为丝杆的转动。

减速机构，包括第一减速器和第二减速器，用来实现减小第一步进电机、第二步进电机输出轴速度及增大电机驱动力矩，减速的同时降低了负载的惯量，且惯量的减少为减速比的平方，该减速结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，有较大的额定扭矩输出轴。

丝杠导轨机构，包括丝杆、丝杆螺母及导轨等，通过丝杆的转动带动丝杆螺母沿丝杆上下移动，使得升降台带动升降机械臂做升降运动。

升降台、升降机械臂、伸缩机械臂、旋转机械臂和末端机械手臂，升降机械臂带动末端执行器在垂直平面内做升降运动；旋转机械臂带动末端执行器在水平面内转动；通过第五同步带轮、第六同步带轮、第七同步带轮、第八同步带轮及末端机械手臂运动的传递，伸缩机械臂将带动末端执行器作水平直线运动。最终，通过他们协调配合运动，共同完成机械手空间快件抓取作业。

末端执行器，采用平行铲取的方式，实现平稳、迅速的托持快件。

三个五相步进电动机，都采用日本东方vexta产品，电机供电电压都为24V，额定转速为1000rpm，最大力矩可达12.5N.m，满足机械手驱动要求。该五相步进电动机具有步矩角小，加减速时间短，动态惯性低，高精度和大转矩等特点。它们分别安装在机械手中，作为机械手三个运动方向上的动力源。

铝合金底板，板身采用铝合金材料，板长为0.6m，板宽为0.4m，板的厚度为0.02m，作为机器人底板，用于支撑整个机身。

驱动轮和万向轮，包括两个主动轮和两个万向轮，它们分别被安装在机器人底板的前后端。驱动轮由大扭矩直流电动机驱动；万向轮作为随动轮，配合主动轮带动机器人移动。

两组同步带传动机构，包括第十一同步带轮、第十二同步带轮、第十三同步带轮、第十四同步带轮及配套的同步带，每组同步带机构把各自对应的直流电动机输出的动力传递给相应的驱动轮，从而驱动整个机器人移动。

两个带编码器的大扭矩直流电动机，为行星齿轮减速电机，尾部装有光电编码器,分辨率为334线，电机供电电压为24V，额定力矩为6N.m，最大转速可达200rpm，满足机器人系统设计要求。

进一步的，如图7所示：首先，启动控制系统，系统进入初始化；然后，根据图6 对已编号快件的位置参数进行设定并打开监控系统，如图8所示，其中“Y”表示机器人循迹正确或准确到达目标位置，否则会出现错误提醒“N”；最后，通过按下键盘中相关功能键，控制机器人作出相应的动作。当按下启动键时，机器人就开始工作，其工作过程如下：首先，机器人从原点沿平行于货架的椭圆轨道移动，当达到待取快件所处位置，对应该处的光电开关就会有所感应，此时，下位机立即作出响应，使机器人停止移动，并根据预设的控制方式，通过三自由度机械手开始提取快件；然后，机器人携带快件沿椭圆轨道返回原点；最后，收发员取下快件，当要进行下一次取件，重新设置快件位置参数即可。

进一步的，在本实施例中，多组同步带传动机构包括如下7组：1、第一同步带轮8和第二同步带轮9；2、同第三步带轮12和第四同步带轮13；3、第五同步带轮14和第六同步带轮15；4、第七同步带轮16和第八同步带轮17；5、第九同步带轮10和第十同步带轮11；6、第十一同步带轮36和第十二同步带轮37；7、第十三同步带轮38和第十四同步带轮39。第1组：把第一步进电机轴的转动转换为导轨的转动，传动比为Z1:Z2=1:1；第2组：把导轨的转动转换为旋转机械臂的转动，传动比为Z3:Z4=1:2；第3组：把伸缩机械臂的转动转换为末端机械手臂的转动，传动比为Z5:Z6=2:1；第4组：把末端机械手臂的转动转换为末端执行器的转动，传动比为Z7:Z8=1:2；第5组：把第二步进电机的转动转换为丝杆的转动，传动比为Z9:Z10=4:5；第6、7组：把直流电动机轴的转动转换为驱动轮的转动。减速机构，用来实现减小第一以及第二步进电机输出轴速度及增大电机驱动力矩。丝杠导轨机构，通过丝杆的转动带动丝杆螺母沿丝杆上下移动，使得升降台带动升降机械臂做升降运动。升降台、升降机械臂、伸缩机械臂、旋转机械臂和末端机械手臂，升降机械臂带动末端执行器在垂直平面内做升降运动；旋转机械臂带动末端执行器在水平面内转动；通过第五同步带轮、第六同步带轮、第七同步带轮、第八同步带轮及末端机械手臂运动的传递，伸缩机械臂将带动末端执行器作水平直线运动。

进一步的，走本实施例中，三自由度机械手控制方法如下：

伸缩运动传动：第五同步带轮14固接于升降机械臂24，当第三步进电机5带动伸缩机械臂26转动时，第六同步带轮15将形成相对于升降机械臂24的公转和自传，由于末端机械手臂27固接于第六同步带轮15，于是末端机械手臂27与第六同步带轮15的自转同步转动，则末端机械手臂27相对与伸缩机械臂旋转26，且旋转方向与伸缩机械臂26相对升降机械臂24的旋转方向相反，转角值为伸缩机械臂26转角的2倍（第五同步带轮5与第六同步带轮的齿数比为Z5:Z6=2:1）。第七同步带轮16固接于伸缩机械臂26，当末端机械手臂27相对伸缩机械臂26旋转时，第八同步带轮17将形成相对于伸缩机械臂26的公转和自传，由于末端执行器25固接于第八同步带轮17，则末端执行器25相对末端机械手臂27旋转，且旋转方向与末端机械手臂27相对伸缩机械臂26的旋转方向相反，转角值为末端机械手臂27转角的1/2（第七同步带轮与第八带轮的齿数比为Z7:Z8=1:2)。根据转角矢量和的计算，末端执行器25相对升降机械臂24的转角为伸缩机械臂转角、末端机械手臂转角和末端执行器转角的矢量和，因此当第三步进电机5经第二减速器7带动伸缩机械臂26转动时，末端执行器始终相对于升降机械臂不转动，只做直线移动。即第三步进电机经第二减速器、伸缩机械臂、末端机械手臂、两组同步带传动等中间传动机构驱动末端执行器作水平直线运动。

旋转运动传动机理：第一步进电机3经第一减速器6，通过第一同步带轮、第二同步带动导轨18转动，由于第三同步带轮12不能绕导轨18转动，但可以沿导轨18上下移动，因此第三同步带轮12与导轨同步转动，经第四同步带轮13的传动从而带动旋转机械臂24旋转，即第一步进电机经第一减速器、第一同步带轮、第二同步带轮、第三同步带轮、第四同步带轮等中间传动机构驱动旋转机械臂作旋转运动。

升降运动传动机理：第二步进电机4通过第九同步带轮、第十同步带轮的传动带动丝杆19转动，从而驱动丝杆螺母22沿丝杆上下移动，由于升降台20与丝杆螺母22固连，因此升降台20与丝杆螺母22同步上下移动，从而带动升降机械臂24升降，即步第二进电机经第九同步带轮、第十同步带轮、丝杠、升降台等中间传动机构驱动升降机械臂作升降运动。

综上所述，以上三者运动，直线运动、旋转运动、升降运动，相互协作配合，使得三自由度机械手末端执行器可在一定的空间完成搬运作业。

四轮小车结构原理：小车车身采用四轮车体，配合铝合金作为车架，具有轻便、坚固等特点。整个车身移动采用后轮辅助前轮驱动的移动配置方式：车身前面两轮作为两个独立的驱动轮，分别由两个大扭矩直流电动机通过第十一同步带轮、第十二同步带轮、第十三同步带轮、第十四同步带轮传动机构单独驱动，利用它们的转速差控制车身的运动方向；而后轮则为两个万向轮，它们作为随动轮，起到支撑车身的作用。这种配置方式结构简单，易于控制，并且当两个驱动轮等速、反向转动时，车身只能绕这两个驱动轮连线的中点自转，易于定位和换向。

驱动轮和万向轮，分别被安装在机器人底板的前后端。驱动轮由大扭矩直流电动机驱动；万向轮作为随动轮，配合主动轮带动机器人移动。所述两组同步带传动机构，包括同步带轮11、12、13、14及配套的同步带，每组同步带机构把各自对应的直流电动机输出的动力传递给相应的驱动轮，从而驱动整个机器人移动。所述两个带编码器的大扭矩直流电动机，尾部装有光电编码器，分辨率为334线，电机供电电压为24V，额定力矩为6N.m，最大转速可达200rpm，满足机器人系统设计要求。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种应用于快递收发室中的机器人快件分发系统，其特征在于，包括：机器人远程控制模块以及机器人模块；所述机器人远程控制模块包括：一第一控制单元以及与该第一控制单元相连的设置于快递收发室中货架外侧壁的快件定位单元、显示输入单元、第一无线通信单元；所述机器人模块包括：一行进装置、设置于该行进装置顶部前侧的三自由度机械臂、设置于该行进装置顶部后侧的第二控制单元、设置于该行进装置顶部后侧且用于驱动所述行进装置的行进装置驱动单元、设置于该行进装置顶部后侧且用于驱动所述三自由度机械臂的机械臂驱动单元、设置于该行进装置顶部后侧的第二无线通信单元、设置于该行进装置底部前侧且与设置于地面的黑线路径配合的循迹单元；所述行进装置驱动单元、所述机械臂驱动单元、所述循迹单元以及所述第二无线通信单元均与所述第二控制单元相连；所述第一无线通信单元与所述第二无线通信单元匹配；

所述行进装置包括一铝合金底座；所述三自由度机械臂、所述第二控制单元以及所述第二无线通信单元均设置于所述铝合金底座上端面；所述铝合金底座下端面前部左侧设置有第一直流电动机，下端面前部右侧设置有第二直流电动机；所述第一直流电动机与所述第二直流电动机的端部均设置有与所述第二控制单元相连的光电编码器；所述第一直流电动机的输出轴与一第十一同步带轮连接；所述第二直流电动机的输出轴与一第十二同步带轮连接；所述第十一同步带轮经同步带连接至一第十三带轮；所述十三带轮与经第一连接组件设置于所述铝合金底座下端面前部左侧的第一驱动轮固定连接；所述第十二同步带轮经同步带连接至一第十四带轮；所述十四带轮与经第二连接组件设置于所述铝合金底座下端面前部右侧的第二驱动轮固定连接；所述铝合金底座下端面后部设置有一对万向轮；所述行进装置驱动单元包括分别与所述第一直流电动机以及所述第二直流电动机相连的直流电机驱动单元。

2.根据权利要求1所述的应用于快递收发室中的机器人快件分发系统，其特征在于，所述第一控制单元采用arduino mega 2560 单片机，所述第一无线通信单元采用nRF905无线通信模块；所述快件定位单元包括沿每层货架外侧壁长度方向等间隔设置的光电开关；所述显示输入单元包括一LCD12864与一4*4矩阵薄膜键盘；所述第二控制单元采用arduinomega 2560 单片机，所述第二无线通信单元采用nRF905无线通信模块。

3.根据权利要求1所述的应用于快递收发室中的机器人快件分发系统，其特征在于，所述三自由度机械臂包括一机架；所述机架内的一侧纵向设有一可相对机架转动的花键轴；所述机架的另一侧纵向设有一可相对机架转动的丝杆；所述丝杆上套置有一升降螺母；所述升降螺母上固连有一与所述花键轴滑动连接的升降台；位于所述花键轴侧的升降台下端设有一U 形槽；所述U 形槽内设置有一与所述花键轴花键滑动配合的第三同步带轮；所述第三同步带轮经同步带驱动一与其水平设置且位于升降台底端的第四同步带轮；所述第四同步带轮的输出轴与一位于所述升降台上端的齿轮盘底部连接；所述齿轮盘的上端面与一旋转臂连接；所述旋转臂顶端与一伸缩机械臂一端铰接；所述伸缩机械臂另一端与一末端机械手臂一端铰接；所述末端机械手臂另一端与一用以搬运待取快件的末端执行器铰接；所述旋转臂内设置有一第二电机；所述第二电机输出轴经一第二减速器与所述伸缩机械臂的一端连接；所述伸缩机械臂内与所述第二减速器相连侧设有一第五同步带轮，另一侧设有经同步带与所述第五同步带轮连接的第六同步带轮；所述第五同步带轮与所述旋转臂的上端固连；所述第六同步带轮与所述末端机械手臂的一侧端固连；所述末端机械手臂内与所述第六同步带轮相连侧设有一第七同步带轮，另一侧设有经同步带与第七同步带轮连接的第八同步带轮；所述第八同步带轮与末端执行器联动连接；所述第七同步带轮与所述伸缩机械臂的另一侧端固连。

4.根据权利要求3所述的应用于快递收发室中的机器人快件分发系统，其特征在于，所述花键轴的底部固连有一第二同步带轮；所述第二同步带轮经同步带与设于所述机架内旁侧的第一同步带轮连接；所述第一同步带轮经一设于所述机架内的第一减速器连接至一第一电机的输出轴；所述机架内的另一侧设有第三电机；所述第三电机的输出轴上连接有第九同步带轮；所述第九同步带轮经同步带与固连于丝杆下端的第十同步带轮连接。

5.根据权利要求4所述的应用于快递收发室中的机器人快件分发系统，其特征在于，所述机械臂驱动单元包括分别对应与所述第一电机、所述第二电机以及所述第三电机相连的第一电机驱动器、第二电机驱动器以及第三电机驱动器。

6.根据权利要求1所述的应用于快递收发室中的机器人快件分发系统，其特征在于，所述循迹单元包括设置于所述铝合金底座下端面前部的第一红外传感器至第四红外传感器；所述第一红外传感器至所述第四红外传感器从左至右依次等间隔设置。

7.根据权利要求1所述的应用于快递收发室中的机器人快件分发系统，其特征在于，所述第二控制单元还与一用于检测所述行进装置驱动单元、所述机械臂驱动单元、所述循迹单元、所述第二无线通信单元以及用于检测所述第二控制单元运行环境温度的温度传感器以及一用于散热的散热单元相连。

8.一种基于根据权利要求1~7任一项所述的一种应用于快递收发室中的机器人快件分发系统的控制方法，其特征在于，根据已编号快件的位置参数，通过所述显示输入单元键入取件信息，并将该取件信息下发至所述机器人模块；当按下所述显示输入单元中启动键时，所述机器人模块就开始工作，且其工作过程如下：所述机器人模块从原点，根据取件信息，通过所述行进装置驱动单元驱动所述行进装置，沿设置于地面且平行于货架的椭圆黑线路径轨道移动，且在移动过程中通过所述循迹单元识别椭圆黑线路径轨道；当达到待取快件所处位置，触发对应该处的快件定位单元中的光电开关；所述机器人远程控制模块接收到该触发信息后立即作出响应，并发送停止指令至所述机器人模块；所述机器人模块停止移动，并通过所述机械臂驱动单元驱动所述三自由度机械臂进行取件；取件完成后，所述机器人模块携带快件沿椭圆轨道返回原点；最后，收发员取下快件。

9.根据权利要求8所述的应用于快递收发室中的机器人快件分发系统，其特征在于，所述取件信息包括：快件编号、快件定位单元中光电开关的序列号以及货架层数。