CN106314594B - 一种用于现代物流行业的仓储搬运机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于现代物流行业的仓储搬运机器人，所述机器人车体底盘连接及其固定机器人各个装置，防碰撞保护装置包括红外光电传感器、前后盖板、急停开关；驱动装置的主动轮经连接轴置于直流电机一端，对称固定于车体中间两侧，从动轮对称置于车体前端以及后端两侧，驱动控制采用差速驱动方式；导航定位单元包括惯导传感器、二维激光条码扫描器、灰度传感器、二维码，它采用惯性导航，二维码定位，灰度传感器矫正偏差的方式完成导航定位；控制单元使用基于单片机的控制系统，包括微控制器、控制模块电路；举升机有利于降低物流成本，减少人员的投入，可实现仓储搬运机器人从搬运货物至指定区域，本发明的机器人能够提高现代物流的分拣效率。

Description

一种用于现代物流行业的仓储搬运机器人

技术领域

本发明属于及自动化物流运输领领域，具体涉及一种用于现代物流行业的仓储搬运机器人。

背景技术

仓储搬运机器人是在传统机器人基础上发展起来的一种新型机器人(AutomatedGuided Vehicle)。该机器人通过电池进行供电，可以实现自主导航，由PC等控制中心进行监控及指令发送，沿计算出的最优路径准确运行到目标地址后完成控制中心发出的指令。机器人可以节省物流搬运工作时间，减少人员成本费用。

随着计算机技术与控制技术的不断发展，机器人的应用领域也不断扩大，小型机器人在日常办公室移送物品、医院搬送药品、超市货物运送等地方得到应用。近年电子商务行业和大型工厂对智能化仓储的需求也越来越多，这两类的仓库物品数量多、品种掺杂，商品大小参差不齐、件数少，故使用人工来进行工作会增加人力工作量、效率低、成本高，故采用机器人代替人工进行工作，传统的仓储搬运机器人大多为牵引式、叉车式、背负式之类，体积较大，不能很好地适应现在的仓库物流，所以潜入式的仓储搬运机器人在电商物流配送中心的应用将越来越广泛。

传统的物流设备在仓储环境或是仓储工序发生变化时，很难再一次达到相应的性能要求。而智能化的机器人是一个柔性很高的系统，可以很好地根据环境变化进行调整。其不仅能节省大量的人力物力，降低安全事故，而且可以大大提高仓库的运输效率。

仓储搬运机器人是自动化仓储系统中的主体，也可称为自动导引小车(机器人)，目前其移动方式主要以轮式移动为主。大部分的仓储搬运机器人都是电磁引导、光条纹引导、磁带导引、激光反射定位引导，最开始机器人是使用电磁感应进行导引，原理是在地上埋设金属线，在搬运机器人上装两个金属线制成的感应线圈，当机器人在金属线上行走时，通电的线圈会与地上的导引线产生电磁感应的现象，但是金属线不易于机器人转弯，也不适用于狭窄的仓储环境；磁感应导引是将电磁感应导引方法中的金属线换成磁条、磁钉等带磁物，机器人上有可以进行磁感应的传感器，行走过程中通过接收磁感应信号实现导引，但是会破坏原有的工作地面环境；光学导引是用有色漆或色带来铺设轨迹，利用光学传感器采集地上的图像信号，通过图像处理技术判断识别轨迹实现导引，虽然这种方式不用破坏工作环境的地面，只需要对地表进行贴涂，但是因为图像处理要求较高，灰尘或液体等异物的存在会降低图像处理的处理精度，所以该方法的可靠程度较低。

现有的机器人一般以PLC、工控机作为控制器，体积大，成本高，计算能力弱，不易实现高精度定位。现有的仓储搬运机器人不具有与控制终端进行实时通信的功能，不能把自身的运动状态、信息状态采通过无线通信模块传输控制终端。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于现代物流行业的仓储搬运机器人及其控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于现代物流行业的仓储搬运机器人，包括仓储搬运机器人车体底盘及其外壳、防碰撞保护装置、驱动装置、导航定位单元、控制单元、通信单元、举升机构。所述机器人车体底盘连接及其固定机器人各个装置,该底盘为两层结构；所述防碰撞保护装置位于外壳上，用于保护车体，防止其碰撞；所述驱动装置，用于驱动机器人运动；导航定位单元、控制单元、通信单元均位于外壳内部，实现机器人运动控制与控制终端的通信；举升机构位于底盘中部，用于抬举货物。

所述仓储搬运机器人车体底盘连接及其固定机器人各个装置，防碰撞保护装置包括红外光电传感器、前后盖板、前后急停开关；驱动装置包括驱动器、左、右直流电机、第一编码器、第二编码器、主动轮以及从动轮，左、右直流电机和主动轮装在对称于车体中间两侧，从动轮置于车体前端以及后端两侧，采用差速驱动方式，若运动时候出现偏差，一直流电机经速度反馈及时修正电机转速，使两直流电机的主动轮速度保持在给定速度；导航定位单元包括惯导传感器、二维激光条码扫描器、灰度传感器，采用惯性导航方式，二维码定位方式，灰度传感器矫正偏差方式完成机器人导航定位；控制单元使用基于单片机的控制系统，包括微控制器、控制板，锂电池，控制系统相当于机器人的大脑，进行控制决策；举升机构包括电动缸、举升电机、传动丝杆、限位开关、托盘。其控制单元与防碰撞保护装置、驱动装置、导航定位单元、通信单元、举升机构构成电气连接。

所述仓储搬运机器人的防碰撞保护装置主要包括红外光电传感器、红外光电传感器固定支架、前后盖板、左右急停开关，所述防碰撞保护装置安装在车体底盘结构第二层前端以及后端，所述红外光电传感器固定支架有多对，装置于车体底盘结构前端以及后端；红外光电传感器固定支架固定红外光电传感器；所述前盖与后盖置于车体底盘结构前端；急停开关置于前盖与后盖上端。

所述仓储搬运机器人的驱动装置包括直流无刷电机、编码器、驱动轴、齿轮、主动轮、从动轮、外壳、减震装置、驱动器，所述驱动装置中驱动器安装在车体底盘结构第二层上端侧面，所述驱动装置中直流无刷电机，安装在车体底盘结构下端的中间两侧；所述驱动装置中编码器通过齿轮啮合安装在无刷电机下端；所述左、右主动轮分别与左、右电机对应相连；从动轮共有4个，其中2个设置于车体底盘结构前端下方两边剩下2个设置于后端下方两边，分别固定在车体底盘结构第一层；所述直流电机的外壳固定装与车体底盘结构第一层靠近中间的两侧；所述驱动装置中减震装置包括一组弹簧，置于车体底盘结构第一层中间，两端与直流电机的两外壳相接触。

所述仓储搬运机器人的导航定位单元包括惯性导航传感器、惯性导航传感器安装板、二维激光条码扫描器、二维激光条码扫描器支架、灰度传感器、特质地标，所述惯性导航传感器安装板置于车体底盘结构第一层后端中间；所述惯性导航传感器置于惯性导航传感器安装板上；所述二维激光条码扫描器支架置于车体底盘结构第一层靠近中间；所述二维激光条码扫描器置于二维激光条码扫描器支架上，所述灰度传感器置于车体底盘结构第一层前面下端；所述特质地标包括二维码图像加黑色箭头连接组成。

所述仓储搬运机器人的控制单元包括微控制器、电量检测模块、控制电路板、控制板固定板、锂电池、电池固定板，所述微控制器包含电源管理模块，主控芯片模块，运动控制模块，通信传输模块；所述控制电路置于控制板固定板上端；所述电量检测模块置于控制板上端，进行电压检测，用于监测电池的电压，检测机器人是否需要充电；所述锂电池置于车体底盘结构第二层侧面；所述电池固定板置于锂电池上端，用于固定控制板固定板以及锂电池，锂电池与电池固定板之间放置泡沫作为隔层，电池固定板前端设有充电插口以及总开关。

所述仓储搬运机器人的举升机构包括电动缸、举升电机、传动丝杆、第三编码器、限位开关、托盘，所述举升机构置于车体底盘结构第二层中间，举升机构通过螺丝与车体相连接，电动缸是由举升电机与电动缸的传动丝杆通过联轴器相连接而成，传动丝杆可上下移动；所述第三编码器与传动丝杆同轴连接，随着传动丝杆转动而转动，将转动的角度转化为脉冲数并反馈给所述控制单元，所述控制单元对脉冲数进行处理后获得传动丝杆当前的位置和速度信息，并根据该位置和速度信息发送控制信号给举升电机，通过控制举升电机完成启动、停止、加速、减速动作从而控制传动丝杆实现传动丝杆上升、下降；所述限位开关置于电动缸传动丝杆上端，和下端，给所述第三编码器提供清零信号；所述托盘置于传动丝杆顶部，由螺丝螺母固定，托盘为圆形结构。

所述仓储搬运机器人的通信单元包括通信协议转换器，置于车体底盘结构第二层前端侧面，将控制电路板的串行接口通信协议转换为wifi通信协议。

所述仓储搬运机器人包括控制终端，用来实时监控仓储搬运机器人当前的运行状态并控制机器人的运行，并发送指令使机器人按照指令需求完成搬运任务，同时分析和存储仓储搬运机器人搬运结束后货物的数据信息。

所述仓储搬运机器人，工作环境还安装有无线路由器，用于实现仓储搬运机器人与控制终端之间的无线通信。

所述的仓储搬运机器人的控制方法包括如下步骤：

1)在运行场地上面设置特指地标作为小车行进的位置定位分布点，惯性导航传感器采集数据作为小车行进的相对行进轨迹，灰度传感器用于识别特指地标的灰度信息，分析判断车体与前进方向的偏差情况，解决由于惯性定位累积误差造成的方向测量偏差问题；利用特指地标中的二维码信息实时监测车体所在位置以及达到目的地距离情况；

2)通过灰度传感器采集特指地标的灰度信息，将转变为对方向的偏差量，将偏差量传送给控制单元，控制单元采用差速控制方式对车体进行方向控制；编码器采集电机转速信息，将转动的角度转化为脉冲数并反馈给所述控制单元，所述控制单元对脉冲数进行处理后获得当前的位置和速度信息，并根据该位置和速度信息发送控制信号给电机，采用积分分离PID算法对电机进行闭环转速控制；

3)在仓储搬运机器人的前后装有防碰撞保护装置，防碰撞保护装置中的激光光电传感器会将其前方是否有障碍物或者人的信息时时传输给控制单元，若遇到障碍物或者人时控制单元将控制仓储搬运机器人减速或停止；

4)控制单元通过控制PWM的占空比，将PWM信息传递至电机的驱动器，进而控制电机驱动的转速和扭矩从而对行进进行控制，根据防碰撞保护装置、惯性导航传感器、二维激光条码扫描器、灰度传感器所提供的道路信息进行分析，进而调整PWM的输出的占空比对直流无刷电机的控制参数，达到指定位置后，控制电动杆背负货架，并且把二维码信息、状态信息、电压信息通过无线通信模块传输至控制终端。

5)控制单元通过电动缸编码器反馈转动角度转化的脉冲数，进而获得轨道小车当前的位置和速度信息并根据该位置和速度信息发送控制信号给直流电机，控制直流电机完成启动、停止、加速、减速动作从而控制电动缸的传动丝杆上下位移量，实现传动丝杆的精确定位。

所述的仓储搬运机器人粘贴的特制地标进行分类，分类有：目的地地址代码，用于仓储搬运机器人精准到达目的地或者货架安放地的地面上；过程地址代码，用于仓储搬运机器人在搬运过程中作为定位标识安放在行进路面上。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明的装置结构构架简单，运动方位精确，有利于降低物流成本，减少人员的投入，可实现仓储搬运机器人从搬运货物至指定区域，后回至初始区域。在电量不足时,仓储搬运机器人可自主回至充电区充电，同时本发明可将自身运动信息、状态信息、电量信息实时传输至控制终端，配合控制终端完成货物分拣的流程，提高现代物流的分拣效率。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1是本发明仓储搬运机器人一侧的结构示意图。

图2是本发明仓储搬运机器人另一侧的结构示意图。

图3是本发明仓储搬运机器人的侧视示意图。

图4是本发明仓储搬运机器人的俯视示意图。

图5是本发明仓储搬运机器人的工作环境简要布局示意图。

图6是本发明仓储搬运机器人系统构成的模块结构框图。

图7是本发明仓储搬运机器人控制系统的结构框图。

图8是本发明仓储搬运机器人控制终端监控软件界面的示意图。

图9是本发明仓储搬运机器人控制终端的示意图。

图10是本发明仓储搬运机器人特质地标的示意图。

图11是本发明仓储搬运机器人货架的示意图。

具体实施方式

一种仓储搬运机器人，包括仓储搬运机器人车体底盘及其外壳、防碰撞保护装置、驱动装置、导航定位单元、控制单元、通信单元、举升机构；所述机器人车体底盘连接及其固定机器人各个装置，该底盘为两层结构；所述防碰撞保护装置位于外壳上，用于保护车体，防止其碰撞；所述驱动装置，用于驱动机器人运动；导航定位单元、控制单元、通信单元均位于外壳内部，实现机器人运动控制与控制终端的通信；举升机构位于底盘中部，用于抬举货物。

所述防碰撞保护装置设置在车体底盘结构第二层上，该防碰撞保护装置包括红外光电传感器19、前后盖板7、左右急停开关5，其中红外光电传感器19位于外壳的前端和后端，前后盖板7也位于外壳的前端和后端，左右急停开关5位于外壳上端。

所述驱动装置包括左直流电机10、右直流电机15、第一编码器12、第二编码器16、连接轴、齿轮、主动轮8、从动轮9、电机外壳11、减震装置14、电机驱动器29；

所述驱动装置中电机驱动器29设置在车体底盘结构第二层的侧面，所述驱动装置中左直流电机10和右直流电机15设置在车体底盘结构第一层的中间两侧，第一编码器12位于左直流电机10的下方并与置于主动轮连接轴上的齿轮啮合，用于记录左直流电机10的速度信息，第二编码器16位于右直流电机15的下方，并与置于主动轮连接轴上的齿轮啮合，所述主动轮置于连接轴两端并与对应的直流电机相连；所述从动轮为万向轮，共四个，其中两个置于车体底盘结构前端下方两边，两个置于后端下方两边，且相互对称；所述驱动装置中直流电机外壳11与对应的直流电机均固定置于车体底盘结构第一层两侧；所述驱动装置中减震装置包括一组弹簧，置于车体底盘结构第一层中间，两端与两个直流电机外壳相接触。

所述导航定位单元包括惯性导航传感器25、二维激光条码扫描器20、灰度传感器21；

所述惯性导航传感器25设置在车体底盘结构第一层后端中间；所述二维激光条码扫描器20设置在车体底盘结构第一层靠近中间；灰度传感器21置于车体底盘结构第一层前面下端。

所述控制单元包括微控制器、电量检测模块、控制电路板、控制板固定板、锂电池、电池固定板，所诉微控制器包含电源管理模块，主控芯片模块，运动控制模块，通信模块；所述控制电路置于控制板固定板上端；所述电量检测模块置于控制板上端，进行电压检测，用于监测电池的电压，检测机器人是否需要充电；所述锂电池置于车体底盘结构第二层侧面；所述电池固定板置于锂电池上端，用于固定控制板固定板以及锂电池，锂电池与电池固定板之间放置泡沫作为隔层，电池固定板前端设有充电转接口，与此同时总开关固定在电池固定板一侧的外壳处。

所述举升机构包括电动缸23、举升电机30、第三编码器、限位开关和托盘22，所述举升机构置于车体底盘结构第二层中间，举升机构通过螺丝与车体相连接，所述电动缸23与传动丝杆通过联轴器相连接，传动丝杆可上下移动；所述第三编码器与传动丝杆同轴连接，随着传动丝杆转动而转动，将转动的角度转化为脉冲数并反馈给所述控制单元，所述控制单元对脉冲数进行处理后获得传动丝杆当前的位置和速度信息，并根据该位置和速度信息发送控制信号至举升电机，通过控制举升电机从而控制传动丝杆完成启动、停止、加速、减速动作从而实现传动丝杆精确定位；所述托盘置于传动丝杆顶部，由螺丝螺母固定，托盘22为圆形结构。

所述通信单元包括通信协议转换器18，置于车体底盘结构第二层前端侧面，将控制电路板的串行接口通信协议转换为wifi通信协议。

仓储搬运机器人还设置有无线路由器，用于实现仓储搬运机器人与控制控制终端之间的无线通信。

一种基于上述仓储搬运机器人的控制方法，包括如下步骤：

1)在运行场地上面设置特指地标作为小车行进的位置定位分布点，惯性导航传感器采集数据作为小车行进的相对行进轨迹，灰度传感器用于识别特指地标的灰度信息，分析判断车体与前进方向的偏差情况，解决由于惯性定位累积误差造成的方向测量偏差问题；利用特定地标中的二维码信息实时监测车体所在位置以及达到目的地距离情况；

2)通过灰度传感器采集特指地标的灰度信息，将转变为对方向的偏差量，将偏差量传送给控制单元，控制单元采用差速控制方式对车体进行方向控制；编码器采集电机转速信息，将转动的角度转化为脉冲数并反馈给所述控制单元，所述控制单元对脉冲数进行处理后获得当前的位置和速度信息，并根据该位置和速度信息发送控制信号给电机，对电机进行闭环转速控制；

3)在仓储搬运机器人的前后装有防碰撞保护装置，防碰撞保护装置中的激光光电传感器会将其前方是否有障碍物或者人的信息时时传输给控制单元，若遇到障碍物或者人时控制单元将控制仓储搬运机器人减速或停止；

4)控制单元通过控制PWM的占空比，将PWM信息传递至电机的驱动器，进而控制电机驱动的转速和扭矩从而对行进进行控制，根据防碰撞保护装置、惯性导航传感器、二维激光条码扫描器、灰度传感器所提供的道路信息进行分析，进而调整PWM的输出的占空比对直流无刷电机的控制参数，达到指定位置后，控制电动杆背负货架，并且把二维码信息、状态信息、电压信息通过无线通信模块传输至控制终端；

5)控制单元通过电动缸编码器反馈的位置信息，进而控制电动缸的传动丝杆上下位移量，采用S曲线加减速控制电动缸上下移动，在行程达到极限时，通过控制限位开关，使传动丝杆稳定停止。

本发明的装置结构构架简单，运动方位精确，有利于降低物流成本，减少人员的投入，可实现仓储搬运机器人从搬运货物至指定区域，后回至初始区域。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例

结合图1和图11，在本实施例中包括机器人本体、机器人本体搭载的传感器和控制终端36。所述仓储搬运机器人在电商配送中心等内室内工作区域运行，使所述的仓储搬运机器人本体能够从出发区32沿特制地标40行驶至货架底部，并搬运指定货架44至分拣区34然后放回货架44，最后机器人回到出发区32等待指令。

如图1所示，所述仓储搬运机器人包括搬运机器人本体底盘机构、外壳1、举升机构2、充电接口3、总开关6、急停按钮5以及机器人所携带的传感器等。搬运机器人本体底盘机构是骨架支撑机器人整体结构，外壳1类似于皮肤，保护机器人内部部件，机器人举升机构2是机器人执行搬运举升的关键部件，机器人所携带的传感器保证机器人安全可靠的行驶。

如图2所示，所述搬运机器人底盘机构包括底盘机构底板一层28、灰度传感器21、灰度传感器支架、两个主动轮8、四个从动轮9、两个直流电机10和15、直流电机壳11、两个编码器12和16、齿轮13、减震弹簧14，其中，以上所述均安装在搬运机器人的外壳内。所述四个从动轮9，其通过支架固定在所述的底板上，分居底盘机构底板前端与后端的左右两侧，所述的四个从动轮9可以被主动轮8带动做全方向运动。所述直流电机10采用带减速箱的有刷直流电机。所述的减速箱选用行星减速箱，可以增大所述的直流电机10的力矩，使其能带动更重的负载。所述两个直流电机10和15分别与两个主动轮8相连接，用来提供动力。所述的两个编码器12和16通过支架固定分别固定在两个直流电机10和15下，随所述搬运机器人车轮的转动而转动，用于记录下搬运机器人车轮转动的角度和圈数，并反馈给微控制器24，所述微控制器24处理后获得搬运机器人当前的运行位置和速度，并根据当前的运行位置和速度控制直流电机10完成启动、停止等动作从而实现搬运机器人的运动。所述减震弹簧14，置于车体底盘结构底盘第一层28中间，两端与直流电机的外壳相接触。当遇到路面不平时候，搬运机器人一个主动轮被迫抬起或凹陷，由于弹簧的张性，使车体底盘相对平稳，从而起到减震作用；所述灰度传感器21总共有8个每个灰度传感器的间隔为1.5cm，总体的检测范围为10.5cm，其通过支架固定在所述的车体底盘结构第一层28。设置于搬运机器人车体底盘结构底盘第一层28前端下面，所述灰度传感器检测到地面特制地标41的灰度值，检测到黑线时输出高电平，检测到白色为低电平，其所述输出数字信号反馈给微控制器24，所述微控制器24处理后获得搬运机器人当前的运行位置与所需前进方向的误差从而矫正偏差。

如图1和图3所示所述防碰撞保护装置主要包括红外光电传感器19、红外光电传感器固定支架、前后盖板7、左右急停开关5，所述红外光电传感器固定支架有多对，呈现阶梯状装置于车体底盘结构第二层27前端以及后端；所述红外光电传感器19固定在红外光电传感器支架之上；前端的红外光电传感器19经安装调节，将工作范围调节至前50cm的位置，并直指前方，并且后端的红外光电传感器19经安装调节，将工作范围调节至前50cm的位置，并直指后方，若障碍物人或者其他物出现，该机器人则减速，并停止，等待障碍物离开；所述搬运机器人前盖与后盖置于车体底盘结构前端；所述急停开关5置于前盖与后盖上端，如发生碰撞或机器人出现故障导致机器人不能停止，方便工作人员快速停止机器人。

如图3和图10所示所述仓储搬运机器人的导航定位单元包括惯性导航传感器25、惯性导航传感器安装板、二维激光条码扫描器19、二维激光条码扫描器支架、灰度传感器21、特制地标41，所述惯性导航传感器25安装板置于车体底盘结构第一层28后端中间，将惯性导航传感器25置于惯性导航传感器安装板上，调节惯性导航传感器25的陀螺仪可输出载体角速度，通过该信息计算可得到载体相对于导航坐标系的转换矩阵。加速度计输出载体线加速度，但是输出的加速度矢量是沿载体坐标系的矢量，将加速度矢量通过姿态转换矩阵转换至导航坐标系，使机器人本体在短时间内做直线运动；所述二维激光条码扫描器20的L型支架置于车体底盘结构第一层28靠近中间，将二维激光条码扫描器20置于二维激光条码扫描器支架上，二维激光条码扫描器20指向机器人本体下方，读取特制地标41中的二维码信息，确定机器人本体所在位置，并将读取到的信息传输给微控制器24，最后位置信息在控制终端36显示出来；所述特制地标41包括二维码图像43加黑色箭头42连接组成，二维码图像43由边长为3cm的正方形组成，黑色箭头42为长15cm宽3cm的黑色箭头组成。二维激光条码扫描器20主要读取二维码图像43的信息，灰度传感器21主要读取黑色箭头42中颜色信息，检测到黑线时输出高电平，检测到白色为低电平。最终将所读取的信息反馈给微控制器24，微控制器24经过智能软件的编写，控制仓储搬运机器人延设定的特制地标41行驶。

如图3所示，所述仓储搬运机器人的控制单元包括微控制器24、电量检测模块、控制电路板、控制板固定板，所述控制电路置于控制板固定板上端，控制板固定板为绝缘板，起到了绝缘的作用并方便拆卸；所述电量检测模块置于控制板侧面，进行电压监测，用于监测电池的电压，并将信息反馈给微处理器24，检测机器人是否需要充电，如需要充电，在完成当前搬运之后，沿特制地标40行驶至充电区33；所述锂电池17置于车体底盘结构第二层27侧面；所述电池固定板置于锂电池17上端，呈现“Ω”倒扣在锂电池17上，用于固定控制板固定板以及锂电池17，锂电池17与电池固定板之间放置泡沫作为隔层，作为缓冲保护，所述微控制器24布置在控制电路板上，其可以进行数据的高速处理与分析，使整个机器人控制系统有条不紊的运行。所述微控制器24接收控制终端36、各个编码器和限位开关等发送过来的数据信息，具体包括所述控制终端36发送的搬运货架44的位置信息，所述各个编码器反馈的脉冲数，所述各个限位开关发送的触发信号，所述微控制器24对数据信息进行处理后可以控制各电机完成启动、停止、加速、减速、举升、降落动作，使所述机器人运动由出发区32至分拣区34，完成所述机器人的搬运任务。所述电机驱动器29有三个，用来接收所述微控制器24发送的控制信号从而分别驱动左直流电机10、右直流电机15和举升电机30。所述的总开关控制搬运机器人的总供电电路，其直接与所述的锂电池17串联，当切断所述总开关时，即切断了所述锂电池17供给机器人的电路，机器人将无法工作，只有打开所述总开关时，所述机器人才有可能正常工作。所述急停开关具有遇突发情况紧急停止机器人运行的功能。当所述搬运机器人在运行过程中出现异常状况需要及时停止时，工作人员可以立即拍下所述的急停开关5，此时所述的机器人可以立即停止运行。

如图3和图4所示所述举升机构包括电动缸31，举升电机30，传动丝杆23，第三编码器，限位开关，托盘22，所述举升机构置于车体底盘结构第二层27中间，举升机构通过螺丝与车体相连接，所述电动缸是将举升电机30与电动缸31的传动丝杆23通过联轴器相连接，传动丝杆23可上下移动；所述第三编码器与传动丝杆26同轴安装，随着传动丝杆23转动而转动，将转动的角度转化为脉冲数并反馈给所述微控制器24，所述微控制器24对脉冲数进行处理后获得传动丝杆23当前的位置和速度信息，并根据该位置和速度信息发送控制信号给举升电机30，从而控制传动丝杆26完成启动、停止、加速、减速动作从而实现传动丝杆精确定位；所述限位开关置于电动缸传动丝杆23上端，和下端，给所述举升电机编码器提供清零信号，在传动丝杆到达行程最大值时，限制传动丝杆23的位置，以其防止机器人此部件的损坏；所述托盘22置于传动丝杆顶部，由螺丝螺母固定，托盘为圆形结构。

如图6所示,所述机器人系统构成采用模块化结构，主控芯片主要连接电源管理模块、运动控制模块、通信模块、以及防碰撞保护模块。其中电源管理模块主要包括电量检测模块，在机器人检测到电量不足时候，自主行驶至充电区。运动控制模块主要包括左右电机，举升电机的控制，通过编码器反馈信息进行清零以及矫正偏差。通信模块包括对控制终端的无线通信，以及对导航模块的通信，其中导航定位模块包括惯导模块、二维激光条码扫描器以及灰度传感器。防碰撞保护模块包括红外光电传感器以及急停按钮。为控制电路板的制作提供依据。

如图3和图4所示，所述控制电路板为PCB板。根据搬运机器人需要实现的功能，选取合适电子元器件，设计所述的控制电路板的原理图和PCB图，从而制作出所述的控制电路板。所述微控制器24中下载有实现机器人基本功能的程序和智能控制机器人运动的程序。所述实现机器人基本功能的程序包括实现机器人正常运行、停止、搬运货架、数据采集与发送、充电的程序。所述智能控制机器人运动的程序采用智能控制算法编写，可以智能控制所述的左直流电机10、右直流电机15和举升电机30。所述左直流电机和右直流电机采用分段P控制和积分分离的分段式PID闭环算法控制，同时还带有饱和限幅环节。通过选取合适的参数，结合所述的第一编码器12和第二编码器16，能控制所述的搬运机器人平稳、快速启动，运行过程中能智能控制速度。所述举升电机30采用梯形加减速控制算法控制，结合所述第三编码器、限位开关，可以使所述的举升电机30平稳抬举、降落和停止，有较好的控制效果。所述电机驱动器29有三个，分别驱动所述的左直流电机10、右直流电机15和举升电机30。所述左直流电机10、右直流电机15的电机驱动器29可以将所述微控制器24产生的电机控制方波信号转换成所需占空比的PWM波，控制所述的左直流电机10、右直流电机15的运行；还可以通过使能信号、方向信号、制动信号控制所述的左直流电机10、右直流电机15进行不同的动作同时与第一编码器12、第二编码器16形成电机闭环控制。通过所述的微控制器24提供的脉冲信号、方向信号、使能信号，将信号传输至电机驱动器29，可以控制所述的举升机构举升、停止、降落，完成搬运货架的需求。

如图3所示，所述搬运机器人上还安装有锂电池17，所述锂电池17由锂电池支架固定在车体底盘结构第二层27上为整个搬运机器人上提供电能，所述的锂电池17安装在车体底盘结构第二层27上的侧面。所述搬运机器人外壳表面布置有与锂电池17正负极相连的搬运机器人电极，电极由盖板覆盖，对人起到防护左右，所述搬运机器人在需要充电时，在充电区沿特制地标40倒退至充电处，盖板向外打开，电极与充电插头上的电极对接充电。

如图3所示，所述机器人本体上还安装有通信协议转换器18，实现搬运机器人与控制终端36之间的通信。所述通信协议转换器18将微处理器24处理后的第一编码器12信息、第二编码器15的信息、二维激光条码扫描器20的信息、电量监测的信息，通过串行接口通信协议转换为wifi通信协议，将通过串行接口传输的信息转换为通过wifi传输的信息最终传至控制终端36。所述的通信协议转换器18具有双向转换能力，也可以将wifi通信协议转换为串行接口通信协议。

所图9所示，控制终端36用来实时查看搬运机器人当前的运行状态、搬运任务完成情况，同时可采集并存储控制终端36的数据信息，可导出制成表单，方便维护以及可对物流完成情况进一步分析。所述控制终端36采用一体机的形式，即为一台功能齐全的电脑，内部带有无线网卡。所述控制终端36具有控制终端显示屏39、控制终端键盘37和控制终端鼠标38。所述的控制终端显示屏39可以将控制终端36接收到的机器人的运行状态和采集并处理过后的数据信息实时显示在屏幕上，供工作人员及时查看。所述的控制终端键盘37和控制终端鼠标38可以供工作人员操作控制终端36。所述控制终端36放置在分拣区34的，方便工作人员集中处理货物。

如图8所示，所述控制终端36监控软件界面的软件基于Windows操作系统开发，结合嵌入式编程、网络通讯、数据库、计算机控制等技术，实现信息采集、传输、控制、管理和储存。所述控制终端软件界面上反映的信息有：设备状态显示、速度信息、位置信息、电量信息和急停开关按钮。所述控制终端36监控软件界面通过设备状态显示可以实时显示当前机器人本体的运动状态：显示当前所述的机器人运行的所在位置，可实时查看所述的机器人速度和位置。工作人员可以通过所述的控制终端键盘37和控制终端鼠标38在管理界面管理货物情况。所述的控制终端36监控软件界面可以对电量监测进行控制和管理，实时显示当前监测对象的电量信息，进行状态评估。所述的控制终端36监控软件还可以建立数据库，记录并为工作人员提供搬运机器人历史状态数据和搬运信息。

如图10所示，所述粘贴的特制地标进行分类，分类有：特制地标40为目的地地址代码，用于仓储搬运机器人精准到达目的地或者货架安放地的地面上；特制地标41为过程地址代码，用于仓储搬运机器人在搬运过程中作为定位标识安放在行进路面上。

本发明仓储搬运机器人开始工作前停止在机器人充电区33处，此时锂电池17电量处于满电状态，机器人本体与充电插头分开。打开机器人的总开关6和急停开关5，机器人控制电路接通，控制电路板、电机驱动器29均上电。打开控制终端监控软件界面35，用控制终端键盘37和控制终端鼠标38设定所需要搬运的货物，给机器人发送控制命令。机器人的无线路由器接收到通过wifi发送过来的命令后，通过通信协议转换器18将wifi信息转换为串口信息，以供微控制器接收并处理。微控制器根据命令控制机器人运行。通过左、右直流电机驱动器29驱动直流电机，带动机器人本体在特制地标40上运动。机器人先从充电区32行驶至出发区33，通过微控制器24中下载的智能控制算法程序，结合第一编码器12和第二编码器16可以实现对左、右直流电机的闭环智能控制，使机器人能克服运行时的一些干扰，如轨道不平造成的速度下降、搬运货物增加重量的速度下降等，稳定、快速、准确地到达分拣区34。采用积分分离的分段式PID闭环算法，通过选取合适的参数，能控制机器人本体平稳、快速启动。在机器本体运行过程中可以智能行驶，当遇到道路不平使机器人行进路线产生偏差时，灰度传感器21能在一小段时间将接连地标的灰度值反馈给微控制器24，微控制器24接收并处理后，可以增大或减小某一输出PWM的占空比，从而增大或减小某一直流电机的转速。当快要到指定货架44时，通过二维激光条码扫描器20读取到的当前一个二维码信息，反馈至微控制器24，微控制器24接收并处理后，控制直流电机减速，至货架44正下端停止转动，此时机器人举升电机30采用梯形加减速控制算法控制，结合第三编码器、限位开关，控制传动丝杆23平稳、精确的托举货架44，退回至前一个特质地标40处。微控制器24控制电机转弯，并延特质地标线至分拣区34在分拣区的工作人员取的货架44上的货物之后，机器人则沿路返回，将货架44送至此货架初始位置。控制电路板上的电压传感器能实时监测锂电池24的电压，当出现电压过低时，会控制机器人前往充电区33处进行充电。当电压传感器监测到电压足够高后，又会控制机器人停止充电。机器人在运行过程中实时将自身的运动状态，如位置信息和速度信息、搬运信息、电量信息等通过wifi发送给控制终端36，控制终端监控软件界面35可以实时显示这些信息。

Claims (6)

1.一种仓储搬运机器人，其特征在于，包括仓储搬运机器人车体底盘及其外壳、防碰撞保护装置、驱动装置、导航定位单元、控制单元、通信单元、举升机构；所述车体底盘连接及其固定机器人各个装置，该底盘为两层结构；所述防碰撞保护装置位于外壳上，用于保护车体，防止其碰撞；所述驱动装置，用于驱动机器人运动，包括左直流电机(10)、右直流电机(15)、第一编码器(12)、第二编码器(16)、连接轴、齿轮、主动轮(8)、从动轮(9)、电机外壳(11)、减震装置(14)、电机驱动器(29)；所述驱动装置中电机驱动器(29)设置在车体底盘结构第二层的侧面，所述驱动装置中左直流电机(10)和右直流电机(15)设置在车体底盘结构第一层的中间两侧，第一编码器(12)位于左直流电机(10)的下方并与置于主动轮连接轴上的齿轮啮合，用于记录左直流电机(10)的速度信息，第二编码器(16)位于右直流电机(15)的下方，并与置于主动轮连接轴上的齿轮啮合，所述主动轮置于连接轴两端并与对应的直流电机相连；所述从动轮为万向轮，共四个，其中两个置于车体底盘结构前端下方两边，两个置于后端下方两边，且相互对称；所述驱动装置中直流电机外壳(11)与对应的直流电机均固定置于车体底盘结构第一层两侧；所述驱动装置中减震装置包括一组弹簧，置于车体底盘结构第一层中间，两端与两个直流电机外壳相接触；所述导航定位单元包括惯性导航传感器(25)、二维激光条码扫描器(20)、灰度传感器(21)；所述惯性导航传感器(25)设置在车体底盘结构第一层后端中间；所述二维激光条码扫描器(20)设置在车体底盘结构第一层靠近中间；灰度传感器(21)置于车体底盘结构第一层前面下端；所述举升机构包括电动缸(23)、举升电机(30)、第三编码器、限位开关和托盘(22)，所述举升机构置于车体底盘结构第二层中间，举升机构通过螺丝与车体相连接，所述电动缸(23)与传动丝杆通过联轴器相连接，传动丝杆可上下移动；所述第三编码器与传动丝杆同轴连接，随着传动丝杆转动而转动，将转动的角度转化为脉冲数并反馈给所述控制单元，所述控制单元对脉冲数进行处理后获得传动丝杆当前的位置和速度信息，并根据该位置和速度信息发送控制信号至举升电机，通过控制举升电机从而控制传动丝杆完成启动、停止、加速、减速动作从而实现传动丝杆精确定位；所述托盘置于传动丝杆顶部，由螺丝螺母固定，托盘(22)为圆形结构；导航定位单元、控制单元、通信单元均位于外壳内部，实现机器人运动控制与控制终端的通信；举升机构位于底盘中部，用于抬举货物。

2.根据权利要求1所述的仓储搬运机器人，其特征在于，所述防碰撞保护装置设置在车体底盘结构第二层上，该防碰撞保护装置包括红外光电传感器(19)、前后盖板(7)、左右急停开关(5)，其中红外光电传感器(19)位于外壳的前端和后端，前后盖板(7)也位于外壳的前端和后端，左右急停开关(5)位于外壳上端。

3.根据权利要求1所述的仓储搬运机器人，其特征在于，所述控制单元包括微控制器、电量检测模块、控制电路板、控制板固定板、锂电池、电池固定板，所诉微控制器包含电源管理模块，主控芯片模块，运动控制模块，通信模块；所述控制电路置于控制板固定板上端；所述电量检测模块置于控制板上端，进行电压检测，用于监测电池的电压，检测机器人是否需要充电；所述锂电池置于车体底盘结构第二层侧面；所述电池固定板置于锂电池上端，用于固定控制板固定板以及锂电池，锂电池与电池固定板之间放置泡沫作为隔层，电池固定板前端设有充电转接口，与此同时总开关固定在电池固定板一侧的外壳处。

4.根据权利要求1所述的仓储搬运机器人，其特征在于，所述通信单元包括通信协议转换器(18)，置于车体底盘结构第二层前端侧面，将控制电路板的串行接口通信协议转换为wifi通信协议。

5.根据权利要求1所述的仓储搬运机器人，其特征在于，仓储搬运机器人还设置有无线路由器，用于实现仓储搬运机器人与控制控制终端之间的无线通信。

6.一种基于权利要求1所述的仓储搬运机器人的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在运行场地上面设置特指地标作为小车行进的位置定位分布点，惯性导航传感器采集数据作为小车行进的相对行进轨迹，灰度传感器用于识别特指地标的灰度信息，分析判断车体与前进方向的偏差情况，解决由于惯性定位累积误差造成的方向测量偏差问题；利用特定地标中的二维码信息实时监测车体所在位置以及达到目的地距离情况；

2)通过灰度传感器采集特指地标的灰度信息，将转变为对方向的偏差量，将偏差量传送给控制单元，控制单元采用差速控制方式对车体进行方向控制；编码器采集电机转速信息，将转动的角度转化为脉冲数并反馈给所述控制单元，所述控制单元对脉冲数进行处理后获得当前的位置和速度信息，并根据该位置和速度信息发送控制信号给电机，对电机进行闭环转速控制；

3)在仓储搬运机器人的前后装有防碰撞保护装置，防碰撞保护装置中的激光光电传感器会将其前方是否有障碍物或者人的信息时时传输给控制单元，若遇到障碍物或者人时控制单元将控制仓储搬运机器人减速或停止；

4)控制单元通过控制PWM的占空比，将PWM信息传递至电机的驱动器，进而控制电机驱动的转速和扭矩从而对行进进行控制，根据防碰撞保护装置、惯性导航传感器、二维激光条码扫描器、灰度传感器所提供的道路信息进行分析，进而调整PWM的输出的占空比对直流无刷电机的控制参数，达到指定位置后，控制电动杆背负货架，并且把二维码信息、状态信息、电压信息通过无线通信模块传输至控制终端；

5)控制单元通过电动缸编码器反馈的位置信息，进而控制电动缸的传动丝杆上下位移量，采用S曲线加减速控制电动缸上下移动，在行程达到极限时，通过控制限位开关，使传动丝杆稳定停止。