CN108177147B - 应用于智能仓库的全方位移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于智能仓库的全方位移动机器人，包括移动平台、牵引机构、超声波避障系统、视觉模块、遥控维护模块，还有与移动机器人相配套的辅助定位机构，实现机器人以牵引模式搬运货架自动到达目标区域，及监控机器人的工作状态和仓储环境；且可通过网络管理及维护本机器人；另外，设计成麦克纳姆轮式移动平台，可全方位移动，灵活性高。

Description

应用于智能仓库的全方位移动机器人

技术领域

本发明涉及机器人结构设计和机器人控制技术领域，尤其涉及一种应用于智能仓库的全方位移动机器人。

背景技术

智能仓库的物流管理活动基本由电子计算机进行控制，货物(原材料、产品等)的管理配有机器人，员工数量要求低，运行效率高。本发明涉及的全方位移动是指除前后左右方向平移外，还可以斜向行走，零半径转弯等移动方式。

物联网工业的迅速发展，为了顺应时代，国内外相继出现各式各样的仓储机器人。

(1)国外方面，亚马逊等已经为仓库管理建立了自己的机器人队伍。不过，为了使用这套由Kiva Systems开发的仓储自动化系统需要对目标仓库进行专门化的改造，并增加很多必备的基础设施，成本高、技术难点大，维护困难，并不适合国内大部分企业的引进。

(2)国内方面，目前还没有出现比较完善的仓库管理机器人应用。对大部分企业来说，很多中大型的仓库还没有引进智能化机器人或者引进的机器人功能单一，操作不友好；货物配货和包装的方式，依然是传统的“人为配货”模式，而不是智能配货，故仓库运行速度长期得不到突破。

(3)国内顶级的物流管理企业，有采用了AGV的纯传感器技术，具有一定的局限性；此外，很多AGV小车采用抬升式结构，小车需要承载货架的总体质量，在启动、制动时对电机会造成一定的刚性冲击，影响小车的使用寿命，增加能量的损失。

(4)对于大部分的AGV小车，当巡航轨迹为弯道时，需要轮子产生差速以实现转弯，而且所需的弯道半径较大，当众多的小车在仓库里工作时，小车的活就受到空间、时间的限制。发展全方位移动机器人，试图大大减少仓库员工的走动，提高仓库管理货物工作的运行速度。

(5)现有仓储机器人仅仅采用电子传感器的定位方式，受环境的干扰强度高，定位精度不高，容易在工作中出现故障。

由此可见，以上问题对国内大多数仓储管理运行效率地，配备的机器人定位困难，造成智能仓库技术长期得不到突破的现象，很大程度地限制了智能仓库多方面的发展，特别是智能化发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种可有效提高仓库运行速度、运动灵活性以及有利于发展智能化仓库的应用于智能仓库的全方位移动机器人。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种应用于智能仓库的全方位移动机器人，其特征在于包括：移动平台、牵引机构、超声波避障系统、视觉模块、遥控维护模块、AGV传感器模块、RFID读写模块、驱动模块和控制模块，所述牵引机构设置于所述移动平台上，所述驱动模块受控于所述控制模块，所述驱动模块用于驱动所述牵引机构和所述移动平台运动；所述超声波避障系统位于所述移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于感知所述移动平台与障碍物的距离；所述视觉模块位于移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于对所述移动平台周围的环境信息进行图像采集；所述遥控维护模块位于所述移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于接收遥控器下传的控制命令，控制所述移动平台运动；AGV传感器模块位于所述移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于引导所述移动平台运动；RFID读写模块位于所述移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于读取地面上RFID标签的信息。

进一步的技术方案在于：所述移动平台包括车身和位于车身下侧的两对麦克纳姆轮，所述麦克纳姆轮通过联轴器连接着减速机，减速机连接步进电机M，所述步进电机M通过引出的A、B相线连接至步进电机驱动器U3；所述步进电机驱动器U3其信号端口与运动控制卡U1连接，通过所述步进电机M驱动所述麦克纳姆轮动作；所述车身包括底盘、前后侧板、左右侧板、大顶板和小顶板。

进一步的技术方案在于：所述牵引机构包括电动抬升杆、支撑板和牵引柱子，所述电动抬升杆通过继电器A连接至电源；所述电动抬升杆设置于底盘的中央；所述支撑板的中央位置连接电动抬升杆；所述支撑板的端角下方连接四根支撑柱子，四根支撑柱子设置于大顶板的四个定位孔内，四根支撑柱子固定连接着定位孔下方的轴承，所述牵引柱子设置在支撑板的上方，并斜对角分布，所述继电器A的常开端及公共端与arduino单片机U2电连接。

进一步的技术方案在于：所述超声波避障系统包括六个超声波传感器，所述超声波传感器其信号端与arduino单片机U2电连接；所述arduino单片机U2与运动控制卡U1通过通信接口电连接；六个所述超声波传感器分别设置于前后侧板及左右侧板上，且前后侧板对称安装四个超声波传感器，左右侧板中央对称安装两个超声波传感器。

进一步的技术方案在于：所述视觉模块包括一数字摄像机，所述数字摄像机通过摄像机支撑杆与移动平台的小顶板连接；所述数字摄像机通过网线与路由器电连接；所述摄像机支撑杆的下端内置滚轴连接着一舵机，所述舵机的信号端与arduino单片机U2电连接，控制模块通过所述舵机控制所述数字摄像机转动。

进一步的技术方案在于：所述遥控维护模块包括一路由器，所述路由器设置于摄像机支撑杆前方位置的车身的小顶板上，所述路由器通过网线与运动控制卡U1电连接。

进一步的技术方案在于：角码设置于货架的平行杆之间，并斜对角分布，漏斗与角码连接，AGV传感器模块安装于车身前方，AGV传感器模块与arduino单片机电连接，+5V电源与arduino单片机的VCC接线端电连接，地与arduino单片机的GND接线端电连接，RFID读写模块安装于车身底盘中央，AGV磁导线安装于仓库走廊中央，RFID标签安装于两条AGV磁导线直角交叉处。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：(1)基于麦克纳姆轮技术而设计的移动平台，灵活性高，具有全方位移动的优势，适用于中大型仓库的货物运输管理，大大减少仓库员工的走动，有效提高仓储运作的效率；

⑵设计机器人带动货架为牵引式带动，货架四脚安装万向轮，有效避免了托举式因负载过大而硬性损坏电机，也有效避免了抬升式对货架的刚性冲击而造成货架重心不稳以及货物摇晃的现象；

⑶设计电子传感器定位和机械结构定位相结合的机构，使得机器人可迅速、精准地与货架结合为一体；

⑷设计了超声波避障系统，系统稳定性强，在四个移动方向都具有自动避障的功能，避障效果良好；

⑸设计了无线遥控与自动行走的两种工作模式，机器人在公共道上行走采用自动的模式，机器人进入被划定的货架车位、机器人与货架结合，均由无线控制。两种工作模式并存，可使机器人适用于不同的仓储环境，结合自动避障的效果，一定程度上实现仓库的智能操作；

⑹设置了视觉模块，可实时监控仓库的环境、可监视机器人与货架的定位结合情况、机器人的工作状态。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述全方位移动定位系统的立体结构示意图；

图2是本发明实施例所述全方位移动定位系统的俯视示意图；

图3是本发明实施例所述全方位移动定位系统的局部示意图；

图4是本发明实施例所述全方位移动定位系统的电路连接示意图。

1、数字摄像机；2、路由器；3、摄像机支撑杆；4、超声波传感器；5、麦克纳姆轮；6、车身；7、电动抬升杆；8、支撑板；9、牵引柱子；10、漏斗；11、角码；12、货架；13、舵机；14、AGV传感器模块；15、RFID读写模块；U1、运动控制卡；U2、arduino单片机；U3、步进电机驱动器；M、步进电机；A、继电器。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1至图4所示，本发明公开了一种应用于智能仓库的全方位移动机器人，包括：移动平台、牵引机构、超声波避障系统、视觉模块、遥控维护模块、AGV传感器模块14、RFID读写模块15、驱动模块和控制模块，所述牵引机构设置于所述移动平台上，所述驱动模块受控于所述控制模块，所述驱动模块用于驱动所述牵引机构和所述移动平台运动；所述超声波避障系统位于所述移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于感知所述移动平台与障碍物的距离；所述视觉模块位于移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于对所述移动平台周围的环境信息进行图像采集；所述遥控维护模块位于所述移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于接收遥控器下传的控制命令，控制所述移动平台运动；AGV传感器模块14位于所述移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于引导所述移动平台运动；RFID读写模块15位于所述移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于读取地面上RFID标签的信息。

进一步的，所述移动平台包括两对麦克纳姆轮5和车身6；所述麦克纳姆轮5通过联轴器连接着减速机，进一步连接步进电机M；所述车身6包括底盘、前后侧板、左右侧板、大顶板和小顶板，并通过底盘、前后侧板、左右侧板、大顶板和小顶板围合而成；所述步进电机M通过引出的A、B相线连接至步进电机驱动器U3；所述步进电机驱动器U3其信号端口与运动控制卡U1连接；

进一步的，所述牵引机构包括电动抬升杆7、支撑板8、牵引柱子9；所述电动抬升杆7通过继电器A连接至电源；所述电动抬升杆7设置于底盘的中央；所述支撑板8的中央位置连接着电动抬升杆7；所述支撑板8的端角下方连接着四根支撑柱子，进一步地，四根支撑柱子设置于大顶板的四个定位孔，相应的，四根支撑柱子固定连接着定位孔下方的轴承；所述牵引柱子9设置在支撑板8的上方，并斜对角分布；所述继电器A的常开端及公共端与arduino单片机U2电连接；

所述超声波避障系统由六个超声波传感器4及一arduino单片机U2组成；所述超声波传感器4其信号端与arduino单片机U2电连接；所述arduino单片机U2与运动控制卡U1通过通信接口电连接；六个所述超声波传感器4分别设置于前后侧板及左右侧板，且前后侧板对称安装四个超声波传感器，左右侧板中央对称安装两个超声波传感器。

所述视觉模块包括一数字摄像机1；所述数字摄像机1与摄像机支撑杆3连接；所述数字摄像机1通过网线与路由器2电连接；所述摄像机支撑杆3设置于机器人前方的小顶板位置；所述摄像机支撑杆3的内置滚轴连接着一舵机13；所述舵机13其信号端与arduino单片机U2电连接；

所述遥控维护模块包括一路由器2；所述路由器2设置于铝板车身6的小顶板位置、摄像机支撑杆3的前方位置；所述路由器2通过网线与运动控制卡U1电连接；

角码11设置于货架12的平行杆之间，并斜对角分布，漏斗10与角码11连接，漏斗10与牵引柱子9相适配，当所述牵引柱子9插入到漏斗10内时，可通过移动平台驱动货架运动，AGV传感器模块14安装于车身6前方，AGV传感器模块14与arduino单片机电连接，+5V电源与arduino单片机的VCC接线端电连接，地与arduino单片机的GND接线端电连接，RFID读写模块15安装于车身6底盘中央，AGV磁导线安装于仓库走廊中央，RFID标签安装于两条AGV磁导线直角交叉处。

所述移动定位系统的工作原理如下：

麦克纳姆轮周边分布着可旋转的中心轮，成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化成一个机轮法向力，依靠各自机轮的方向和速度，这些力最终在任何需要的方向上产生一个合力矢量，从而该移动平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不需改变机轮自身的方向。

四个麦克纳姆轮均由步进电机驱动，转速一样，依靠各个麦克纳姆轮的转向差异，实现机器人在各个方向上的平移，不需通过产生差速来实现转弯。

上位机控制单元由PC机和应用程序组成，PC机通过路由器网络连接运动控制卡。PC机主要负责信息流和数据流的管理，以及从运动控制卡读取数据，并经过计算后将控制指令发给运动控制卡。驱动器的方向、脉冲信号脚连接至运动控制卡，驱动器接受到运动控制卡发出的脉冲信号，通过内部的PWM电路控制直流步进电机的运转，如此构成一个全方位移动的控制系统。

在系统工作初始阶段，PC机将控制指令发给运动控制卡，进而从运动控制卡的信号引脚输出低电平触发继电器，连接电动抬升杆的回路通电，电动抬升杆执行回降运动。机器人通过AGV传感器识别磁导线沿导轨运动，当运动到两直磁导线交叉处，RFID接收读取交叉处RFID卡片的信息，机器人根据传感器信息及上位机发送过来的目标仓库信息判断运动的方向，当机器人运动到磁导线末端时即为机器人所需到达的目标仓库位置；PC机将控制指令发给运动控制卡输出高电平触发继电器，连接电动抬升杆的回路通电，电动抬升杆执行上升运动。机器人通过机器人上方的牵引柱子从漏斗下方喇叭口插入，通过货架的重力作用和漏斗结构将两条牵引柱子引导到两个漏斗结构中央圆管位置；当牵引柱子的顶端与角码平齐时，从运动控制卡的信号引脚输出低电平响应继电器，回路断电，电动抬升杆停止工作，进一步地，运动控制卡往步进电机驱动器输出脉冲信号和方向信号，步进电机工作，机器人带动货架往下目标仓库移动。到达目标仓库后，再次从运动控制卡的信号引脚输出高电平触发继电器，连接电动抬升杆的回路通电，电动抬升杆执行回降运动，机器人上方的牵引柱子从漏斗下方离开，机器人完成取货工作。

通过对arduino单片机的编程，实现超声测距，根据音速实时算出四个方向上的障碍物距离，当某个方向上的测距值小于预设的避障有效距离值(有效距离值设定为20cm)，arduino单片机将通过串口通信(TX、RX)向运动控制卡发送避障指令，被运动控制卡的相关程序识别后，运动控制卡将输出相应的脉冲信号和方向信号，控制机器人自动避开障碍物行走。

摄像机支撑杆的内置滚轴连接着一舵机，舵机其信号端与arduino单片机电连接，通过对arduino单片机的编程，实现接收指令进而控制舵机带动摄像机旋转，监视机器人工作状态，如机器人上方的牵引柱子对漏斗口的正确定位。由上位机程序通过路由器发送指令到运动控制卡，再由运动控制卡从串口(TX、RX)往arduino单片机发送指令，输出脉冲信号控制舵机旋转，带动摄像机工作。

适用于多种环境，该机器人灵活性高、实用性强，特别适用于中大型仓库，灵活智能的全方位移动机器人可有效地代人为搬运货物的高强度工作，大大减少仓库员工的走动，明显地提高仓储运作的效率，应用性强，具有很好的应用前景。

Claims (6)

1.一种应用于智能仓库的全方位移动机器人，其特征在于包括：移动平台、牵引机构、超声波避障系统、视觉模块、遥控维护模块、AGV传感器模块（14）、RFID读写模块（15）、驱动模块和控制模块，所述牵引机构设置于所述移动平台上，所述驱动模块受控于所述控制模块，所述驱动模块用于驱动所述牵引机构和所述移动平台运动；所述超声波避障系统位于所述移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于感知所述移动平台与障碍物的距离；所述视觉模块位于移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于对所述移动平台周围的环境信息进行图像采集；所述遥控维护模块位于所述移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于接收遥控器下传的控制命令，控制所述移动平台运动；AGV传感器模块（14）位于所述移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于引导所述移动平台运动；RFID读写模块（15）位于所述移动平台上，与所述控制模块的信号输入端连接，用于读取地面上RFID标签的信息；

所述牵引机构包括电动抬升杆（7）、支撑板（8）和牵引柱子（9），所述电动抬升杆（7）通过继电器A连接至电源；所述电动抬升杆（7）设置于底盘的中央；所述支撑板（8）的中央位置连接电动抬升杆（7）；所述支撑板（8）的端角下方连接四根支撑柱子，四根支撑柱子设置于大顶板的四个定位孔内，四根支撑柱子固定连接着定位孔下方的轴承，所述牵引柱子（9）设置在支撑板（8）的上方，并斜对角分布，所述继电器A的常开端及公共端与arduino单片机U2电连接；

角码（11）设置于货架（12）的平行杆之间，并斜对角分布，漏斗（10）与角码（11）连接，漏斗（10）与牵引柱子（9）相适配，当所述牵引柱子（9）插入到漏斗（10）内时，可通过移动平台驱动货架运动，AGV传感器模块（14）安装于车身（6）前方，AGV传感器模块（14）与arduino单片机电连接，+5V电源与arduino单片机的VCC接线端电连接，地与arduino单片机的GND接线端电连接， RFID读写模块（15）安装于车身（6）底盘中央，AGV磁导线安装于仓库走廊中央，RFID标签安装于两条AGV磁导线直角交叉处。

2.如权利要求1所述应用于智能仓库的全方位移动机器人，其特征在于：所述移动平台包括车身（6）和位于车身（6）下侧的两对麦克纳姆轮（5），所述麦克纳姆轮（5）通过联轴器连接减速机，减速机连接步进电机M，所述步进电机M通过引出的A、B相线连接至步进电机驱动器U3；所述步进电机驱动器U3其信号端口与运动控制卡U1连接，通过所述步进电机M驱动所述麦克纳姆轮（5）动作。

3.如权利要求1所述应用于智能仓库的全方位移动机器人，其特征在于：所述车身（6）包括底盘、前后侧板、左右侧板、大顶板和小顶板。

4.如权利要求1所述应用于智能仓库的全方位移动机器人，其特征在于：所述超声波避障系统包括六个超声波传感器（4），所述超声波传感器（4）其信号端与arduino单片机U2电连接；所述arduino单片机U2与运动控制卡U1通过通信接口电连接；六个所述超声波传感器（4）分别设置于前后侧板及左右侧板上，且前后侧板对称安装四个超声波传感器，左右侧板中央对称安装两个超声波传感器。

5.如权利要求1所述应用于智能仓库的全方位移动机器人，其特征在于：所述视觉模块包括一数字摄像机（1），所述数字摄像机（1）通过摄像机支撑杆（3）与移动平台的小顶板连接；所述数字摄像机（1）通过网线与路由器（2）电连接；所述摄像机支撑杆（3）的下端内置滚轴连接着一舵机（13），所述舵机（13）的信号端与arduino单片机U2电连接，控制模块通过所述舵机（13）控制所述数字摄像机转动。

6.如权利要求1所述应用于智能仓库的全方位移动机器人，其特征在于：所述遥控维护模块包括一路由器（2），所述路由器（2）设置于摄像机支撑杆（3）前方位置的车身（6）的小顶板上，所述路由器（2）通过网线与运动控制卡U1电连接。