CN111240324A - 智能搬运分类机器人小车 - Google Patents

Abstract

本发明制作了一个智能搬运分类机器人小车，该机器人系统包括主控单元模块、电机与驱动模块、超声波传感器模块、红外传感器模块、颜色传感器模块、机械手模块、计数模块以及手机终端控制应用模块。机器人小车通过各种传感器模块对物体进行感知与识别，同时对物体进行分类存储，此外还可以通过手机蓝牙客户端进行必要的控制以及实时传输收集的数量。针对工厂车间中，经常需要对一些混在一起的物料进行分类收集的工作，大大减轻了工人们的工作量，节省了工作时间和工人精力，可以取代人工作业。多个传感器协同工作进行对物体的距离测量，从而判断出物体的位置与大小；通过机械手夹爪对物料进行夹取和颜色判断，并把不同颜色的物料分类到机器人小车携带的各个储物盒中，并自动对收集到的物料进行分类计数。此机器人操作简单，方便快速，节省人力成本，测试结果客观且可参考性高，便于实际应用。

Description

智能搬运分类机器人小车

技术领域

本发明涉及机械与控制领域，具体涉及一种基于多传感器信息融合技术与自动控制技术的在线工厂物料自动搬运系统。

背景技术

物料是工厂生产中的关键原料，而工厂内的原料各式各样，不会只有一种。所以对物料的正确分类与高效搬运，是现在许多工厂内亟需解决的问题。

物料搬运和分类是工厂生产中的重要环节，准确的进行物料分类和高效的物料搬运方式会直接影响到机器的生产效率。现如今大部分工厂的物料分类和搬运都是通过人工完成的，工厂的工人根据机器生产的实际需要，在分门别类的生产物料中，分辨出需要的物料，再进行人力搬运。

传统的人力搬运和分类费时费力，而先进一点的搬运工作都是机器人通过地面上预定的轨迹把物料沿着轨迹搬运，在轨迹以外的物体是无法搬运的，而且一般还没有物料的分类识别。还有的一些是无安全遥控的机械手臂来实现物体的搬运，机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，但是这种机械手的移动自由度较低，并不能适应到部分场所的需要,而且还具有一定的局限性

针对传统工厂物料搬运和分类中存在的问题和局限性，将多传感器信息融合技术与自动控制技术引入到工厂物料分类和搬运中去，构成全自动智能搬运分类机器人小车系统。这样既缓解了工厂内机器生产的物料不及时的压力，又大大减轻了人工劳动，节省了人力成本，该系统还可以通过手机上的蓝牙，在必要时用手机软件进行人为的实时遥控，既保证了安全，又提升了效率，可以实时查看搬运过程和检查搬运效果，提升了物料搬运效率。

发明内容

本发明的目的是针对目前工厂搬运物料过程中的局限性，提供一种自动物料搬运和分类系统，该系统结构简单，操作简便，经济实用，便于推广。

本发明的技术解决方案如下：

如图1所示的智能搬运分类机器人小车系统框图，该系统以Arduino主控板为基础进行扩展，包括电机及驱动模块、物料分类装置、机械手、颜色识别模块、红外定位模块、超声波模块、通信模块、手机客户端。

如图2所示的智能搬运分类机器人小车的硬件结构是由基于Arduino主控板，底部是一个四轮驱动的地盘，在地盘上面搭载红外传感器，机械手夹爪，物料数量显示屏，物料分类装载斗以及其他传感器，并在上面进行布线。

所述的红外传感器与超声波传感器用来检测路径上的障碍物与物体与小车的距离。颜色识别传感器以非接触式测量方式实时识别夹爪夹取的物料颜色，通信模块将采集到的颜色数据通过串口线发送至Arduino处理模块。

所述的机械手夹爪由两个舵机组成，利用机械结构原理可以灵活夹取前方物体并放回到自身的储物箱中，且可以根据物料的大小进行调整并夹取。

如图2所示的物料颜色识别通过夹爪上面附带的颜色传感器完成，传感器附加在夹爪上面，距离物料距离近，这样颜色的识别不容易出现错误，且不会有其他物料对传感器就行视野干扰，使检测出的数据更接近真实值。

所述的物料颜色识别模块可以准确的识别红、绿、蓝三种颜色。并且该传感器可以根据需要换成不同的物料材质识别传感器，进而对不同材质的物料进行分类，从而可以适用于更多的场合。

如图2所示的小车驱动采用四轮驱动结构，便于转弯与行进，采用PWM调速控制，便于方便的控制机器人小车的速度与转弯。通过主控模块Arduino主控板发送控制命令到驱动模块，驱动模块在驱动每个轮子上的马达完成小车的前进、后退以及转向。

所述的超声波模块，如图2所示，可见机器人小车前方的三个超声波传感器分布位置。其特征在于：为了避免只用一个超声波引起的判断失误，搜寻工作由左、中、右三个超声波模块承担，三个超声波相互配合作用。

所述的红外定位模块，如图2可以看到机器人小车上的红外定位传感器的安装位置。其特征在于：在机器人小车距离物料15cm时会自动对物料进行精确定位，确保机械手可以准确夹住物料，当机器人小车行进至物料7cm处时，发送信号到处理器处理，然后处理器再发出控制信号，控制机器人小车车轮停止前进并进行夹取动作。

所述的人机交互由蓝牙进行人机通讯，由用户登录页面，遥控页面组成，并且页面是可视化操作，可以方便推广和操作人员使用，方便简单，使用难度低。

所述的人机交互界面中，为了便于操作，分为接收数据区和发送数据区，接收数据直接实时显示在显示屏上，发送的数据则通过相应的虚拟按键进行控制和操作。

如图3所述的智能搬运分类机器人小车人机交互页面，其特征在于：页面通过虚拟按键设置有：夹住、松开、抬起、自动、前、放下、左、停、右、手动夹取、后、全速前进。每一个按键对应一个指令或者功能，操作者可以根据实际情况进行手动或者自动操作，从而使机器人小车运行在最佳状态，适应工厂的不同操作环境和对不同物料的操作。

所述的计数与显示模块，根据夹取到的不同物料数目进行计数，并通过数码管实时显示，同时也可以传输到手机客户端中。

本发明的优势：传统的物料搬运需要相关工作人员操作机器对物料进行搬运，或者具有自动搬运能力的机器人也是只能够按照特定的轨迹进行搬运物料。这个过程不仅效率低下，浪费时间，在具有高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合也存在一定的安全隐患。智能搬运分类机器人小车采用高鲁棒性的嵌入式系统开发，将多种传感器信息融合技术和人机交互技术引入工厂物料的搬运与分类当中，使物料的搬运更加安全和便捷，它不仅能代替人工的操作，实现自动和手动之间的切换。还能够按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成物料或工件的传送和装卸。另外，它还能大大改善工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐，可以很好的满足实际需求。

附图说明

图1智能搬运分类机器人小车系统框图。

图2智能搬运分类机器人小车机构图。

图3智能搬运分类机器人小车人机交互页面图。

图4智能搬运分类机器人小车工作原理图。

具体实施方法

如图1所示的智能搬运分类机器人小车系统，包括检测模块、物料夹取模块、驱动模块和实时数据显示模块，其中Arduino主控板在嵌入式系统中开发。

如图1所示的智能搬运分类机器人小车提供了人机交互模式，不仅可以实时获取到外部的环境信息，还可以通过手机客户端向机器人发送操作指令，这样的话，就给使用者提供了多种选择，而且多种工作模式并存，就大大减小了机器人出故障的概率，从而更容易适应工厂里的复杂环境。

如图2所示的智能搬运分类机器人小车机构图，该机器人由底板，超声波传感器模块(1)、抓取物料的夹爪(2)、颜色识别传感器模块(3)、红外定位模块(4)、控制器模块(5)、存放物料车斗(6)、物料数目显示模块(7)、四轮驱动动力模块(8)构成，其中，控制器模块基于嵌入式系统开发。

如图2所示的机器人小车是在普通的小车基础上改装而成，将物料探测模块、物料夹取模块、物料装载模块和人机交互模块集成于此。这样方便后期为了满足不同需求对小车进行改装，提高了整个系统的灵活性。

如图1和图2所示的智能搬运分类机器人小车中的通信模块可采用USB串口通信的方式，USB接口具有统一的通信标准，可以连接多个设备，且传输速度快；也可通过无线通信方式进行数据传输，如Wi-Fi，Zigbee或Bluetooth等。通信模块将超声波传感器、红外传感器和颜色识别传感器采集到的不同参数发送至基于嵌入式的Arduino参数处理模块。

如图2所示，在智能搬运分类机器人小车机构图中的标号7中，是一个物料的计数模块，该模块中采用了两个计数器和数码管显示夹爪夹取到和装入车斗里的物料，在本设计中采用的物料颜色是红色和蓝色，还可以根据实际需要，更换不同的颜色识别模块，识别出不同的物料，并进行装载计数。

如图3所示的智能搬运分类机器人小车系统工作原理图，在自动模式下，可以将机器人的工作过程简述为：机器人从开始工作开始，首先执行搜寻物料的任务，当机器人搜寻不到物料时，进行360°的旋转搜索，发现目标物料后，会继续向着目标前进；当机器人距离物料150cm时，红外模块会自动对物料进行精确定位，确保机械手可以准确夹住物料；当机器人行进至距物料7cm处时，停止前进执行夹取动作，此处根据具体的实际需要可以对程序中的距离进行调整；然后位于夹爪上的颜色识别模块会对物料分类识别(此处用到的是颜色传感器进行颜色分类，根据实际使用情况可以换成物料材质识别传感器对不同材质的物料进行分类，从而可以适用于更多的场合。)；然后夹爪执行物料的夹取动作，并将对应的物料放入相应的车斗内，执行完这个动作后夹爪会自动进行复位，同时位于车斗后面的数码管对收集到的物料的数目进行实时显示。

如图3和图4所示的智能搬运分类机器人小车在遥控模式下的工作模式，手机页面通过蓝牙与机器人小车进行连接，其中人机交互页面如图3所示，里面对应的不同按键对应小车的不同功能，在图4的遥控模式下的流程图中，可以对小车发送多种操作命令，小车收到命令后，就会立马产生相应的动作。使小车始终工作在一个最合适的工厂环境的状态下。

人机交互是机器人小车中一个很重要的模块和功能，本设计采用可视化的页面，大大提高了操作的可行性，符合简单方便易操作的原则。且人机交互页面还可以根据实际需求进行不同的功能添加和删除，从而满足大部分使用人群和工厂的需要。

如图3所示，人机交互页面分为键盘控制器和接收数据区，分别显示出不同的信息和对应的指令操作。在自动模式下能够实时获取到小车的工作状态。

如图3所示，在模拟动画窗口中，标准示教动作驱动绿色手指动作，即绿色手指的运动代表标准示教动作，在手指运动功能评测时，起到标准示教及引导的作用。

如图1和图3所示的人机交互模块基于嵌入式系统开发，使用体积较小、功耗低、性能好的开发板Arduino，利用算法对通信模块发送至的驱动信号、夹取信号、转弯角度和运行速度等数据进行滤波、补偿、计算、分析，小体积的嵌入式硬件能够很好地固定在小车的地盘上面，这样运动时不容易因为外力原因而损坏；同时伴随着性能好、功耗低的特性，使智能搬运分类机器人小车更加经济适用。

智能搬运分类机器人小车涉及多个动作、多个环节，这里不加详细说明，可查阅小车上每个模块的使用准则和标准。汇总每个环节的评测结果，最终根据实际需要对机器人小车进行修改。

以上显示和描述了本发明的基本原理、实施过程和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.智能搬运分类机器人小车，包括小车寻找物料和移动模块、物料分类夹取计数模块及人机交互模块，其特征在于：所述的小车寻找物料和移动模块包括4个分别独立驱动的车轮(8)和驱动芯片(包含在系统的Arduino模块当中)和其中的通讯模块；超声波定位模块(1)包括4个超声波传感器能够定位出小车前方的物料位置，在大致定位出位置以后，红外模块(4)会进一步确定物料与小车的距离，然后发送信号到主控板(5)，主控板再给小车的驱动模块发送移动的命令，当小车前进到物料前一定距离时小车就会停止前进。所述的物料分类夹取计数模块包括位于机械手上的颜色传感器(3)，当小车移动到物料前方时自动采集物料颜色信息，并将采集到的物料参数信息通过USB串口通信发送到处理器中处理，同时还可以通过蓝牙发送至手机上的人机交互页面，然后再进一步向小车夹爪发送夹取命令，并分类的装载到车斗(6)里面；并且车斗后方的数码显示器(7)还会显示出小车车斗内的物料数量；所述的人机交互模块主要是在使用者的手机上进行操作，该页面由键盘控制器和接收数据区构成，并且里面还有对应的不同功能，在小车的操作中，承担着操作者与智能搬运分类机器人小车系统交互的重要作用。

2.根据权利要求1所述的智能搬运分类机器人小车系统是基于Arduino处理器、多种传感器和机械装置的信号采集与信号处理，将人机交互技术引入到小车的实际运动和对物料的操作过程中，提高了小车在实际工厂中的可操作性和安全性，也能够应对不同的复杂环境，节约了人力、物力和财力。

3.根据权利要求1所述的智能搬运分类机器人小车系统是基于多种传感器的使用标准，采用鲁棒性的嵌入式系统开发智能搬运分类机器人小车参数处理模块和人机交互模块，物料信息与小车运动轨迹可以实时获取和操作，便于操作人员后期检查和实际操作，可以很好的满足工厂的实际需求。

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