CN115676700A - 一种全自动循迹起重搬运小车 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种全自动循迹起重搬运小车，涉及一种新型循迹避障搬运的起重装备，适用于空间狭隘，工况复杂，自动搬运的工作条件当中。本循迹起重搬运小车配备电动推杆、升降电机、舵机、底盘步进电机四大驱动系统。结构框架采用欧标标准铝材搭建，双升降横梁首尾对称配备起吊夹具，增加物料搬运数量。依托两对麦克纳姆轮实现前后左右平移和顺、逆时针旋转，提高小车灵活度。双升降横梁采用滑轮滑轨结构保证小车的实时稳定性，机械手内外装配舵机实现开闭和旋转。底盘车架装配超声波测距传感器，依据距离识别物料横竖摆放，循迹传感器配合黑色循迹带实现小车的精准定位和路线切换，结合Arduino主控板、闭环程序和电机驱动芯片实现物料的全自动搬运。

Description

一种全自动循迹起重搬运小车

南方磊 董青 沈舒杰 常熤彬 戚其松 赵科渊

技术领域

本发明属于起重机设备领域，具体涉及一种全自动循迹起重搬运小车。

背景技术

起重机在工业发展当中起到了举足轻重的作用，从大型机械的组装到小型货物的搬运各个方面都能看到起重机的身影，大型的起重机例如：桥式起重机、门式起重机、塔式起重机、流动式起重机、铁路起重机等等，为我国的冶金工业、造船业等各行各业提供了极大的便利，为我国工业发展做出了杰出的贡献。

近年来，随着物流行业的高速发展，在室内厂房或工厂园区等复杂的工作场所中，仓储物流运输车辆逐渐向着小型化，轻量化的方向发展，对起重机运动灵活轻巧提出了较高的要求。综合考虑以上原因，本次发明以轻便、自动、灵活为特点，同时结合了起重机的搬运能力，设计了这款轻型全自动搬运循迹小车，在降低人力成本，提升工作效率方面有着显著作用，可以大大缓解工厂仓储压力。

发明内容

发明目的：

本发明公开一种全自动循迹起重搬运小车，旨在解决有限空间内物料的全自动搬运问题，实现起重小车的灵活、高效、全自动物料搬运功能。

实现技术方案：

为实现起重小车在有限空间内运动的灵活性，整体车身进行小型化处理。一、在车架结构上采用欧标2020和2040轻型铝型材搭建，利用角码实现型材连接。具体连接方式为：小车底盘前后车架采用2020欧标铝材，左右端采用质量较轻但承载能力较强的2040欧标铝材并且在末端对称打孔，以螺栓螺母机械装配方式连接电机支架，为底盘电机的装配和麦克纳姆轮的装配提供机械结构支撑；所述底板以横平竖直和中心对称排布方式排列安装，采用轻型角码加以固定，为起重小车的升降机构提供受力支撑。二、升降机构由电动推杆、双承载升降横梁和“U”型升降杆连接件组成。其中电动推杆所占空间小、质量较轻、可靠性高、控制简单且具备自锁功能，符合小型化设计理念；双承载升降横梁前后对称装配四个滑轮组，滑轮组分别与四根导轨配合，以抵消加载重物时双承载升降横梁所产生的弯矩，保证整体结构的稳定性。三、夹具机构一方面采用强度较高的轻型铝合金作为机械抓手自身材质，另一方面机械爪内部设计成齿牙状结构增加与重物之间的摩擦力，防止重物在搬运过程中受震滑落，抓取性能得到大幅提升。

其中，在夹取和升降结构上，两只机械手对称固定于双承载升降横梁的首尾末端，夹取首个重物后车身旋转180度进行下一个物料的抓取，配合双承载梁的升降可实现物料的夹取、搬运、和垛叠卸载。增加了单次搬运物料的携带数量，搬运效率翻倍，空间利用率提高。

在搬运小车的控制方面，依托红外循迹传感器和黑色循迹带实现小车闭环路径中关键位置点的精确定位，根据超声波测距传感器采集的距离信息(横大竖小)判断物料的横竖摆放，最后借助Arduino Mega 2560 R3和单片机扩展板，基于C++编程语言上传主程序，将采集信息进行判断，进而发出PWM信号控制小车的运动、机械手的开闭和旋转、推杆的升降。

具体实施方式：

为展示实际工况中存在的避障问题，规定小车每次搬运物料均需穿过由障碍物(47)和障碍物(46)形成的中间区域通道。规定为1号循迹传感器所在位置为车头方向。

路径一：右移。依据实际物料搬运工况编写闭环路径程序并封装，待主控上的HC-12通信模块接收到开始信号后，主控板内闭环路径程序调用底盘电机转速转向封装程序，起重小车开始向右平移，平移至循迹带(35)，2号循迹传感器(31)输出数字“1”，主控接收并延时使小车停止一秒后再次调用底盘电机转速转向封装程序，使行走路径切换为前进。以下路径切换同理。

路径二：前进。小车由路径一终止位置前进至循迹带(36)，1号循迹传感器(8)输出数字“1”，主程序调用上端超声波测距封装程序，根据距离(横大竖小)判定物料的横竖摆放并调用舵机旋转角度封装程序和升降电机转速转向封装程序进行物料的抓取和抬升，后旋转180度调用下端超声波测距封装程序完成车尾机械爪的抓取和抬升，此时车头车尾位置发生置换。

路径三：前进和右移。主程序给定固定数量PWM信号使小车前进一段距离后切换右移动作，移至循迹带(37)，3号循迹传感器(32)输出数字“1”，小车停止延时一秒。

路径四：前进。主控接收3号循迹传感器输出的数字“1”后调用底盘电机转速转向封装程序向前移动至循迹带(38)，4号循迹传感器(33)输出数字“1”，小车停止并延时一秒。

路径五：左移。主控接收4号循迹传感器输出的数字“1”，主程序发送一定数量PWM方波脉冲使得小车左移至场地边沿。

路径六：前进。到达场地边沿后，调用底盘电机转速转向封装程序向前移动至循迹带(39)，1号循迹传感器输出数字“1”，小车停止延时一秒。

路径七：右移。主控接收1号循迹传感器输出的数字“1”，调用底盘电机转速转向封装程序向前移动至循迹带(40)，5号循迹传感器(34)输出的数字“1”，小车停止并延时一秒。

路径八：前进。主控接收5号循迹传感器输出的数字“1”，调用底盘电机转速转向封装程序向前移动至循迹带(43)，1号循迹传感器输出的数字“1”，小车停止并延时一秒后，调用舵机旋转角度封装程序和升降电机转速转向封装程序卸载物料，卸载后调用底盘电机转速转向封装程序顺时针旋转180度同理进行物料垛叠。此时车头车尾再次发生置换。

路径九：前进。物料卸载完成后主程序发送一定数量PWM方波脉冲使得小车前进至小车尾部与循迹带(39)共线位置。小车停止并延时一秒。

路径十：右移。前进完成后主程序发送一定数量PWM方波脉冲使得小车右移至场地边沿。

路径十一：前进。到达场地边沿后，调用底盘电机转速转向封装程序向前移动至循迹带(50)，1号循迹传感器输出数字“1”，小车停止延时一秒。

路径十二：左移。主控接收1号循迹传感器输出的数字“1”，调用底盘电机转速转向封装程序向左移动至循迹带(35)，2号循迹传感器输出的数字“1”，小车停止并延时一秒。至此小车位置与路径二初始位置一致，开始下一轮物料搬运。

第二轮和第三轮物料搬运同上，采用给定的脉冲数量控制小车可跨越一轮循迹路线循迹带对二轮和三轮循迹定位的干扰，给定的脉冲数量和循迹传感器联合控制小车的运动状态即可完成所有搬运任务。闭环程序使用变量i加以区分搬运循环，初始值i＝1，小车进行第一轮起重搬运，每完成一个搬运循环后变量自增1，直至完成所有搬运任务。

第二、三轮搬运启用超声波测距如发现距离较大说明此位置没有物料，主控直接调用底盘电机转速转向封装程序使小车向左平移，以此类推对取物区逐个进行超声扫描，距离数据一旦符合给定范围，重复路径二至路径十二，此时小车起吊和堆放位置发生改变，二轮搬运小车由循迹带(36)左移至循迹带(48)，此时i＝2，路径七和路径八分别定位至循迹带(41)和循迹带(44)，其它路径与第一轮搬运保持一致。第三轮搬运小车由循迹带(36)左移至循迹带(49)，此时i＝3，路径七和路径八分别定位至循迹带(42)和循迹带(45)，其它路径与第一轮搬运保持一致。即可完成所有搬运任务。

附图说明

图1为控制系统。

图2为控制系统实例。

图3为控制系统实例软件和硬件协同工作流程图。

图4为全自动循迹起重搬运小车轴侧图。

图5为全自动循迹起重搬运小车主视图。

图6为全自动循迹起重搬运小车左视图。

图7为全自动循迹起重搬运小车俯视图。

图8为全自动循迹起重搬运小车仰视图。

图9为全自动循迹起重搬运小车搬运路径图。

Claims (8)

1.一种全自动循迹起重搬运小车，其包括车架系统、全自动行走系统、升降系统、夹具系统、控制系统和无线通讯系统。

2.根据权利要求1所述的一种全自动循迹起重搬运小车，其特征在于：所述车架系统包括小车底部前后车架(1)、左右车架(2)、前后左右车架共同组成矩形底盘；对称安装与矩形底盘中心的型铝底板(17)、架设于前后车架的左右两组升降导轨(11)、矩形车顶架(21)、车顶架支梁(25)。

3.根据权利要求1所述的一种全自动循迹起重搬运小车，其特征在于：所述全自动行走系统包括两对麦克纳姆轮(6)、42行星轮减速步进电机(9)、电机支架(10)；电机支架对称固定于底盘左右车架(2)末端两侧，42行星轮减速步进电机分为X步进电机(27)、Y步进电机(28)、Z步进电机(29)、A步进电机(30)且固定于电机支架、两对麦克纳姆轮固定于42行星轮减速步进电机输出轴。与四个麦轮相连接的42步进行星减速电机由A4988芯片驱动，主控板按控制逻辑切换芯片Dir引脚的高低电平，规定HIGH电平为正转，LOW电平为反转，搭配麦克纳姆轮实现小车的前后左右平移和顺逆时针旋转，控制逻辑如下：

4.根据权利要求1所述的一种全自动循迹起重搬运小车，其特征在于：所述升降系统安装于型铝底板(17)，包括电动推杆、承载横梁、支撑组件和连接组件。规定HIGH电平为起升方向，LOW电平为下降方向，升降电机控制逻辑如下：

上升 下降 Dir HIGH LOW Step x y

表中x、y为程序设定的脉冲数量，脉冲数量越多，升降幅度越大，通过插值算法计算可使升降杆上升或下降固定距离。

5.根据权利要求1所述的一种全自动循迹起重搬运小车，其特征在于：所述电动推杆包括推杆基座(5)、升降电机(3)、升降杆(18)；所述承载横梁包括双承载升降横梁(16)；所述支撑组件包括固定角码(4)、升降导轨(11)、滑轮组(20)固定于双升降横梁并与导轨接触配合，使双升降横梁依靠滑轮导轨相对运动方向上升或下降；所述连接组件包括“U”型升降杆连接件(19)，其连接双升降横梁与升降杆，升降驱动电机驱动升降杆向双升降横梁传递动力。

6.根据权利要求1所述的一种全自动循迹起重搬运小车，其特征在于：所述夹具系统对称装配于双承载升降横梁(16)的末端两侧，包括机械手、舵机和舵机板(15)。所述机械手包括左机械爪(13)、右机械爪(12)、机械爪基座(14)。所述舵机包括夹取舵机(23)和旋转舵机(22)，夹取舵机固定于机械爪基座内部，其输出轴固定装配于右爪上端部齿轮中心，由齿轮啮合机构和夹取舵机提供的扭矩分别驱动左右机械爪完成夹取动作；旋转舵机固定装配于矩形舵机板几何中心且输出轴与机械爪基座上端几何中心连接，其输出扭矩驱动机械手完成旋转动作。所述舵机板将机械手、舵机和双承载升降横梁连接成为一体。主控中主程序引入Servo函数库并调用write()函数，括号中直接写入舵机的转角数值，实现机械手的固定角度开合和固定角度旋转。

7.根据权利要求1所述的一种全自动循迹起重搬运小车，其特征在于：所述控制系统包括红外循迹模块、超声波测距模块、步进电机驱动模块、主控制板模块、无线通讯模块。所述红外循迹模块包括红外循迹传感器和循迹传感支架(24)，红外循迹传感器实时检测地面是否存在黑色循迹带。所述超声波测距模块包括超声波测距传感器(7)和超声波传感器安装板(26)，上下两端超声传感分别反馈一、二层物料与小车的距离，通过距离大小判断小车前方是否存在物料以及物料的横竖摆放。所述步进电机驱动模块包括A4988驱动芯片和芯片安装板。所述主控制板模块包括闭环物料搬运主程序、闭环路径封装程序、循迹传感数据封装程序、超声波测距封装程序、底盘电机转速转向封装程序、舵机旋转角度封装程序、升降电机转速转向封装程序。

8.根据权利要求1所述的一种全自动循迹起重搬运小车，其特征在于：所述无线通讯系统包括两个HC-12无线串口通信模块和一个HC-T通讯模块安装架，其中一个HC-12无线串口通信模块的RXD和TXD引脚分别与主控的TX0和RX0对应连接，另一个通过HC-T通讯模块安装架转为USB接口连接到数据显示设备串口。

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