CN209380725U - 一种可智能定轨避障的扫码物流机器人 - Google Patents

Abstract

一种可智能定轨避障的扫码物流机器人，包括底板、四个车轮、弧形载物台、物料杯、用于循迹的灰度传感器、用于避障的超声波传感器、用于识别物料上的条形码的扫码枪、用于取放物料的机械手、控制模块和用于整个机器人供电的锂电池，所述机械手可转动的安装在底板的右侧上，所述扫码枪安装在机械手上，所述弧形载物台围绕机械手展开且通过螺柱安装在底板上，所述物料杯设置有多个且等圆弧布置在弧形载物台上，所述控制模块位于弧形载物台的下方通过二层模块固定台安装在底板的左侧上。本实用新型提供了一种可智能定轨避障的扫码物流机器人，能够完成对物料的扫码识别、搬运以及码垛，可以很大程度上取代人工进行货物的搬运、分拣等工作。

Description

一种可智能定轨避障的扫码物流机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种可智能定轨避障的扫码物流机器人。

背景技术

随着工业4.0时代的到来，智能化工业工厂和快递包装业快速发展，智能物流小车的应用越来越广泛。智能物流小车能够实现货物运输过程的自动化和高效率优化管理，提高物流行业的服务水平，降低成本，减少自然资源和社会资源消耗。同时，智能物流小车结合物联网，能够更好更快地实现智能物流的信息化、智能化、自动化和透明化。

在电商快速发展的背景下，快递行业各代理点出现了快递件量大、用人成本提高、收件人需要排长队取件等问题。因此对现有物流业，尤其是内部运输智能化的要求日益提高，自动引导运输车(AGV)也得到了越来越广范的应用。因此设计具有自动化程度高、动作灵活和运行稳定等特点的智能物流小车具有较高的研究价值。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本实用新型提供了一种可智能定轨避障的扫码物流机器人，具备智能循迹、避障、扫码等车间作业功能，能够完成对物料的扫码识别、搬运以及码垛，可以很大程度上取代人工进行货物的搬运、分拣等工作。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可智能定轨避障的扫码物流机器人，包括底板、四个车轮、弧形载物台、用于收集物料的物料杯、用于循迹的灰度传感器、用于避障的超声波传感器、用于识别物料上的条形码的扫码枪、用于取放物料的机械手、控制模块和用于整个机器人供电的锂电池，所述四个车轮安装在底板的底部上，每个车轮通过一个直流电机驱动，直流电机也安装在底板上，所述灰度传感器安装在底板的底部上，所述超声波传感器安装在底板的前端上；所述机械手可转动的安装在底板的右侧上，所述扫码枪安装在机械手上，所述弧形载物台围绕机械手展开且通过螺柱安装在底板上，所述物料杯设置有多个且等圆弧布置在弧形载物台上，所述控制模块位于弧形载物台的下方通过二层模块固定台安装在底板的左侧上，在底板的前侧下方及右侧下方分别设有一个遮光板，所述机械手为六自由度机械手；

所述物料杯包括U型杯座和杯口弧形坡，所述U型杯座的开口朝向机械手且U型杯座的开口向外展开呈广口状，所述杯口弧形坡远离机械手的一端位于U型杯座的开口外展处，同时杯口弧形坡的弧形面朝向U型杯座的开口布置，当机械手把物料放在杯口弧形坡上时，物料就会滑入U型杯座中，从而将物料卡牢；

所述控制模块包括主控制器、升压模块、降压模块、两个电机驱动和开关，锂电池分别与升压模块和降压模块连接，所述降压模块分别与主控制器、舵机控制板连接，所述升压模块分别与两个电机驱动连接，所述灰度传感器、超声波传感器、开关分别与主控制器连接，所述主控制器分别与两个电机驱动连接，每个电机驱动分别与两个直流电机连接。

进一步，所述机械手包括机械臂和机械爪，机械臂的下端通过转盘结构可转动的安装在底板上，所述机械臂包括一级臂、一级舵机、二级臂、二级舵机、三级舵机和四级舵机，所述转盘结构包括转盘和转盘舵机，所述一级舵机安装在转盘上且与一级臂的下端连接，所述一级臂与二级臂之间安装有二级舵机，所述三级舵机通过三级舵机支架安装在二级臂的上端，所述四级舵机通过四级舵机支架与三级舵机连接，所述机械爪包括两片手爪、两个机械手臂和手爪支架，所述手爪安装在机械手臂上，手爪支架上安装有用于两片手爪开合的机械爪舵机，所述机械手臂通过齿轮支臂与机械爪舵机连接，所述扫码枪安装在机械爪舵机上，所述四级舵机的舵盘与手爪支架连接；

所述控制模块还包括舵机控制板，所述一级舵机、二级舵机、三级舵机、四级舵机、机械爪舵机、转盘舵机均与舵机控制板连接，所述舵机控制板分别与主控制器、降压模块连接。

再进一步，所述物料杯设置有六个，位于弧形载物台后侧的三个物料杯的大小一样，位于弧形载物台前侧的三个物料杯大小一样，位于弧形载物台前侧的三个物料杯的杯口弧形坡径向长度小于位于弧形载物台后侧的三个物料杯的杯口弧形坡径向长度。

本实用新型的有益效果主要表现在：

1)扫码识别具有判断简单，响应快，操作方便，不占用物流小车空间的优点；同时因为识别灵敏，调用机械臂动作也非常准确；

2)物料杯装于弧形载物台上，物料杯大小适中，稳定牢靠，方便物料的运载；

3)采用六自由度一体化机械臂，机械臂动作范围广，方便物料的抓取与码垛；同时舵机采用金属数字舵机，角度控制稳定，机械臂动作准确。

4)车身加装了超声波传感器，检测前方障碍物准确，避障性能优越，增强了机器人对场地的适应性，应降低了物料搬运的风险性。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理图。

图2是本实用新型的电路图。

图3是本实用新型主视图。

图4是本实用新型的侧视图。

图5是本实用新型的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图5，一种可智能定轨避障的扫码物流机器人，包括底板10、四个车轮14、弧形载物台25、用于收集物料的物料杯2、用于循迹的灰度传感器、用于避障的超声波传感器27、用于识别物料上的条形码的扫码枪23、用于取放物料的机械手、控制模块和用于整个机器人供电的锂电池，所述四个车轮14安装在底板10的底部上，每个车轮通过一个直流电机29驱动，直流电机29通过电机支架15也安装在底板10上，所述灰度传感器安装在底板10的底部上，所述超声波传感器27安装在底板10的前端上；所述机械手可转动的安装在底板10的右侧上，所述扫码枪23安装在机械手上，所述弧形载物台25围绕机械手展开且通过螺柱26安装在底板10上，所述物料杯2设置有多个且等圆弧布置在弧形载物台25上，所述控制模块位于弧形载物台25的下方通过二层模块固定台安装在底板10的左侧上，在底板10的前侧下方及右侧下方分别设有一个遮光板，所述机械手为六自由度机械手；

所述物料杯2包括U型杯座和杯口弧形坡，所述U型杯座的开口朝向机械手且U型杯座的开口向外展开呈广口状，所述杯口弧形坡远离机械手的一端位于U型杯座的开口外展处，同时杯口弧形坡的弧形面朝向U型杯座的开口布置，在杯口弧形坡的顶端设有用于防止运行中物料掉落的挡板；当机械手把物料放在杯口弧形坡上时，物料就会滑入U型杯座中，从而将物料卡牢,即防止物料掉落；

所述控制模块包括主控制器6、升压模块5、降压模块7、两个电机驱动4和开关8，锂电池分别与升压模块5和降压模块连接7，所述降压模块7分别与主控制器6、舵机控制板11连接，所述升压模块5分别与两个电机驱动4连接，所述灰度传感器、超声波传感器27、开关8分别与主控制器6连接，所述主控制器6分别与两个电机驱动4连接，每个电机驱动4分别与两个直流电机29连接。

进一步，所述机械手包括机械臂和机械爪，机械臂的下端通过转盘结构19可转动的安装在底板10上，所述机械臂包括一级臂21、一级舵机33、二级臂、二级舵机37、三级舵机和四级舵机24，所述转盘结构19包括转盘和转盘舵机18，所述一级舵机33安装在转盘上且与一级臂21的下端连接，所述一级臂21与二级臂之间安装有二级舵机37，所述三级舵机通过三级舵机支架安装在二级臂的上端，所述四级舵机24通过四级舵机支架与三级舵机连接，所述机械爪包括两片手爪13、两个机械手臂12和手爪支架1，所述手爪13安装在机械手臂12上，手爪支架1上安装有用于两片手爪开合的机械爪舵机22，所述机械手臂12通过齿轮支臂36与机械爪舵机22连接，所述扫码枪23安装在机械爪舵机22上，所述四级舵机的舵盘与手爪支架1连接；

所述控制模块还包括舵机控制板11，所述一级舵机33、二级舵机37、三级舵机、四级舵机24、机械爪舵机22、转盘舵机18均与舵机控制板11连接，所述舵机控制板11分别与主控制器6、降压模块7连接。再进一步，所述物料杯2设置有六个，位于弧形载物台后侧的三个物料杯的大小一样，位于弧形载物台前侧的三个物料杯大小一样，位于弧形载物台前侧的三个物料杯的杯口弧形坡径向长度小于位于弧形载物台后侧的三个物料杯的杯口弧形坡径向长度。

本实施例中，所采用的六自由度机械手可靠性强，抓取动作简单，动作迅速。物料杯2利用3D打印技术设计，易于物料的放置和抓取。机械爪采用金属机械爪，结构简单，抓取可靠，爪子内侧附有海绵垫，增强了爪子的抓取能力，也不容易损坏抓取的物料。此外，机器人使用灰度传感器和超声波传感器实现循迹、定点、避障的功能。期间在抓取之前，利用扫码枪对物料的条形码进行识别，判断所要搬运的物块。

主控制器选用Arduino uno板，编程简洁，性能优良，容易操作。电机选用直流减速电机，扭矩大，易控制。电机驱动采用BTN，可承受大电流大电压，并且PWM波输出稳定，易于小车的循迹行进。升压模块选用12-30V升压，具有过流保护装置，能承受较大电流。降压模块选用LM2596，占地小，便于电压的调节，用于给主控制器供电。机械臂采用六自由度一体化机械臂，配有舵机控制板，附带上位机操作，编程动作简单，动作准确度高。电池采用2S7.4V锂电池，容量大并且供电稳定，为整个小车提供动力。避障功能运用HC-SR04超声波模块，检测准确。由主控制器采集灰度信号，控制电机驱动输出PWM波控制电机完成循迹程序，舵机控制板控制一体化机械臂动作抓取和放入物料，超声波传感器完成避障功能。

如图1所示，8.4V锂电池升压至12V给电机驱动BTN供电，主控制器输出PWM波给BTN控制电机。主控制器采集7个灰度传感器信号作为识别黑色引导线的信号。主控制器发送PWM电平给超声波传感器，超声波传感器检测前方障碍物距离，当检测到障碍物距离小车只有30cm时，小车开启避障程序。8.4V锂电池降压至5V给主控制器和舵机控制板供电。主控制器通过串口通信和舵机控制板做通信，完成机械臂动作的调用。舵机控制板上连接六个舵机，调用动作组后舵机控制板控制舵机连动抓取和放入物料。

如图2所示，电路原理连接图中七个灰度各有SIG、VCC、GND三个接线端口，灰度1的SIG连接到单片机的9口，灰度2的SIG连接到单片机的3口，灰度3的SIG连接到单片机的4口，灰度4的SIG连接到单片机的5口，灰度5的SIG连接到单片机的6口，灰度6的SIG连接到单片机的7口，灰度7的SIG连接到单片机的8口。超声波传感器4个端口分别为5V、GND、Echo、Tric。Echo和Tric口与单片机的25、26口连接。舵机控制板通过串口与主控制器通信。舵机控制板串口端TX接单片机RX口，RX接单片机TX口。两个BTN电机驱动的四个IO连接到主控制器Arduino。BTN1的1、2脚连接单片机的10、11脚。BTN2的1、2脚连接到单片机的12、13脚。

如图3、图4、图5所示，可智能定轨避障的物料搬运机器人装配图包括机械臂部分、电路部分以及物料杯部分。3为舵机舵盘，20为舵机支架，车身长350，宽350，高345。通过主控制器发送PWM信号控制电机驱动，进而控制左右轮的前进后退。利用灰度传感器进行黑白线循迹，超声波传感器检测障碍物。物料杯完成对所抓取的六个物料的存放。

底板10通过四个电机支架15固定电机29，车边四个车轮14通过联轴器与电机29连接，底板上方通过M4铜柱连接二层模块固定台以及三层的弧形载物台25，同时固定转盘结构19，整车供电的8.4V锂电池也固定于底板10上。转盘结构19包括上下转盘和大轴承32，并通过螺柱17安装在底板10上，六自由度机械臂通过M3铜柱固定在转盘结构19上，一级臂21通过机械臂金属连接件与二级臂连接，三层的弧形载物台25围绕机械臂展开，方便机械臂摆动完成对物料的抓取和摆放，上方固定有六个物料杯，装置由向外展开的U型杯座和一个杯口弧形坡组成，坡最顶端设置有竖起的一个挡板，当机械臂把物料放在杯口弧形坡上时，物料就会滑入U型杯座中，从而将物料卡牢，并且在小车运动过程中，由于坡最顶端的挡板，物料并不会因为小车行进的惯性掉落。弧形载物台上有两种长度的物料杯，适合不同长度的物料收集，物料杯侧边共有四个孔位，用M3螺丝与弧形载物台25进行固定。二层模块固定台固定有主控制器6、升压模块5、降压模块7、开关8以及电机驱动4，底板下方的灰度线30和电机线通过底板槽连接到模块上。遮光板28、31防止光线对于循迹灰度的影响。机械臂前侧为舵机控制板11，舵机线通过塑线管包络。整车结构稳定，物料搬运可靠性高。

本实用新型由于弧形载物台25和物料杯2的设计，弧形载物台25正对机械臂展开，对于机械臂动作而言，只需调整转盘舵机的位置即可，方便机械臂整个动作的调试，也增加了机械臂存放物料的容错率。物料杯2充分考虑了机械臂舵机的虚位，让物料从杯口弧形坡上滑下，利于物料的准确收集。另外，通过将扫码枪23固定在机械爪舵机22上的方式，能够增加扫码枪的扫描范围，方便机械手对抓取物料的识别。

本实用新型的物料搬运过程包括如下步骤。

第一步，启动后，小车循迹至上料区，检测到侧边黑线后停下，定点后调取机械手扫码动作，扫码识别物料，判断出要抓的物料后调用机械手抓取与放入物料杯的动作组，重复定点，重复扫码识别并抓取物料。

第二步，扫码物流机器人抓取完物块后，行进至障碍区，小车正前方的超声波传感器检测挡板，当检测到挡板与小车距离小于30cm时，小车开始左转避障，越过障碍物后继续回到黑线上进行循迹。

第三步，机器人越障完成后行进至下料区，调取货柜扫码动作判断是否是要将物料对应放入的货柜，识别完成后调用机械臂抓取物料动作组和放进货柜动作组，机器人完成物料的码垛。重复定点完成对货柜的条码识别以及物料的放入。

第四步，小车完成下料后继续循迹至终点线，机械手复位，程序结束。

本实用新型所述的物料搬运机器人，能够实现自主行走、避障、扫码识别、机械臂抓取、物料码垛的功能，整个循迹和搬运物料的过程顺畅，能够有效避开障碍物，搬运六个物料块，而且整车供电稳定，结构严谨，控制简易。

Claims (3)

1.一种可智能定轨避障的扫码物流机器人，其特征在于：包括底板、四个车轮、弧形载物台、用于收集物料的物料杯、用于循迹的灰度传感器、用于避障的超声波传感器、用于识别物料上的条形码的扫码枪、用于取放物料的机械手、控制模块和用于整个机器人供电的锂电池，所述四个车轮安装在底板的底部上，每个车轮通过一个直流电机驱动，直流电机也安装在底板上，所述灰度传感器安装在底板的底部上，所述超声波传感器安装在底板的前端上；所述机械手可转动的安装在底板的右侧上，所述扫码枪安装在机械手上，所述弧形载物台围绕机械手展开且通过螺柱安装在底板上，所述物料杯设置有多个且等圆弧布置在弧形载物台上，所述控制模块位于弧形载物台的下方通过二层模块固定台安装在底板的左侧上，在底板的前侧下方及右侧下方分别设有一个遮光板，所述机械手为六自由度机械手；

所述物料杯包括U型杯座和杯口弧形坡，所述U型杯座的开口朝向机械手且U型杯座的开口向外展开呈广口状，所述杯口弧形坡远离机械手的一端位于U型杯座的开口外展处，同时杯口弧形坡的弧形面朝向U型杯座的开口布置，当机械手把物料放在杯口弧形坡上时，物料就会滑入U型杯座中，从而将物料卡牢；

所述控制模块包括主控制器、升压模块、降压模块、两个电机驱动和开关，锂电池分别与升压模块和降压模块连接，所述降压模块与主控制器连接，所述升压模块分别与两个电机驱动连接，所述灰度传感器、超声波传感器、开关分别与主控制器连接，所述主控制器分别与两个电机驱动连接，每个电机驱动分别与两个直流电机连接。

2.如权利要求1所述的一种可智能定轨避障的扫码物流机器人，其特征在于：所述机械手包括机械臂和机械爪，机械臂的下端通过转盘结构可转动的安装在底板上，所述机械臂包括一级臂、一级舵机、二级臂、二级舵机、三级舵机和四级舵机，所述转盘结构包括转盘和转盘舵机，所述一级舵机安装在转盘上且与一级臂的下端连接，所述一级臂与二级臂之间安装有二级舵机，所述三级舵机通过三级舵机支架安装在二级臂的上端，所述四级舵机通过四级舵机支架与三级舵机连接，所述机械爪包括两片手爪、两个机械手臂和手爪支架，所述手爪安装在机械手臂上，手爪支架上安装有用于两片手爪开合的机械爪舵机，所述机械手臂通过齿轮支臂与机械爪舵机连接，所述扫码枪安装在机械爪舵机上，所述四级舵机的舵盘与手爪支架连接；

所述控制模块还包括舵机控制板，所述一级舵机、二级舵机、三级舵机、四级舵机、机械爪舵机、转盘舵机均与舵机控制板连接，所述舵机控制板分别与主控制器、降压模块连接。

3.如权利要求1或2所述的一种可智能定轨避障的扫码物流机器人，其特征在于：所述物料杯设置有六个，位于弧形载物台后侧的三个物料杯的大小一样，位于弧形载物台前侧的三个物料杯大小一样，位于弧形载物台前侧的三个物料杯的杯口弧形坡径向长度小于位于弧形载物台后侧的三个物料杯的杯口弧形坡径向长度。