電力庫房智能搬運機器人系統(tǒng)技術(shù)研究技術(shù)報告

賈京山

1.系統(tǒng)設(shè)計功能

能夠建立電力庫房內(nèi)設(shè)計智能搬運機器人進行自主搬取物品，如：絕緣繩、絕緣墊、絕緣毯、絕緣衣褲、絕緣手套、安全帽、絕緣桿、金屬件等。

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)如下設(shè)計目標：

（1）機器人能夠接收已有的上位機軟件搬取物品的指令進行準確響應(yīng)和搬運。

（2）通過無線傳輸控制指令對機器人進行控制和數(shù)據(jù)傳輸。

（3）機器人能夠在導(dǎo)航系統(tǒng)的指引下自主行走。

（4）機器人能夠自主識別上位機軟件指令所指的搬運物品；并將物品順利的搬運到指定的庫房目的地。

（5）機器人通過充電電池供電，持續(xù)工作時間6小時。

（6）機器人具有自主爬坡能力和跨越臺階能力，爬坡角度不小于15度。

（7）機器人具有語音播報能力和故障報警能力。

（8）機器人能夠平穩(wěn)運行，對每一種物品進行單個存取。

（9）機器人具有適應(yīng)多種物品不同形狀、尺寸、重量的手爪抓取能力。

（10）機器人有較好的操控性，體積重量適應(yīng)現(xiàn)有庫房的空間要求。

2.系統(tǒng)整體設(shè)計描述

2.1庫房改造部分

庫房的內(nèi)部布局和貨架位置及物品工用具的具體擺放模式是整個機器人開發(fā)的重要組成部分，只有將合理的布局和物品擺放模式，將物品歸類，才能夠?qū)崿F(xiàn)機器人手爪的正確準確抓取識別和搬運，才能更方便導(dǎo)航和機器人避障，同時通過具體工用具（絕緣墊、絕緣毯、絕緣衣、絕緣手套、安全帽、絕緣桿、金屬件等）歸類和測量給出機械手爪的具體設(shè)計參數(shù)依據(jù)，系統(tǒng)庫房物品擺放分布圖如下：

2.2機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計部分

由于機器人主要用于室內(nèi)環(huán)境，所以工作環(huán)境對自主移動平臺的驅(qū)動機構(gòu)影響不大，工作環(huán)境主要影響自主移動平臺的自動導(dǎo)引裝置。機器人根據(jù)具體庫房的臺階實現(xiàn)爬坡功能，同時保證爬坡的平穩(wěn)性，以及手爪抓持物品工用具的牢固性。主要包括以下幾部分：

2.2.1機器人運動車體結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)

（圖片僅供參考）

機器人車體是整個搬運工作的載體，必須保證車體的動力、平穩(wěn)、爬坡和相關(guān)運行的手爪負載能力，即保證不同電力工用具的有效成功抓取和有效運載。由于庫房的基本布局已定，需要車體有一定的爬坡能力，尤其是較重的工用具的成功搬運能力。車體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括：

*鏈條結(jié)構(gòu)車底盤設(shè)計。

*車體三連桿機架設(shè)計。

*差動動力系統(tǒng)設(shè)計。

*車體電機載荷設(shè)計。

2.2.2機器人多自由度機械手爪設(shè)計實現(xiàn)

機械手爪是整個電力庫房智能搬運機器人的關(guān)鍵組成部分之一，只有有效的多自由度手爪才能實現(xiàn)抓取物品工用具的成功搬運。而整個機器人的手爪設(shè)計要根據(jù)庫房內(nèi)工用具物品的種類、外形形狀、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、重量參數(shù)和擺放貨架的層數(shù)及歸類情況來設(shè)計實現(xiàn)，要保證手爪能夠適應(yīng)大多數(shù)種類的物品工用具，主要包括以下幾部分內(nèi)容：

*多自由度手爪機構(gòu)選擇。

*手爪與車體交接口設(shè)計。

*手爪外形設(shè)計。

*手爪夾持力設(shè)計計算。

*手爪防滑設(shè)計。

*手爪多自由度運動空間尺寸設(shè)計計算。

*手爪各自由度運動載荷計算。

2.2.3機器人爬坡結(jié)構(gòu)動力設(shè)計實現(xiàn)

由于機器人的工作環(huán)境中有臺階，經(jīng)過改造后要求機器人車體要具備一定的爬坡能力，這里爬坡過程中不僅能保證機器人車體能夠帶載爬坡，具有足夠的爬坡動力，同時能夠保證機器人車體的坡底和坡頂不卡死和不側(cè)仰。主要包括以下幾部分：

*三連桿活動支架設(shè)計。

*爬坡車體動力測算。

*爬坡電機動力測算。 （下轉(zhuǎn)第236頁）

（上接第225頁）*坡頂坡底的動力學(xué)模擬計算。

2.2.4機器人車體平衡設(shè)計平穩(wěn)運行設(shè)計實現(xiàn)

整個機器人在搬運過程中無論帶載還是空載，都能保證機器人平穩(wěn)運行，平穩(wěn)運行是機器人搬運過程中的重要一環(huán)，由于庫房內(nèi)部的構(gòu)造和貨架的高度，導(dǎo)致了機器人手爪和車體的異型構(gòu)造，也為機器人的平穩(wěn)性帶來困難，具體要解決以下幾部分問題：

*手爪、車體、抓取物的動態(tài)穩(wěn)定性分析。

*載荷重量結(jié)構(gòu)尺寸分析。

*手爪車體外形平穩(wěn)性分析。

2.3控制系統(tǒng)設(shè)計部分

整個機器人的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，包括整個控制算法的設(shè)計實現(xiàn)，其中的多電機多傳感器系統(tǒng)，以及機器人的自主導(dǎo)航實現(xiàn)算法，物品工用具的識別及準確抓取方法，均要求有較為系統(tǒng)的控制方案，主要包括以下幾部分：

*多電機傳感器控制算法設(shè)計實現(xiàn)。

*物品的識別與準確抓取設(shè)計實現(xiàn)。

*控制導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)。

*無線系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)。

2.4上位機軟件接口設(shè)計實現(xiàn)

由于機器人需要與上位機軟件進行接口，通過上位機軟件控制指令，通過無線傳輸通路發(fā)送給機器人實現(xiàn)物品工用具的抓取，因此，需要已經(jīng)開發(fā)的上位機軟件預(yù)留接口，實現(xiàn)與機器人的無縫銜接，從而保證控制指令的準確發(fā)送，主要包括以下幾部分：

*軟件協(xié)議對接。

*上位機軟件與無線接口對接。

*上位機軟件物品分類與機器人內(nèi)部分類的對接。

3.系統(tǒng)各項技術(shù)指標

3.1時間響應(yīng)指標

搬運響應(yīng)時間：小于150s。

3.2抓持物品重量

抓持物品重量：≤3kg。

3.3可靠性指標

現(xiàn)有庫房物品工用具搬運率不小于80%。

機器人出錯概率不大于10%。

3.4工作環(huán)境

電力庫房現(xiàn)有工作環(huán)境。

溫度：0-45℃。

相對濕度：5%-95%（不凝結(jié)）。

周圍無爆炸危險，無腐蝕性氣體及導(dǎo)電塵埃，無嚴重霉菌，無劇烈振動沖擊源。

4.成果應(yīng)用情況及效果，推廣應(yīng)用措施和前景

機器人的發(fā)展已經(jīng)從工業(yè)機器人向智能機器人方向發(fā)展，為了滿足機器人在國民經(jīng)濟發(fā)展和人們生產(chǎn)生活的需要，本項目的順利實施將能夠創(chuàng)造較大經(jīng)濟效益同時為國民經(jīng)濟做出一定貢獻。 [科]