电力库房智能搬运机器人系统技术研究技术报告
2014-01-13贾京山
贾京山
1.系统设计功能
能够建立电力库房内设计智能搬运机器人进行自主搬取物品，如：绝缘绳、绝缘垫、绝缘毯、绝缘衣裤、绝缘手套、安全帽、绝缘杆、金属件等。
系统能够实现如下设计目标：
（1）机器人能够接收已有的上位机软件搬取物品的指令进行准确响应和搬运。
（2）通过无线传输控制指令对机器人进行控制和数据传输。
（3）机器人能够在导航系统的指引下自主行走。
（4）机器人能够自主识别上位机软件指令所指的搬运物品；并将物品顺利的搬运到指定的库房目的地。
（5）机器人通过充电电池供电，持续工作时间6小时。
（6）机器人具有自主爬坡能力和跨越台阶能力，爬坡角度不小于15度。
（7）机器人具有语音播报能力和故障报警能力。
（8）机器人能够平稳运行，对每一种物品进行单个存取。
（9）机器人具有适应多种物品不同形状、尺寸、重量的手爪抓取能力。
（10）机器人有较好的操控性，体积重量适应现有库房的空间要求。
2.系统整体设计描述
2.1库房改造部分
库房的内部布局和货架位置及物品工用具的具体摆放模式是整个机器人开发的重要组成部分，只有将合理的布局和物品摆放模式，将物品归类，才能够实现机器人手爪的正确准确抓取识别和搬运，才能更方便导航和机器人避障，同时通过具体工用具（绝缘垫、绝缘毯、绝缘衣、绝缘手套、安全帽、绝缘杆、金属件等）归类和测量给出机械手爪的具体设计参数依据，系统库房物品摆放分布图如下：
2.2机器人结构设计部分
由于机器人主要用于室内环境，所以工作环境对自主移动平台的驱动机构影响不大，工作环境主要影响自主移动平台的自动导引装置。机器人根据具体库房的台阶实现爬坡功能，同时保证爬坡的平稳性，以及手爪抓持物品工用具的牢固性。主要包括以下几部分：
2.2.1机器人运动车体结构设计实现
（图片仅供参考）
机器人车体是整个搬运工作的载体，必须保证车体的动力、平稳、爬坡和相关运行的手爪负载能力，即保证不同电力工用具的有效成功抓取和有效运载。由于库房的基本布局已定，需要车体有一定的爬坡能力，尤其是较重的工用具的成功搬运能力。车体结构设计主要包括：
*链条结构车底盘设计。
*车体三连杆机架设计。
*差动动力系统设计。
*车体电机载荷设计。
2.2.2机器人多自由度机械手爪设计实现
机械手爪是整个电力库房智能搬运机器人的关键组成部分之一，只有有效的多自由度手爪才能实现抓取物品工用具的成功搬运。而整个机器人的手爪设计要根据库房内工用具物品的种类、外形形状、结构尺寸参数、重量参数和摆放货架的层数及归类情况来设计实现，要保证手爪能够适应大多数种类的物品工用具，主要包括以下几部分内容：
*多自由度手爪机构选择。
*手爪与车体交接口设计。
*手爪外形设计。
*手爪夹持力设计计算。
*手爪防滑设计。
*手爪多自由度运动空间尺寸设计计算。
*手爪各自由度运动载荷计算。
2.2.3机器人爬坡结构动力设计实现
由于机器人的工作环境中有台阶，经过改造后要求机器人车体要具备一定的爬坡能力，这里爬坡过程中不仅能保证机器人车体能够带载爬坡，具有足够的爬坡动力，同时能够保证机器人车体的坡底和坡顶不卡死和不侧仰。主要包括以下几部分：
*三连杆活动支架设计。
*爬坡车体动力测算。
*爬坡电机动力测算。 （下转第236页）
（上接第225页）*坡顶坡底的动力学模拟计算。
2.2.4机器人车体平衡设计平稳运行设计实现
整个机器人在搬运过程中无论带载还是空载，都能保证机器人平稳运行，平稳运行是机器人搬运过程中的重要一环，由于库房内部的构造和货架的高度，导致了机器人手爪和车体的异型构造，也为机器人的平稳性带来困难，具体要解决以下几部分问题：
*手爪、车体、抓取物的动态稳定性分析。
*载荷重量结构尺寸分析。
*手爪车体外形平稳性分析。
2.3控制系统设计部分
整个机器人的控制系统比较复杂，包括整个控制算法的设计实现，其中的多电机多传感器系统，以及机器人的自主导航实现算法，物品工用具的识别及准确抓取方法，均要求有较为系统的控制方案，主要包括以下几部分：
*多电机传感器控制算法设计实现。
*物品的识别与准确抓取设计实现。
*控制导航系统设计实现。
*无线系统设计实现。
2.4上位机软件接口设计实现
由于机器人需要与上位机软件进行接口，通过上位机软件控制指令，通过无线传输通路发送给机器人实现物品工用具的抓取，因此，需要已经开发的上位机软件预留接口，实现与机器人的无缝衔接，从而保证控制指令的准确发送，主要包括以下几部分：
*软件协议对接。
*上位机软件与无线接口对接。
*上位机软件物品分类与机器人内部分类的对接。
3.系统各项技术指标
3.1时间响应指标
搬运响应时间：小于150s。
3.2抓持物品重量
抓持物品重量：≤3kg。
3.3可靠性指标
现有库房物品工用具搬运率不小于80%。
机器人出错概率不大于10%。
3.4工作环境
电力库房现有工作环境。
温度：0-45℃。
相对湿度：5%-95%（不凝结）。
周围无爆炸危险，无腐蚀性气体及导电尘埃，无严重霉菌，无剧烈振动冲击源。
4.成果应用情况及效果，推广应用措施和前景
机器人的发展已经从工业机器人向智能机器人方向发展，为了满足机器人在国民经济发展和人们生产生活的需要，本项目的顺利实施将能够创造较大经济效益同时为国民经济做出一定贡献。 [科]
