一种基于气动抓取的物流小车及其运输方法与流程

本发明属于物流配送技术领域，具体涉及一种基于气动抓取的物流小车及其运输方法。

背景技术：

随着社会的进步，人们物质需求的提高，增大了物流行业、工厂企业物料运输的需求，几乎每天有大量的产品被投入到生活中使用，而仓库人手不够、大量的工作造成物料的取放错误已经影响到整个生产效率。这会导致车间的运营减慢，传统的人力搬运已经远远不能平衡生产供需关系的两级分化，需要外加或者改革搬运的流程，那将会大大缓解搬运人手资源紧缺的问题。

目前的物流机器人一般使用机械手爪来夹取物件，而机械手爪通常由金属制成，刚性大。当机械手爪夹取物件时，易对物件表面产生磨损。若为了不造成表面磨损而减小夹取力，又不能牢固地夹住物件，导致物件滑落。此外，机械手爪需要被抓取物体的两侧留有一定的空间才能正常使用，但在工厂中各个物件往往堆放在一起，这就导致机械手爪的应用场景受到了限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于气动抓取的物流小车及其运输方法。

本发明一种基于气动抓取的物流小车，包括车体、动力装置、取料机械臂、物料存放装置、外左循迹传感器、内左循迹传感器、内右循迹传感器、外右循迹传感器、真空发生器和控制器。所述的动力装置包括底盘、动力电机和车轮。四个车轮均支承在底盘上，且由四个动力电机分别驱动。外左循迹传感器、外右循迹传感器对中固定在底盘的头端。内左循迹传感器、内右循迹传感器对中固定在底盘的头端。外左循迹传感器、内左循迹传感器、内右循迹传感器、外右循迹传感器沿底盘的宽度方向排成一排。

所述的取料机械臂包括第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机、第五舵机、第六舵机、转盘、第一连接架、第二连接架、第三连接架、第四连接架、吸盘架和真空吸盘。转盘位于底盘的上方，且于底盘构成第一转动副。转盘由第一舵机驱动。所述第一连接架的一端与转盘构成第二转动副，另一端与第二连接架的一端构成第三转动副。第二连接架的另一端与第三连接架的一端构成第四转动副。第四连接架与第三连接架的另一端构成第五转动副。吸盘架的一端与第四连接架构成第六转动副。所述的第二转动副、第三转动副、第四转动副的公共轴线相互平行，且均垂直于第一转动副的公共轴线。第五转动副的公共轴线垂直于第四转动副的公共轴线。第六转动副的公共轴线垂直于第五转动副的公共轴线。第一连接架由第二舵机驱动。第二连接架由第三舵机驱动。第三连接架由第四舵机驱动。第四连接架由第五舵机驱动。吸盘架由第六舵机驱动。吸盘架的另一端固定有真空吸盘。真空吸盘的抽气口与真空发生器的进气口通过电磁换向阀连通。

所述的物料存放装置包括料斗、定板、夹板、压力传感器和装夹驱动组件。料斗的横截面呈u形。n块定板依次间隔固定在料斗上，n≥2。n块夹板均与料斗构成滑动副。n块定板、n块夹板依次交错排列。n个压力传感器分别安装在n块夹板上。压力传感器位于对应的夹板与定板之间。所述的装夹驱动组件包括装夹电机、联轴器、丝杠和连接杆。夹板的底部伸出料斗外。任意两块相邻夹板的底部均通过两根连接杆固连。装夹电机固定在料斗的一端。装夹电机的输出轴与丝杠的一端固定。最靠近装夹电机的那块夹板上固定有螺母。丝杠与螺母构成螺旋副。n块定板与n块夹板分别对应，形成n个装夹位。

进一步地，本发明一种基于气动抓取的物流小车还包括避障传感器。两个避障传感器与底盘的两端分别固定。所述的取料机械臂还包括扫码器。所述的扫码器固定在第四连接架上。扫码器采用型号为gm65的条码识读模块。

进一步地，本发明一种基于气动抓取的物流小车还包括控制器。两个循迹传感器的信号输出接口与控制器上的两个光电信号接收接口分别连接。避障传感器的信号输出接口与控制器上的避障信号接收接口连接。第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机、第五舵机、第六舵机的控制输入接口与控制器上的六个pwm输出接口分别连接。四个动力电机的供电接口与四个直流电机驱动器的控制输出接口分别连接。四个直流电机驱动器的控制输入接口与控制器的四个电机控制接口分别连接。装夹驱动组件内设置有装夹电机。装夹电机的控制接口与控制器通过电机驱动器连接。所述扫码器的信号输出接口与控制器上的条码信号接收接口。

进一步地，所述的控制器采用stm32f4系列的单片机。

进一步地，所述的避障传感器采用超声波测距传感器。所述的外左循迹传感器、内左循迹传感器、内右循迹传感器、外右循迹传感器的型号均为tcrt5000。

进一步地，所述的第一舵机固定在底盘上，且输出轴与转盘固定。第二舵机固定在转盘上，且输出轴与第一连接架固定。第三舵机固定在第二连接架上，且输出轴与第一连接架固定。第四舵机固定在第三连接架上，且输出轴与第二连接架固定。第五舵机固定在第三连接架上，且输出轴与第四连接架固定。第六舵机固定在第四连接架上，且输出轴与吸盘架的一端固定。

进一步地，所述的动力电机两两一组对中固定在底盘的两侧。四个动力电机的输出轴与四个车轮分别固定。

进一步地，所述的物料存放装置共有两个。两个物料存放装置分别位于底盘的两端。

基于气动抓取的物流小车的运输方法具体如下：

步骤一、布置行进轨道。行进轨道呈环形，分别经过仓库的卸货点和存放点。行进轨道的宽度大于两个第一循迹传感器的间距，且小于两个第二循迹传感器的间距。

步骤二、动力装置停止在卸货点。取料机械臂驱动真空吸盘移动至与被运输物品接触的状态；之后，真空发生器启动，使得真空吸盘吸住被运输物品。

步骤三、取料机械臂驱动真空吸盘移动，使得被真空吸盘吸住的被运输物品到达其中一个空置的装夹位内。之后，真空发生器关闭，使得真空吸盘与被运输物品分离。

步骤四、重复执行步骤二至三，直到卸货点处没有被运输物品，或者所有装夹位内均装有物品时，进入步骤五。

步骤五、两个装夹电机均正转，使得所有装夹位内的被运输物品均被夹住。

步骤六、动力装置沿着行进轨道行进。行进过程中，设定外左特征值x1、内左特征值x2、内右特征值x3和外右特征值x4；外左循迹传感器、内左循迹传感器、内右循迹传感器、外右循迹传感器均以100hz的频率对行进轨道进行检测。

每当外左循迹传感器、内左循迹传感器、内右循迹传感器、外右循迹传感器完成一次检测时，重新设定外左特征值x1、内左特征值x2、内右特征值x3、外右特征值x4，设定方法如下：

若外左循迹传感器在前十次检测中，若检测到行进轨道的次数大于或等于8，则控制器将外左特征值x1置为1；若检测到行进轨道的次数小于或等于2，则控制器将外左特征值x1置为0；若检测到行进轨道的次数大于2且小于8，则控制器不更改外左特征值x1。

若内左循迹传感器在前十次检测中，若检测到行进轨道的次数大于或等于8，则控制器将内左特征值x2置为1；若检测到行进轨道的次数小于或等于2，则控制器将内左特征值x2置为0；若检测到行进轨道的次数大于2且小于8，则控制器不更改内左特征值x2。

若内右循迹传感器在前十次检测中，若检测到行进轨道的次数大于或等于8，则控制器将内右特征值x3置为1；若检测到行进轨道的次数小于或等于2，则控制器将内右特征值x3置为0；若检测到行进轨道的次数大于2且小于8，则控制器不更改内右特征值x3。

若外右循迹传感器在前十次检测中，若检测到行进轨道的次数大于或等于8，则控制器将外右特征值x4置为1；若检测到行进轨道的次数小于或等于2，则控制器将外右特征值x4置为0；若检测到行进轨道的次数大于2且小于8，则控制器不更改外右特征值x4。

控制器根据外左特征值x1、内左特征值x2、内右特征值x3、外右特征值x4的取值，控制各动力电机的转速。

若x2＝1，x3＝1，x1＝0，x4＝0，则四个动力电机均以行进转速转动。

若x2＝1，x3＝0，x1＝0，x4＝0，则位于左侧的两个动力电机的转速调整至第一纠正转速。

若x2＝1，x3＝0，x1＝1，x4＝0，则位于左侧的两个动力电机的转速调整至第二纠正转速。

若x2＝0，x3＝0，x1＝1，x4＝0，则位于左侧的两个动力电机的转速调整至第三纠正转速。

若x2＝0，x3＝1，x1＝0，x4＝0，则位于右侧的两个动力电机的转速调整至第一纠正转速。

若x2＝0，x3＝1，x1＝0，x4＝1，则位于右侧的两个动力电机的转速调整至第二纠正转速。

若x2＝0，x3＝0，x1＝0，x4＝1，则位于右侧的两个动力电机的转速调整至第三纠正转速。

第三纠正转速<第二纠正转速<第一纠正转速<行进速度。

步骤七、到达存放点后，动力装置停止行进，两个装夹电机均反转，使得所有装夹位内的被运输物品均被松开。

步骤八、工作人员取出各装夹位内的被运输物品。动力装置沿着行进轨道向前行进，返回卸货点。

进一步地，所述行进轨道的顶面高于地面，且呈黑色。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明中的物料存放装置能够在运输中对不同尺寸的物品进行定位，进而能够保证被运输物品不会因路面颠簸而发生晃动、掉落和磕碰；进而保证了精密物品的可靠运输。

2、本发明中的真空吸盘能够可靠地抓取具有光滑平面的物品，且能够依次紧密排列在一起的多个物品，填补了机械手爪无法工作的抓取场景。

3、本发明中的真空吸盘为柔性材料，故抓取过程中不会伤害被运输物品的表面，保证了运输的安全可靠。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中取料机械臂的示意图；

图3为本发明中物料存放装置的第一张示意图；

图4为本发明中物料存放装置的第二张示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于气动抓取的物流小车，包括车体、动力装置、取料机械臂、物料存放装置、外左循迹传感器、内左循迹传感器、内右循迹传感器、外右循迹传感器、避障传感器、真空发生器和控制器。所述的控制器采用stm32f4系列的单片机。所述的避障传感器采用超声波测距传感器。动力装置包括底盘8、动力电机和车轮。四个动力电机两两一组对中固定在底盘8的两侧。四个动力电机的输出轴与四个车轮分别固定。底盘8的两端均固定有避障传感器。外左循迹传感器、外右循迹传感器对中固定在底盘8的头端。内左循迹传感器、内右循迹传感器对中固定在底盘8的头端。外左循迹传感器、内左循迹传感器、内右循迹传感器、外右循迹传感器沿底盘的宽度方向排成一排。外左循迹传感器、内左循迹传感器、内右循迹传感器、外右循迹传感器采用型号为tcrt5000的红外光电传感器。在底盘的尾端向头端的方向上，外左循迹传感器位于外右循迹传感器的左侧。

如图1和2所示，取料机械臂包括第一舵机16、第二舵机15、第三舵机14、第四舵机13、第五舵机12、第六舵机1、转盘、第一连接架3、第二连接架、第三连接架、第四连接架、吸盘架、真空吸盘2和扫码器。转盘位于底盘8的上方，且于底盘构成公共轴线竖直设置的第一转动副。第一舵机16固定在底盘上，且输出轴与转盘固定。第一连接架3的一端与转盘构成第二转动副，另一端与第二连接架的一端构成第三转动副。第二连接架的另一端与第三连接架的一端构成第四转动副。第二舵机15固定在转盘上，且输出轴与第一连接架3固定。第三舵机14固定在第二连接架上，且输出轴与第一连接架3固定。第四舵机13固定在第三连接架上，且输出轴与第二连接架固定。第五舵机12固定在第三连接架上，且输出轴与第四连接架固定。第六舵机1固定在第四连接架上，且输出轴与吸盘架的一端固定。吸盘架的另一端固定有真空吸盘2。真空吸盘2的中心轴线与第六舵机1的输出轴轴线重合。真空吸盘2的抽气口与真空发生器的进气口通过电磁换向阀连通。第二转动副、第三转动副、第四转动副的公共轴线相互平行，且均垂直于第一转动副的公共轴线。第五舵机12的输出轴轴线垂直于第四转动副的公共轴线。第六舵机1的输出轴轴线垂直于第五舵机12的输出轴轴线。第四连接架上固定有扫码器。扫码器用于对被运送物品上二维码或条形码进行识别，进而实现对被运送物品的识别。扫码器采用型号为gm65的条码识读模块。

如图1、3和4所示，物料存放装置包括料斗9、定板11、夹板10、压力传感器和装夹驱动组件。料斗9的横截面呈u形。竖直设置的三块定板11依次间隔固定在料斗9上。三块夹板10均与料斗9构成滑动副。三块定板11、三块夹板10依次交错排列(即任意两块相邻的定板11之间均有一块夹板10，任意两块相邻的夹板10之间均有一块定板11)。三个压力传感器分别安装在三块夹板上。压力传感器位于对应的夹板与定板11之间，用于判定是否夹住被运输物品。

装夹驱动组件包括装夹电机7、联轴器4、丝杠5和连接杆6。夹板10的底部伸出料斗9外。任意两块相邻夹板10的底部均通过两根连接杆6固连。装夹电机7固定在料斗9的一端。装夹电机7的输出轴与丝杠5的一端固定。最靠近装夹电机7的那块夹板10上固定有螺母。丝杠5与螺母构成螺旋副。三块定板11与三块夹板10分别对应，形成三个装夹位(定板11、对应的夹板10)。通过装夹电机7的转动，能够驱动三块夹板10同步滑移，实现对三个装夹位内的被运送物品的定位和夹紧(此处只需要对被运送物品进行定位，避免其在运动中出现晃动和磕碰，实现对被运送物品的定位和保护。相较于常规机械手爪取时的夹紧力，此处对被运送物品的夹紧力较小，故不容易压损被运送物品)。物料存放装置共有两个。两个物料存放装置分别位于底盘8的两端。

两个循迹传感器的信号输出接口与控制器上的两个光电信号接收接口分别连接。避障传感器的信号输出接口与控制器上的避障信号接收接口连接。第一舵机16、第二舵机15、第三舵机14、第四舵机13、第五舵机12、第六舵机1的控制输入接口与控制器上的六个pwm输出接口分别连接。四个动力电机的供电接口与四个直流电机驱动器的控制输出接口分别连接。四个直流电机驱动器的控制输入接口与控制器的四个电机控制接口分别连接。装夹电机7的控制接口与控制器通过电机驱动器连接。扫码器的信号输出接口与控制器上的条码信号接收接口。

基于气动抓取的物流小车的运输方法具体如下：

步骤一、布置供各循迹传感器识别的行进轨道。行进轨道呈环形，分别经过仓库的卸货点和存放点。行进轨道的顶面高于地面，且呈黑色。行进轨道的宽度大于两个第一循迹传感器的间距，且小于两个第二循迹传感器的间距(即在寻迹过程中，两个第一循迹传感器位于行进轨道的上方，两个第二循迹传感器分别位于行进轨道的两侧)。

步骤二、动力装置停止在卸货点，控制器通过扫码器识别卸货点的各物品，确定被运输物品的位置。取料机械臂驱动真空吸盘2移动至与被运输物品接触的状态；之后，真空发生器启动，使得真空吸盘2吸住被运输物品。

步骤三、取料机械臂驱动真空吸盘2移动，使得被真空吸盘2吸住的被运输物品到达其中一个未装物品的装夹位内。之后，真空发生器关闭，使得真空吸盘2与被运输物品分离。

步骤四、重复执行步骤二至三，直到卸货点处没有被运输物品，或者所有装夹位内均装有物品时，进入步骤五。

步骤五、两个装夹电机7均正转，使得所有装夹位内的被运输物品均被夹住。进而避免运输中物品发生抖动和损坏。

步骤六、动力装置沿着行进轨道向前行进。行进过程中，控制器配置外左特征值x1、内左特征值x2、内右特征值x3和外右特征值x4；外左循迹传感器、内左循迹传感器、内右循迹传感器、外右循迹传感器均以100hz的频率对行进轨道进行检测并将检测到的结果传输给控制器。

每次外左循迹传感器、内左循迹传感器、内右循迹传感器、外右循迹传感器将自身检测到的结果传输到控制器均重新设定外左特征值x1、内左特征值x2、内右特征值x3、外右特征值x4，设定方法如下：

若外左循迹传感器在前十次检测中，若检测到行进轨道的次数大于或等于8，则控制器将外左特征值x1置为1；若检测到行进轨道的次数小于或等于2，则控制器将外左特征值x1置为0；若检测到行进轨道的次数大于2且小于8，则控制器不更改外左特征值x1。

若内左循迹传感器在前十次检测中，若检测到行进轨道的次数大于或等于8，则控制器将内左特征值x2置为1；若检测到行进轨道的次数小于或等于2，则控制器将内左特征值x2置为0；若检测到行进轨道的次数大于2且小于8，则控制器不更改内左特征值x2。

若内右循迹传感器在前十次检测中，若检测到行进轨道的次数大于或等于8，则控制器将内右特征值x3置为1；若检测到行进轨道的次数小于或等于2，则控制器将内右特征值x3置为0；若检测到行进轨道的次数大于2且小于8，则控制器不更改内右特征值x3。

若外右循迹传感器在前十次检测中，若检测到行进轨道的次数大于或等于8，则控制器将外右特征值x4置为1；若检测到行进轨道的次数小于或等于2，则控制器将外右特征值x4置为0；若检测到行进轨道的次数大于2且小于8，则控制器不更改外右特征值x4。

控制器根据外左特征值x1、内左特征值x2、内右特征值x3、外右特征值x4的取值，控制各动力电机的转速。

若x2＝1，x3＝1，x1＝0，x4＝0，则四个动力电机均以行进转速转动，动力装置保持直行。

若x2＝1，x3＝0，x1＝0，x4＝0，则与外左循迹传感器处于同一侧的两个动力电机转速降低至第一纠正转速，动力装置小幅左转。

若x2＝1，x3＝0，x1＝1，x4＝0，则与外左循迹传感器处于同一侧的两个动力电机转速降低至第二纠正转速，动力装置中幅左转。

若x2＝0，x3＝0，x1＝1，x4＝0，则与外左循迹传感器处于同一侧的两个动力电机转速降低至第三纠正转速，动力装置大幅左转。

若x2＝0，x3＝1，x1＝0，x4＝0，则与外右循迹传感器处于同一侧的两个动力电机转速降低至第一纠正转速，动力装置小幅右转。

若x2＝0，x3＝1，x1＝0，x4＝1，则与外右循迹传感器处于同一侧的两个动力电机转速降低至第二纠正转速，动力装置中幅右转。

若x2＝0，x3＝0，x1＝0，x4＝1，则与外右循迹传感器处于同一侧的两个动力电机转速降低至第三纠正转速，动力装置大幅右转。

第三纠正转速<第二纠正转速<第一纠正转速<行进速度。

若位于避障传感器检测前方有物体，则认为动力装置前方出现障碍物或行人，行进机构停止前进，等待行人或障碍物消失，继续前进。

步骤七、到达存放点后，动力装置停止行进，两个装夹电机7均反转，使得所有装夹位内的被运输物品均被松开。

步骤八、工作人员取出各装夹位内的被运输物品。动力装置沿着行进轨道向前行进，返回卸货点(由于行进轨道呈环形，故只需继续前进即可返回)。