《物流工业机器人的关键技术研究（9400字）》

物流工业机器人的关键技术研究TOC\o"1-3"\h\u6027第一章绪论 第一章绪论1.1研究背景电子商务的兴起不仅改变了零售业的生态，而且深刻地影响了人们的购物习惯。如今，“双十一”等流行的网络购物节日已经被写入人们的日常生活日历中。不断刷新的网购总量，接连冲击着传统零售业的磐石，在快递物流行业掀起了前所未有的波澜。在2018年，中国物流业总产值占GDP的12.9%，而这一比例在发达国家仅为5%~8%。中国的快递量在世界上占43%以上，居世界第一。随着快递业的不断壮大，国家和政府高度重视。2019年，全国人大呼吁推进快递进农村和社区，电子商务平台和实体店的协调发展。相关快递规定已纳入国务院下发文件，毫无疑问，时代赋予了快递行业最肥沃的土壤，同时，百亿计的运输量也促使快递企业不断提高工作效率。分拣是快递过程中的核心环节，其中分拣时间占物流中心总工作时间的30%~40%，分拣成本占物流中心总成本的90%。由此可见，快递分拣技术水平基本上决定了企业的工作效率，用户信誉和市场规模，面对日益扩大的业务规模，手工分拣已不能满足企业的发展需求。采用自动分拣技术突破瓶颈已成为业界的共识。国际快递巨头DHL采用全自动分拣流程，其在上海的北亚枢纽拥有每天分拣21万包的处理能力，亚洲编号中国最大的单一物流中心，拥有世界上最高水平的自动化分拣业务。其核心技术由京东独立开发，中心每小时可分拣105万包，准确率99.9%。1.2研究意义在物流中心的自动分拣设备中，线性和环形分拣机是最常见的。通过合理的规划，两种类型的分拣机都能达到很高的效率。除了传统的分拣机外，各种类型的工业机器人在分拣操作中也起着重要的作用。工业机器人执行效率高，工作质量好，抗干扰能力强，能在特殊环境下工作，当应用于快递物流行业时，不仅节省了企业大量的人力成本和时间成本，而且使快递不再受到伤害，买家可以随时拿起零件。随着快递行业的快速发展，本文对二维码识别，视觉排序等技术进行了深入的研究，具有一定的学术价值和实际应用价值，研究成果不仅局限于快递分拣领域，对相关领域或技术也有一定的借鉴意义。第二章智能分拣机器人功能结构分析快递分拣机器人主要为电商分拣中心的运营设计，主要是实现“快递包裹分拣”的操作模式，因此，本文从实际情况出发，分析了研究初期分拣中心分拣机器人运行的合适空间布局，根据分拣机器人的运行分析提出了机器人的功能要求，并根据功能要求提出了机器人的总体规划，为今后的进一步研究奠定了良好的基础。2.1智能分拣机器人结构机器人定位技术和路径规划技术首先需要分拣中心的空间模型，为了更好地研究机器人的工作计划，首先对分拣环境进行了分析。快递分拣的操作步骤包括：获取快递包裹，并根据目的地将其送到不同的投递口。建立分拣机器人作业空间模型如图2-1所示，主要有快件堆放区、人工投递区、包裹投递口、横向道路、纵向道路。出件口被两条纵向道路和2条横向道路包围。工作空间模型具有良好的可重构性，其中网点数量固定，网点数量与位置，网点位置与尺寸，坐标点间距，道路走向与数量可根据实际情况灵活调整，在当前空间工作时，现场会有大量的机器人，横向和纵向道路设置为单向道路。可减少抢道碰撞，简化行车规则，保证系统效率，机器人可以在每个坐标点进行转向，操作相对灵活。图2-1作业空间模型2.2机器人的任务流程根据快递邮件分拣的分拣环境模型，可以建立分拣机器人的操作流程，首先，机器人在待机区域等待操作。当任务生成时，机器人将根据进入端口的时间表拾取包裹。流程如下：1.操作员扫描包装标签后，将包装目的地通过计算机发送到上位机系统；2.然后将包装放置在机器人顶部的托盘中，上位机根据入口的位置和包装目的地的位置检索计划路径并发送给等待机器人；3.机器人完成分拣后，判断电量状态，电量低于15%时，向上位机发送充电请求，上位机选择空闲充电桩作为终端，规划一条路径发送给机器人，机器人根据路径充电；4.当电量高于15%时，机器人发送返回请求，上位机根据评估功能对每个入口进行评估，选择成本最低的入口作为终点并规划一条路径发送给机器人，机器人排队根据返回入口的路径继续排序任务。机器人任务流程如下图2-2所示。图2-2任务流程2.3机器人的总体设计（1）轮式结构设计在万向轮方面，它可以在水平平面上旋转360度。随着移动机器人的速度变化，起到支撑主体，保证机器人身体平衡和灵活性，提高机器人负荷的作用。在轮系的布局方面，通常情况系室友三种结构。一是三轮结构布局结构简单，运动灵活，平衡性较差，承载力不足且无法做横向运动，适合轻载状态下的单向运动。二是四轮结构。它也有三种的表现方式，如下图2-3所示，黑色的就表示为驱动轮，白色就是万向轮，四轮结构承载力是很明显的大于三轮结构，在平衡性方面的表现也是非常的好，通过两轮驱动轮的速度调整能够实现机器人的直行、后退等全方位的移动，能够是的机器人在小的空加你里面进行运动。三是六轮结构，如下图2-4所示，和上一个相比只是增加了两个万向轮，平衡性和承载力进一步加强，同样采用两轮差速驱动转向，六轮结构对地面平整度要求较高，必须保证轮子同时着地。图2-3四轮结构上图所表示的就是我们常见的三种四轮结构。图2-4六轮结构从机械角度和工作环境的适用性出发，选择六轮结构作为机器人的轮系结构，这种布局可以保证机器人移动灵活，承载能力相对较大，原位转向相对于车体中心静止。（2）机器人框架设计根据分拣机器人的运行方式和任务流程，设计移动机器人的整体结构，主要由车体机械结构，安全辅助机构和供电系统等组成，车体机械结构是整个机器人的框架，并加载所有其他结构，这在很大程度上决定了分拣机器人的性能。机器人的框架如下图2-5所示。图2-5系统框架1.车体的机械结构是整个机器人的框架，它承载所有其他结构，决定其位置和布局，决定机器人转弯、前进和分类包装的方式，车体机械结构的设计直接决定机器人的性能。2.控制系统是机器人的核心，它决定了机器人在什么条件下做出什么样的动作。它连接所有传感设备和动作设备，通过系统判断做出动作决策。3.分拣驱动机构由托盘和提升电动缸组成，通过螺旋杆的向上运动，将包装托盘的一侧抬起，通过托盘的倾斜度将包装落入相应的出口，完成货物的分拣。分拣机构是机器人的责任，是所有设备的最终驱动机构。4.定位导航机构相当于机器人的眼睛，它告诉机器人自己的位置和方向。本设计采用基于二维码定位导航的视觉导航系统，因此定位导航机构由工业摄像机传感器和二维码组成。5.供电系统由蓄电池，供电模块和充电装置组成..电池是整个机器人的动力源。第三章工业机器人的定位导航3.1定位技术工业机器人的定位技术解决了它们被使用的领域，定位技术是指在远程环境中安装传感器，目的是接收和发送外部环境信息。通过数据分析，机器人处理即时图像跟踪工作，同时还用了关于嵌入过程中环境模型可用性的相对追踪技术来跟踪机器人。（1）相对定位技术与此同时，一种相对追踪技术描述了机器人在不同感应器接收到的当前位置和初始位置之间的位置。通过计算当前位置信息，也就是结束了机器人的相对位置。我们有简单的定位技术原理，但并不依赖于环境。增加的时间会提高目标的准确度，从而提高距离和持续时间的相互关联。它是一种有点短板的追踪技术（2）绝对定位技术当前定位技术比广义相对论更为复杂。机器人通过感应器在未知的全球环境中收集信息。根据所选陆地标志的特征，道路标志可以有别于自然或人工标志。启动导航系统，这些座标会更改环境自然路标就是以自然环境的特点为特征的路标。与人工制造的线索不同它们不会改变机器人的周围环境。因为这些规则很简单、费用低廉，所以在大多数情况下都适用。3.2导航技术（1）惯性导航由于惯性的导航仪的核心是工业机器人的陀螺仪和引力，随着其加速传播；控制开关在陀螺仪后面一个和传统的、聪明的惯性导航系统，自动化、智能的工厂，但是惯性导航系统。通过。定期更新陀螺仪和引力是昂贵的。（2）激光导航根据反射器的存在或不存在，激光导航可分为两种模式。如果要在路旁准确地定位，工业机器人就需要发射激光信号并反射信号，通过一系列几何操作来确定机器人的外形位置和外形路径，同时维持机器人飞行时的正确位置和姿势。环境灵活多变，适合全球定位，比较灵活，具有较强的场地适应性，它是许多外国制造商的首选。（3）视觉导航这个视觉导航机器人利用工业摄像机获得环境数据，处理后识别图像，利用街角位置的信息来计算和维持它目前的位置，以便控制车辆的行动。这种方法是包含信息、智慧和通用的。图3-1视觉控制系统构架基于对所观察结果的分析再结合工业机器人分离的条件方面进行着手。利用视觉和手动gps坐标，他们就可以把二进制代码作为工业机器人的座标来显示工作环境，这样就可以根据它们的轨迹信息和标记点来确定机器人的位置。3.3二维码定位导航为了增加柔性力量、降低维护成本，人们利用了二进制导航和定位跟踪工业机器人技术。在几维的距离内将gps坐标插入到一个对应的位置，就像工业摄像机识别图像并利用坐标改变机器人的位置和角度，这样机器人就能发出两枪以锁定和定位。3.3.1二维码简介QR二维码是一种正方形的符号，在工业机器人的定位当中，通过把位置坐标信息进行封装到字符串里面，通常四位数字对应x轴和最后四位数字对应y轴，这个轴和地面坐标相距。在二维空间中都尊重此选项，以确保机器人能够在移动时定位当前的方向，用于拍摄车子底部的一个室内摄像头会自动识别并分析通关码以确定物品的位置。具体坐标二维码图像如下图3-2所示。图3-2QR二维码3.3.2图像处理如果要在发现qid之前产生气候，需要有噪声来识别照相机的图像，特别是受到光和相机的各种评论的影响。噪音使得它们能够识别和识别两种声音。标准过滤器包括用于进口/进口及护栓的嵌套过滤器，这些嵌套包括缝制、过滤式和中嵌式过滤器。在上面的式子当中就是滤波器灰度值，是滤波后灰度值，是滤波中间值，最后的为阈值。图3-3中值滤波图像经过滤波后的二维码图像噪声减少，识别相对更加精确，通过对二维码图像的扫描解释，提取二维码内部包含的位置信息，扫描图像如图所示，框线为绿色表示扫描成功。图3-4二维码扫描通过对二维码进行扫描是能够得到工业机器人的位置坐标，工业机器人的位置计算要对二维码凸显进行特征的提取，要能够得到上图3-4所示的ABCD四个角的店在图像坐标系当中的位置，来确定最后的位置。第四章工业机器人的路径规划4.1路径规划技术连接工业机器人的机器传感器是通过自身感觉来感知周围环境的机器人，规划行动路线，安全高效地执行任务。（1）路径规划分类在运行的过程中，机器人的步法分为基于不同的区域、功能和算法的。多年来，有关相关的环境的信息既不被放在动态路径，也不被放在静止的路径规划上。根据传感器所能获得的信息制定环境模型、事例规划和行为学习（2）路径规划步骤通常情况下路径规划有三个步骤：一是路径构建：首先，必须将当前空间转换为机器人认知坐标，以生成全球坐标和机器人坐标之间的投影，然后通过优化数学函数形成最优路径的投影。二是路径的搜索：为了构建基于环境模型的路径，我们使用算法对所谓的路径进行运算。（3）路径规划中人工智能仿生算法分析1.粒子群算法：这种算法实在上个世纪九十年代被提出啦，通过模拟鸟类的运动，推算出个体之间信息共享和群体运动之间的变化过程，能够得到最优解，PSD的流程如下：一是初始化个体的随机位置和速度；二是.对个体的适应度进行评价；三是比较个体的适应值和群体的最好位置pbest，择优当做pbest；四是按照二、三步骤不断对个体速度和位置进行调整；速度和粒子位置的更新公式如下：其中就是粒子的速度，惯性就是w，c1和c2就是参数，最优值就是，后面的一个为第i个粒子的当前位置。2.遗传算法：这是一种改进之后的算法，通过模拟生物进化进行问题求解。选择、交叉和变异是该算法的基本算子。迭代运算是主要的运算手段，该算法克服了其他算法陷入死循环的缺点，是全局优化算法。算法的迭代流程为：Step1.对染色体的适应度进行评价；Step2.以适应度为概率选择父母双方；Step3.交叉的双方染色体的改变，进而产生子代；Step4.染色体的异变；Step5.对上面的二、三、四的步骤进行重复，然后到新的种群产生；结束了循环。4.2工业机器人路径规划4.2.1工业机器人作业路线分析在拟议的空间模型里，机器人会以从一号门进货到目的地的方式运送货物。当货运通过上舱的倾卸箱进入和退出那区域后，任务完成了，机器人将检测员送回1号航站台，重新试图得到样品任务。如图4-1所示，图中出件口被八个坐标点包围，四只方块中的任何一颗都能成为机器人装载的座标机器人根据判断条件选择某一点作为终点开始行驶，到达终点后，开始准备卸货，包括旋转车身等动作，完成任务后，请求返回。图4-1机器人工作的模式根据追求的角度，机器人的选择过程平均分为追求两个阶段。第一步通过规划改进了方案所处的方向，第二步改进了操作方法以降低待办时间并提高效率。图4-2单次任务流程图针对图4-2中的步骤1通过路径规划进行优化，使机器人获取到达出件口的最佳路径。该模型应用于包含人工场、遗传算法、神经网络和A*算法的机器人轨道规划。第一步是执行机器人的任务描述，因为机器人会通过向右移动从身体的上方控制面板来将包裹移动到待机时。如图4-3所示。A出件口对应的终点就有n1、2、3、4。图4-3出件口的细节结合特殊任务形式，将路径规划分两步执行：1.通过修饰A*算法，生成四个终点所在的最佳路线。2.计算四个路径的替代值，选择成本最小的路径作为从进口到出口的最佳路径。4.2.2工业机器人路劲规划方案分类的机器人由来自远程机器人的声控控制，因此好几个机器人必须跟前面的机器人同时通讯，向不同的机器人发出不同的指令和指令；采用基于C/S架构的TCP/IP通讯方式，作为服务器，作为机器人的客户，远程运用多种不同的通讯技术，促进机器人和天体之间的通讯。机器人与上位机通信架构如图4-6所示。图4-6局域网的连接使用A*运算法则来计算机器人的路径，从而在评估时添加一个方向因子，保证创建的路径包含最短且速度最少的旋转，并在数据库里存储最终连接。假设机器人在一号洞口装载用演算法创建精确的路线，并处理各种信息将通过这个函数溶化坐标位置。用来保存数据，分析最新的路径，然后以科学的方式论证和固定。第五章工业机器人控制系统设计5.1通讯方案的设计在卸货区工作时机器人应有尽有。智能操作系统可以与任何机器人实时沟通和控制状态，并能通过无线网络和机器人之间传输信息。采用基于C/S架构的TCP/IP通讯方式，利用socket接口进行通信，“追踪系统”作为服务器，“机器人”作为客户使用多线通讯技术确保它们除了追踪系统之外，还能与更新控制系统沟通。详细的通信方案：上位机控制系统运行后建立一个侦听套接字SocketWatch对固定IP及端口号进行侦听，并建立TreadWatch线程，传入Watc方法用来循环监听客户端的连接，当有客户端连接时，创建一个新的套接字SocketConnect专门负责跟客户端通信，并创建通信线程。主要程序如下：SocketSocketWatch=newSocket(AddressFamily.InterNetwork，SocketType.Stream，ProtocolType.Tcp);//建立侦听套接字IPEndPointendpoint=newIPEndPoint(IP，PORT);//建立节点ThreadThreadWatch=newThread(WatchConnect);//建立监听线程，并传入监听方法ThreadThreadCom=newThread(Communication);//创建通信线程要区分不同的信息类型，程序中所包含的信息就包在袋子里，这包括了不同的信息类型、内容及诸如此类。接收该信件的人使用不同的信息处理方式来处理此信件，以避免接力效应。它会在数位之后接收消息，然后把接收的文字删除，下一次接收。5.2功能结构设计确定了STM32控制系统与机器人之间的通讯方案之后，设计智能机器系统的功能结构，与智能控制系统相结合，路径规划和智能继电器可以通过本地通讯直接传输，主要是通过实时监控、后台数据管理、历史和系统参数。5.2.1实时监控负责维修的分拣机器人可以使用最先进的操作系统进行实时操作，系统会模拟机器人在现场的位置，并绘制出机器人当时的状况和运行情况。实时在线监控是控制模块、系统用户和显示终端设备的模块，以及信息控制模块，这些模块既不影响机器人电势的计算，也不影响控制电厂的数据。图5-1机器人监控界面通过VC的画图功能对场地信息及机器人进行模拟，能够实时的监控机器人的位置以及状态信息，对机器人进行模拟视频监控，经过简单的VC处理和机器人的模拟设备，实时比较机器人的位置和状况，并将机器人比作模拟监控相关的系统设置。机员可以通过拿着监控带观察机器人的动作，而在下一列则显示空间翘曲资讯和系统持续时间。运行状态的监控界面如图5-1所示。图画中白色的线代表机器人可行驶的路，十字路口则代表无人驾驶的房间里的节点，按照一个方向进发，图中上有红色和蓝色的箭头，右边的箭头则指示道路的方向。下方三个深蓝色圆圈指向球门。所有的搜索机器人都要去取他们的包裹。黑道代表入口，符号则代表入口，出口都已经固定好了。有些粉红色的小黑道代表了工人，分配不均匀。红色代表在等的机器。5.2.2数据管理接送包裹的隔离机器人会把目标信息传递给上方的机器，后者负责计算入口和出口所在的路线，以及数据备份管理机构的表层，以显示数据储存在数据库里的用户、路径和交付量。信息被分成几条运输路线和路线一旦到达一个目的地，这些路会有所不同。数据管理界面是如下图5-2所示。图5-2后台数据管理在上图当中，选择的为gopath即投递时的路径，数据库里有一个起点和路径，在数据管理中增加数据查询，并为路径进行自主规划。点击刷新按钮时，datagridview界面刷新显示内容信息。5.2.3信息记录历史资料主要用于存储那些被称为快捷中心的物种，以便人员进行检查。最重要的(七种)记录、机器人记录及有关删除、查询和出口历史记录的记录；如图5-3所示.图5-3历史记录介绍的记录的每次过滤收件人,在早前的时刻负责包裹数量已交付每个目的地的包裹数量视乎目的地被送的货时间和数量的实体,数量从每届的机器人行动将在一个字符串设置,机器人在整个日常工作人数进一步包装、较高的包裹数量的货物数量、公里、工作时间和工作时间的记录。通过各自的坐标和对象，对比不同的经过不同坐标点的机器人数量，可以测量数据流量，并以分钟大小显示出日本的历史经验。5.2.4系统参数设置系统参数控制模块允许管理员改变位置信息，特别是当这是用于监控控制区时。围栏的数量、颜色和方向都十分恰当。入访者的人数、姓名、颜色和卸载方式；如果选择了这条路那就是箭的大小、风格和颜色请注意区域状态栏的字符串，颜色，大小和位置参数完成后回复系统完成。5.3工业机器人的模拟系统为了验证智能控制系统在快件分拣作业中的高效性、可行性，需要对智能控制系统与机器人连接进行实验，由于条件限制，多辆机器人同时作业与上位机控制系统并行通信无法通过实物进行验证，并可根据上位机控制系统的指令进行路径跟随、货物分拣等动作，机器人模拟系统如图5-4所示。图5-4机器人模拟系统首先在左上角的文本框中输入要连接的服务器的IP地址及端口号，由于模拟软件和STM32控制系统在同一台电脑上运行，IP地址需要设置和服务器地址一样。接下来是货物投递方式设置，用来模拟进件口工作人员对快件包裹进行投递，当选择自动投递时，人工投递选项禁用状态，自动投递需要设置快件包裹的投递时间，0s表示无间隔投递，间隔时间可选；然后设置快件包裹的投递总量，可根据实验要求进行设置，最后设置进件口和出件口的包裹分配方式，可选择平均、随机及自定义三种，随机方式最为符合实际情况，设置完毕后，点击开始投递，则模拟系统自动进行分拣，直至所有包裹投递完毕；模拟机器人模块给出了数十个机器人按钮，依次命名为“N号机器人”，下方有全部连接和全部断开按钮，也可单个进行选择，图中选择前6辆机器人连接，连接成功后机器人按钮会变成绿色，再次点击表示断开连接，如果模拟规模较大，可点击添加按钮，添加机器人数量。5.4运行实验通过仿真实验检测该路径规划与调度方案是否可行，并分析机器人数量对任务执行效率的影响，仿真程序与结果通过智能控制系统与机器人模拟系统联立进行。系统设置：首先对上位机智能控制系统的场地参数进行设置，栅格为15*15，道路为白色，进件口为3个，表现形式为淡蓝色圆形，出件口为15个，表现形式为黑色正方形，机器人的表现形式为黑色带箭头小圆，箭头为白色，并为进件口与出件口设置对应的位置。然后对机器人模拟系统参数进行设置，设置投递方式为自动投递，投递时间为5s，包裹数量为300，进件口与出件口的包裹分配为随机，机器人参数设置不变，连接服务器的IP地址以及端口号为“:8400”。任务设置：设定的包裹总共数量是有300个，随机的分为6组，分别在机器人数量为10/15/25/30/35/40的情况下进行实验，重复进行30次，智能控制系统和机器人模拟系统如下图5-5和5-6所示。在进行的30次实验中，所有任务都顺利完成，智能控制系统在开始运行时，需要对机器人发来的路径请求进行路径规划，智能控制系统对机器人请求的路径成功规划并保存到了数据库中，并对任务完成及交通冲突发生时的机器人进行了合理的调度，保证了所有机器人高效、有序地进行作业任务，验证了本快件分拣作业模式下路径规划及智能调度方法的可行性。图5-5智能控制西戎运行界面图图5-6机器人模拟系统界面图智能控制系统对机器人请求的路径成功规划并保存到了数据库中，并对任务完成及交通冲突发生时的机器人进行了合理的调度，研究机器人在中小分拣中心作业的定位导航技术及路径规划和调度方案，在此基础上开发