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物料搬运机器人系统设计及最优路径规划

申报人：刘思源 申报日期：2021-01-10

基本情况

2021校院级项目管理
物料搬运机器人系统设计及最优路径规划 学生选题
创新训练项目
工学
电子信息类
学生自主选题
一年期
本项目的主要内容为设计一款物料搬运机器人，整体包括机械零件设计，硬件电路设计以及程序设计，机器人采用四轮驱动，四轮位置相对固定。部分零件通过Solidworks三维建模设计并通过3D打印获得。机器人硬件电路设计使用Altium Design进行电路原理设计。主控制器选用Arduino mega 2560.机器人根据物料摆放顺序，根据地图建立地图模型，计算最优路径。
  参加过江苏省机器人大赛，参与机器人的程序的编写设计；之后参加三江学院“I Love Inovation”创新创业大赛，主要参与到整体的设计以及介绍方面的，并且获得了不少的学习经验；在今年备战工程训练竞赛，参与设计程序的外观，并且积极讨论，编写了需要的程序，增加一些学习经验。
无
无
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
刘思源 机械与电气工程学院 机器人工程(本科) 2019 整体项目的设计安排
杨文彪 机械与电气工程学院 机器人工程(本科) 2019 3D图像的绘制
陈玉臻 机械与电气工程学院 机械电子工程(本科) 2019 协助计算以及场地安排工作
杜玉娇 机械与电气工程学院 机械电子工程(本科) 2019 计算数据以及判断设计合理性
卢艺 机械与电气工程学院 机器人工程(本科) 2019 3D图像的绘制

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
熊田忠 机械与电气工程学院 否

立项依据

目前有关于移动机器人的地图建模、自主导航以及路径规划已经成了移动机器人技术的关键研究点。多数学者认为相关技术是解决移动机器人真正自主智能化运行的关键技术。自1950年，就已经开始了对路径规划的研究，理论体系已经较为完善。同时产生了许多实现算法，包括传统的遗传算法、蚁群优化算法、鸽群算法、模拟退火算法、A*算法以及RRT算法等[4]~[7]。路径规划在移动机器人实现自主化的进程中扮演着不可或缺的角色，是机器人高效、准确、安全、快速的重要保证。
具体论述：

1、  总体方案设计

总体方案设计首先分析物料搬运机器人需要满足的要求，给出总体系统结构图。根据要求对机械结构进行设计，包括升降结构、抓取结构。选择主控制器、颜色识别传感器、轨迹传感器等。

2、  机械结构设计

机器人机械结构设计主要包括整体结构、升降结以及抓取结构。对于机器人整体结构对比两种设计方案，升降结构给出两种设计方案。抓取机构较为复杂，对部分零部件进行静力学分析，并对不同的设计方案进行对比。

3、  控制系统设计

设计出机器人总控制系统结构图
上世纪五十年代开始，国外便已经开始了对工业机器人研究，最开始的工业机器人便是应用在搬运作业当中，在之后发展极为迅速，功能日益完善，以能够胜任大多数工作。

1）  Unimate机器人

     1956年在美国成立的Unimation公司于1959年推出了Unimate机器人，如图1-1。该机器人被认为是第一台工业搬运机器人，由液压系统驱动，包括基座、大机械臂、小机械臂、末端执行器。机器人整体重量达到两吨的同时精准度达到2.54毫米。但是由于控制技术的发展限制，机器人搬运动作不够顺畅，并且由于液压驱动，机器人周围环境容易受到污染。

2）  kiva机器人

2012年亚马逊通过收购Kiva systems公司的机器人项目，研发出Kiva机器人，如图1-2，重量约为145kg，顶部中间设置升降台，抬升重量可达340公斤。在仓库的地面贴上二维码，机器人通过扫描二维码，根据无线指令发布的运送命令搬运货物。亚马逊仓库使用kiva机器人提高了50%的分拣能力。

3）  InVia Picker机器人

2020年5月InVia Robotics公司研发InVia Picker机器人，如图1-3。InVia Picker机器人底部有四个轮子，其中两个为驱动轮，两个为万向轮。机器人上半部分为剪刀升降台与吸盘的组合，可以在不同的高度搬送货物，升降台抬升高度最高可达8英尺。InVia Picker机器人基本实现了真正的智能化，实现了仓库无人化。

国内发展现状
1）阿里曹操机器人

       2015年，阿里巴巴在天津天猫超市的仓库中部署了“曹操”搬运机器人如图1-4。机器人承重可达50kg，运行速度达到2m/s，可以更具下单商品定位出商品的位置，并自主规划取货以及运送路径。

2）京东“地狼”机器人

       2018年6月18日京东“地狼”机器人正式上线，如图1-5。“地狼”机器人最大载重300kg，通过自身的传感器能够自主避障，并根据仓库调度系统设定的搬送路线运行。经过测算，京东物流仓库启用“地狼”机器人后，仓库拣选效率提高2.5倍。
本课题设计一款物料搬运机器人，整体设计包括机械零件设计，硬件电路设计以及程序设计。机器人采用四轮驱动，四轮位置相对固定。机器人整体结构由铝型材搭建，部分零件通过Solidworks三维建模设计并通过3D打印获得。机器人硬件电路设计使用Altium Designer进行电路原理设计。主控制器选用Arduino mega 2560。机器人根据物料摆放顺序，可以通过程序计算得出最佳的搬运方案，根据地图建立地图模型，并结合搬运方案得出最优搬运路径。
通过模型搭建以及算法运算，完成路径规划

问题：机器人自主完成路径规划的操作，并且选择最优路径完成搬运任务

预期成果：完成机器人的搭建以及算法输入
目前是地图搭建以及基础的电路安排环节，预计在中期完成基本架构
已经学习基本的算法设计，模型搭建以及路径规划的原理基础的学习；成绩方面，我们在不少的创新比赛中获得较为优秀的成绩，并且有过简单的专利申请方面的经验
尚未发现问题

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 5500.00 无 2750.00 2750.00
1. 业务费 4000.00 无 2000.00 2000.00
（1）计算、分析、测试费 1000.00 无 500.00 500.00
（2）能源动力费 1000.00 无 500.00 500.00
（3）会议、差旅费 1000.00 无 500.00 500.00
（4）文献检索费 500.00 无 250.00 250.00
（5）论文出版费 500.00 无 250.00 250.00
2. 仪器设备购置费 500.00 无 250.00 250.00
3. 实验装置试制费 500.00 无 250.00 250.00
4. 材料费 500.00 无 250.00 250.00
结束

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