服务机器人在化工无人仓储场景下的应用研究.pdf

第37卷第5期2023年9月天津化工Tianjin Chemical IndustryVol.37No.5Sep.2023服务机器人在化工无人仓储场景下的应用研究白岩峰（天津渤海职业技术学院，天津 300400）摘要院 随着化工行业不断向数字化、智能化发展升级，机器人在化工领域的应用也成为行业关注的热点。本文以智能服务机器人在化工领域无人仓储场景下的实践应用为切入点，对普通化学药品智能管理应用场景进行设计，开发室内服务型机器人，完成对服务机器人硬件系统结构设计和功能配置，并采用定位导航先进算法对机器人进行路径规划测试，通过机械臂运动规划实现机器人对化学药品的智能抓取。此外，针对高校某化学药品仓储室的具体场景进行机器人实践应用研究，完成药品自动抓取功能测试实验，取得了较好应用效果。本研究旨在探索智能机器人服务化工领域新赛道的具体路径，为化工行业向无人化、智能化转型发展提供借鉴。关键词院服务机器人；化工；无人仓储；实践应用doi:10.3969/j.issn.1008-1267.2023.05.023中图分类号院 TQ082文献标志码院 A文章编号院1008-1267(2023)05-0079-03收稿日期：2023-03-30基金项目院2022 年天津市科技计划项目，项目名称“智能服务机器人在无人仓储场景下的应用实践研究”（项目编号：22YDTPJC00950）；2023年渤化集团科技创新项目（项目编号：2023_BHZY001）作者简介院白岩峰(1986-)，男，讲师，硕士，研究方向为机器人控制。1化学药品无人仓储应用场景设计本研究以高校某普通化学药品仓储室作为机器人功能应用测试场地遥 场景设计情形院采用以用户为中心的便捷式人机交互系统袁当实验教师自助领取药品时袁可通过服务机器人微信小程序选择要获取的药品并下单曰ROS 操作系统发布指令袁使服务机器人根据已下单的化学药品信息自主导航到药品货架指定位置曰服务机器人根据订单对贴有二维码标识的化学药品器皿进行识别袁 识别完成后将药品器皿的位置反馈给 ROS系统曰 机械臂根据 ROS 系统指令完成抓取操作袁并将药品送回至目标点曰系统自动记录领取药品教师姓名尧领取时间尧领取药品名称等信息曰下单任务进度反馈于计算机监控管理平台曰为保证安全袁若出现系统报错袁无人仓储管理员可进行远程操控和干预遥2服务机器人硬件系统设计移动底盘院负责服务机器人的建图导航和负载支撑作用遥 配置两个独立驱动轮和 4 个万向轮袁采用差速驱动模式曰配置激光雷达导航袁导航精度不超过依5 cm遥竖直导轨院 垂直安装在移动底盘上端盖袁并搭载 6 自由度超轻量仿人机械臂袁带动机械臂完成升降运动袁 机械臂满负载情况下袁 最高支持 2m 高度升降遥机械臂院采用一体化尧模块化关节设计袁质量小尧负载高尧功耗低遥3D 深度相机院安装于机械臂末端袁有效距离为 0.1110.00 m袁 主要用于化工药品盛放器皿及二维标签的精准定位和识别袁反馈拍摄空间的景深距离和 3D 环境信息等袁 为智能取放药品创造视觉感官条件遥 此外袁通过深度相机能够较好地实现 6 自由度机械臂连续尧实时的自主动态避障遥末端执行器院选用电动夹爪袁夹爪最大开口为 70 mm袁最高可达到 1.5 kg 的夹持力曰集成了高天津化工2023 年 9 月灵敏度内置压力传感器和小体积大扭矩直线伺服驱动器袁 可针对不同化学药品器皿的硬度尧重量等参数设置不同的压力阈值遥主控模块院 服务机器人系统的控制中枢袁负责所有子系统的控制及与通讯交互袁 能够通过WI-FI 通信袁接收外部指令并上传系统状态曰能够接收深度相机的实时传感信号袁进而完成对目标物体的识别和定位曰能够与机械臂尧底盘完成通信袁发送控制指令并反馈机械臂尧底盘状态信息遥3导航定位和路径规划导航是智能机器人系统中最重要的功能模块之一遥 本研究设计的服务型室内机器人基于ROS 平台开发袁 采用的机器人导航模块渊Naviga鄄tion冤 建立在 ROS 导航功能包集的调用功能基础之上袁它接收来自里程计尧传感器流和目标姿态的信息袁 并输出发送到移动底盘以安全速度命令曰此外袁根据服务机器人相关参数袁完成了各模块配置文件的设置袁 实现了上层功能的开发应用遥 服务机器人导航定位及运动路径规划设计思路如图 1 所示遥3.1定位导航绘制地图是实现服务机器人定位导航的重要前提遥 本研究基于 SLAM 建图理论袁 利用激光雷达与摄像头获得的环境信息来实现实时的位姿估计与避障曰 将激光 SLAM 和视觉 SLAM 算法在功能上的优势进行融合互补袁满足应用场景需要袁提升服务机器人性能曰充分利用传感器间的差异性和互补性袁将 IMU 惯导数据尧视觉数据与激光点云等环境感知进行融合袁采用 ROS cartog鄄rapher 建图算法袁完成 2D 代价地图的构建遥定位导航功能实现院基于地图的自适应蒙特卡洛定位算法渊AMCL 定位包冤袁获得服务机器人位姿数据袁进而通过创建的地图和服务机器人位姿做全局和局部路径规划袁然后对服务机器人完成差分驱动 PID 运动控制曰服务机器人在移动过程中袁当检测到突然出现的障碍物时袁实时修正局部路径袁确保服务机器人准确到达指定目标位置袁 本研究对机器人定位系统进行反复优化调试袁一定程度上弥补了现有技术方法的不足袁有效避免在周围环境改变以及自身对移动障碍物定位精度差等情形下袁 服务机器人频繁选择停止运行来躲避障碍物的现象袁 提高了服务机器人运动定位的工作效率遥3.2路径规划路径规划是智能服务机器人无碰撞行走的关键问题袁 它指的是服务机器人根据自身任务袁在有障碍物的环境中袁能够按照一定的优化准则渊如路径最优尧时间最短尧代价最小等冤袁在运动空间中寻找到一条从起始状态渊含位姿冤到目标状态渊含位姿冤的最优路径遥 服务机器人在运动前规划出合理的全局路径至关重要遥 当前袁服务机器人路径规划的方法有很多袁应用较广的包括人工势场法尧栅格建模法等传统启发式搜索算法以及A*算法尧遗传算法尧神经网络算法尧模糊算法等智能仿生算法1遥本文基于服务机器人硬件组成及应用场景需求袁将 A*算法与改进 A*算法相融合遥 在静态环境下袁A*算法往往能够针对两点之间的最优距离进行快速计算袁找到时间代价最小的路径2遥 然而袁 在动态复杂环境下袁A*算法在搜索空间中规划出的路径可能并非最优袁甚至可能出现时间的延迟袁 故本研究通过对 A*算法中搜索条件和扩展领域的改进袁以及时间上的双向搜索袁提高服务机器人在复杂已知空间中的自适应能力和路径规划的效率袁 减少所生成规划路线的转折点袁图1服务机器人定位导航及运动路径规划流程设计80第 37 卷第 5 期使路径更趋平滑遥本研究针对选取的化学药品无人仓储室的实际场景袁完成服务机器人定位导航及路径规划运行测试遥服务机器人在雷达扫描的实时范围内完成从起始状态到目标状态的全局规划路径袁在改进 A*算法的优化路径规划下袁服务机器人可完成平滑过弯遥4目标抓取机器人对目标物体的精准识别和抓取是机器人与环境交互的基础袁 涉及到环境感知尧模型建立尧动作规划和执行控制等多方面研究内容3遥 本文构建的应用场景中袁服务机器人除了实现在室内结构化场景中的无轨导航及路径规划外袁 还需要满足三维空间作业能力的需求袁 通过机械臂系统实现末端执行器全范围尧大空间的自主移动袁完成目标物体渊此处指化学药品冤的自主动态抓取任务袁流程设计思路如图 2 所示遥图 2机械臂运动规划流程设计药品抓取流程设计要点院使用一种类似二维码的定位标记辅助工具 Aruco袁在 aruco_ros 包中找到需要使用的 Marker 标签并进行打印袁 通过ROS 机械臂与深度相机手眼结合标定的方法袁在环境中部署 Markers袁以辅助机器人进行定位袁弥补单一传感器的缺陷和不足袁 纠正误差曰 基于Apritag 算法来获得目标物体 渊化学药品器皿冤的位姿曰 基于 Yolo 深度学习模型的物体检测算法袁获得目标物体类型渊如广口瓶尧细口瓶等冤曰结合深度相机对服务机器人周边 3D 环境信息的感知袁 使用 ROS 中 Moveit 包 RRT 算法来实现机械臂路径规划袁并通过插值算法优化该路径的平滑性曰在固定环境中袁采用机械臂 D-H 建模算法袁结合机械臂环境信息和服务机器人夹爪目标位姿袁运用代数法对路径采样点进行姿态求解袁获得实时关节角度袁完成机械臂关节运动控制袁进而用夹爪准确抓取目标物体遥总之,本文研究内容是服务机器人在普通化学药品无人仓储场景应用的初步尝试袁取得了较好实践研究效果遥 实际应用中袁考虑到很多化学药品具有易燃易爆尧有毒有害尧易污染尧强腐蚀性等特性袁当前该类化学药品仍需专库存放尧专人保管尧定期检查遥 随着研究的深入袁服务机器人将在硬件方面逐步升级袁包括采用防爆电机尧无线供电设备等袁在导航定位及智能抓取算法优化方面寻求创新袁增加机器人在复杂非结构化场景中实际应用效果的稳定性袁增强其面向实时任务的自主规划和自主应变能力袁在保证安全的前提下服务更多化工应用场景袁 为化工行业的无人化尧智能化转型加砖添瓦遥参考文献：1郭彤颖,张辉,朱林仓.特种机器人技术M.北京：化学工业出版社,2019.2王耀南,梁桥康,朱江.机器人环境感知与控制技术M.北京：化学工业出版社,2019.3穆龙涛,任军辉,赵明威,等.基于机器人的小件化工包裹精准分拣实验J.粘接,2022,49(8):115-118,132.白岩峰：服务机器人在化工无人仓储场景下的应用研究81