无反射板激光导航搬运机器人及其应用研究*

随着 《中国制造2025》行动纲领的全面开展以及电子商务的强劲发展，企业对高效灵活、节能的自动化物流系统的需求越来越强烈，智能化、柔性化的搬运机器人在工业上的需求量也迅速增加。

智能制造产业的蓬勃发展使得加工生产环境变得更加复杂、极端、频繁变动，目前智能搬运机器人已遍布在制造业、物流业、服务业、军事和医疗等多个领域中，尤其是以制造业和运输业为主的产业。为满足越来越广泛的社会需求，为了让其能在极端、复杂的环境下高效、可靠地完成任务，企业对智能搬运机器人的性能提出了更高的要求，为智能搬运机器人的进一步研发提供了充足的动力。目前，无反射板激光导航搬运机器人采用一种新的导航方式，具有无反射板，不受场地的限制和行驶路径灵活多变等特点，有广泛的应用前景。

1 无反射板激光导航搬运机器人的工作原理

无反射板激光导航搬运机器人是利用无反射板激光导航技术进行智能化搬运的机器人，其工作原理见图1，实例模型见第80页图2。无反射板激光导航搬运机器人工作原理：通过激光雷达实时扫描周围轮廓信息 （轮廓信息即为自然目标的距离和角度等），建立特征稀疏的二维地图，利用激光雷达观测信息与所创建的二维地图（二维地图即为平面地图）进行匹配得到机器人的定位信息，然后远程主机通过无线通信把定位信息传输到导航控制模块中，导航控制模块再与建立的场景地图进行匹配，从而引导搬运机器人避让路线中出现的障碍物[1]，到达场景内的指定位置 （定位信息包含位置和航向），并通过相应算法实现搬运机器人的精确循迹。

图1 无反射板激光导航搬运机器人工作原理图

无反射板激光导航技术是通过激光雷达实时扫描周围轮廓信息，再与建立的场景地图匹配，并通过相应算法实现循迹，主要过程包括4个方面。

图2 无反射板激光导航搬运机器人结构图

1）构建场景地图：智能搬运机器人工控机上安装的建图定位软件负责将激光测距数据与两轮驱动器反馈的里程计信息进行融合处理，从而生成机器人运行环境地图[2]。

2）路径规划：全局路径规划 （Global Planner）是根据机器人当前位置、地图中障碍物信息以及用户给定的目标位置进行总体路径规划[3]。

3）激光定位：激光定位技术主要采用迭代最近点 （Iterative Closest Point，ICP）扫描匹配算法将激光雷达获取的数据与创建的环境地图进行定位匹配，纠正定位累计误差，实现智能搬运机器人的精准定位，从而获得智能搬运机器人相对于环境地图坐标系的位置[4]。

4）激光导航：智能搬运机器人在机器人软件平台 （ROS）原有路径规划框架中，将改进的RA＊算法作为全局路径算法进行路径规划。在实际应用过程中，正是利用激光定位传感器解码并实时对目标位置精准定位，通过计算机向机器人控制系统下达指令信号，从而控制机器人左右两轮速度与方向，使其按照预先设定的路径运行。

2 无反射板激光导航搬运机器人的应用

无反射板激光导航搬运机器人与以往的搬运机器人不同，主要采用循轨导航、循迹导航、视觉导航以及反射板的激光导航等方式，5种导航方式的优缺点见表1。

表1 5种导航方式的优缺点

无反射板激光导航是一种技术先进，运行更加灵活便捷，节约成本，抗干扰强的智能导航方式，尤其适用于生产车间布局紧密和变动较大的场景，而不适用在铺设轨道和轨迹的场景。根据轮廓地图定位，能使搬运机器人更加灵活自如地完成设定好的任务。由于不需要在环境中添加任何物体，只需利用场景中已有的物体，它便能满足市场上针对高灵活性、短安装和启动时间的需求，且导航方式柔性程度高，因此可适应于场景布局变动[5]。另外，无反射板激光导航搬运机器人在节省人工的同时，还可提高产品质量及可追溯性，减少人工干预出现的差错，具有良好的自动纠错能力。

在一些特殊的环境中，非视觉传感器的探测范围和精度与视觉导航系统相比不是很理想，对于一些高精度的导航任务还不能胜任，所以需要开发出新型传感器，提出新的信息融合方法来弥补不足。

在未来，无反射板激光导航技术将会与更多先进的传感器技术相融合，以提高搬运机器人的准确性及快速反应性能。因此，针对智能搬运机器人的新型传感器的研发和信息融合是业界今后研究的一个重要课题。

3 结束语

本文介绍了无反射板激光导航搬运机器人的工作原理，构建了实例模型，并阐述了无反射板激光导航技术的工作过程；通过与其他主要类型智能搬运器人进行比较，分析了无反射板激光导航搬运机器人的应用特点和工作环境，展望了其未来的应用前景和发展方向。