倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)*

肖猷坤，李榮泳，李沛輝，羅男生，羅鴻彬，勞振鵬

（東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523000）

0 前言

隨著＂中國(guó)制造2025＂規(guī)劃的提出，物流行業(yè)的運(yùn)作效率、智能化程度越來(lái)越受到重視。傳統(tǒng)的物流作業(yè)模式由于存在勞動(dòng)力成本高、安全性較差、效率低等問(wèn)題，已經(jīng)無(wú)法滿足物流行業(yè)快速發(fā)展的需求。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)模式的不足，需要設(shè)計(jì)出一種運(yùn)行效率高、運(yùn)行平穩(wěn)的倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人大多采用兩輪驅(qū)動(dòng)、帶動(dòng)萬(wàn)向輪的動(dòng)作模式[1]，采用托舉或抬升機(jī)構(gòu)。然而，該動(dòng)作模式使得機(jī)器人的運(yùn)行效率低，如機(jī)器人由原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向改變?yōu)橥蠡蛴疫\(yùn)動(dòng)，耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)；采用托舉或抬升機(jī)構(gòu)也有諸多問(wèn)題：第一，對(duì)電動(dòng)推桿的性能要求高，需要增加成本；第二，隨著時(shí)間累積，貨架的重壓使得電動(dòng)推桿的疲勞強(qiáng)度下降；第三，托舉貨架時(shí)，托舉機(jī)構(gòu)的支撐板與貨架之間是面與面的接觸方式，在搬運(yùn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定的滑移，導(dǎo)致貨架擺放歪斜，還會(huì)在一定程度上限制機(jī)器人搬運(yùn)貨架的加、減速度。針對(duì)以上不足，本文提出一種倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，并從運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、三維模型和電機(jī)選型的角度闡述本方案的可行性。

1 建立移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

本文設(shè)計(jì)了基于麥克納姆輪的全方位移動(dòng)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)方式[2]。麥克納姆輪是由瑞典工程師BengIlon于1973年發(fā)明的[3]，如圖1所示，麥克納姆輪由輪轂和安裝在輪轂外緣上與輪轂軸線呈一定角度的無(wú)動(dòng)力輥?zhàn)咏M成，無(wú)動(dòng)力輥?zhàn)硬粌H可繞輪轂軸公轉(zhuǎn)，也能在地面摩擦力作用下繞各自的支撐芯軸自轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的合運(yùn)動(dòng)速度與輪轂軸有一定的夾角（通常情況下θ=45°）[4]。

圖1 麥克納姆輪結(jié)構(gòu)示意圖

本文所設(shè)計(jì)的物流機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的簡(jiǎn)化模型如圖2所示，圖2中vir(1，2，3，4)∈R是接觸地面自由輥的切向速度向量，viω(1，2，3，4)∈R是輪子的旋轉(zhuǎn)速率，則viω=Rω×ωiω，其中Rω是輪子的半徑，ωiω是自由輥的速率。

圖2 全方位移動(dòng)平臺(tái)車輪配置圖

建立方程式組：

聯(lián)立方程式（1）～（4）和（5）～（8）得到以下方程式：

聯(lián)立方程式（9）～（12）得到以下方程式：

式（13）-（15）中，θ1，θ2，θ3，θ4為四個(gè)輪子的速度，vx，vy，ωz為機(jī)器人的運(yùn)行速度和旋轉(zhuǎn)速度[5]。由方程式（13）～（15）可知在實(shí)際操作中通過(guò)控制 4 個(gè)輪子不同的θ1，θ2，θ3，θ4，可以獲得機(jī)器人任意的運(yùn)動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)角度，能夠?qū)崿F(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)方式。以上的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析，從理論上證實(shí)了本文所設(shè)計(jì)的倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)具有全方位移動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)如圖3（a）、（b）所示，該平臺(tái)是一種基于麥克納姆輪的移動(dòng)平臺(tái)，使用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。利用鋁合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐蝕性能好、成本低、易加工的優(yōu)點(diǎn)[6]，選擇鋁合金作為車身的材料。為規(guī)避托舉或抬升機(jī)構(gòu)所導(dǎo)致的問(wèn)題，本文在移動(dòng)平臺(tái)的中間位置設(shè)置了牽引機(jī)構(gòu)，包括電動(dòng)抬升桿、支撐板、牽引柱子，電動(dòng)抬升桿動(dòng)作時(shí)，帶動(dòng)支撐板和牽引柱子，實(shí)現(xiàn)牽引式搬運(yùn)貨架的效果，保證搬運(yùn)的平穩(wěn)性，有效降低錯(cuò)誤率。如圖3（c）所示，在貨架的下方設(shè)置了與物流機(jī)器人相配套的輔助定位機(jī)構(gòu)，是一種漏斗形的結(jié)構(gòu)。本文把輔助定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為漏斗形，可以有效提高牽引機(jī)構(gòu)與貨架的定位的便捷度。

本文以四軸運(yùn)動(dòng)控制卡作為核心控制器、以Arduino單片機(jī)為輔助處理器，共同組成下位機(jī)。上位機(jī)由PC機(jī)和應(yīng)用程序組成，PC機(jī)通過(guò)路由器網(wǎng)絡(luò)連接運(yùn)動(dòng)控制卡，其中PC機(jī)主要負(fù)責(zé)信息流和數(shù)據(jù)流的管理，以及從運(yùn)動(dòng)控制卡讀取數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)計(jì)算后將控制指令發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制卡。驅(qū)動(dòng)器的方向、脈沖信號(hào)腳連接至運(yùn)動(dòng)控制卡，驅(qū)動(dòng)器接收到運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出的脈沖信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部的PWM電路控制直流步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，如此構(gòu)成一個(gè)全方位移動(dòng)的控制系統(tǒng)。該倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的控制系統(tǒng)的電路原理如圖3（d）所示。

總系統(tǒng)的運(yùn)行原理如下：PC機(jī)發(fā)送控制指令至運(yùn)動(dòng)控制卡，進(jìn)而從運(yùn)動(dòng)控制卡的信號(hào)引腳輸出低電平觸發(fā)繼電器，連接電動(dòng)抬升桿的回路通電，電動(dòng)抬升桿執(zhí)行回降運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人通過(guò)AGV傳感器識(shí)別磁導(dǎo)線沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到兩直磁導(dǎo)線交叉處，RFID接收讀取交叉處RFID卡片的信息，機(jī)器人根據(jù)傳感器信息及上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的目標(biāo)倉(cāng)庫(kù)信息判斷運(yùn)動(dòng)的方向，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到磁導(dǎo)線末端時(shí)即為機(jī)器人所需到達(dá)的目標(biāo)倉(cāng)庫(kù)位置；PC機(jī)將控制指令發(fā)給運(yùn)動(dòng)控制卡輸出高電平觸發(fā)繼電器，連接電動(dòng)抬升桿的回路通電，電動(dòng)抬升桿執(zhí)行上升運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人通過(guò)機(jī)器人上方的牽引柱子從漏斗下方喇叭口插入，通過(guò)貨架的重力作用和漏斗結(jié)構(gòu)將兩條牽引柱子引導(dǎo)到兩個(gè)漏斗結(jié)構(gòu)中央圓管位置；當(dāng)牽引柱子的頂端與角碼平齊時(shí)，從運(yùn)動(dòng)控制卡的信號(hào)引腳輸出低電平響應(yīng)繼電器，回路斷電，電動(dòng)抬升桿停止工作，進(jìn)一步地，運(yùn)動(dòng)控制卡往步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)工作，機(jī)器人帶動(dòng)貨架往下目標(biāo)倉(cāng)庫(kù)移動(dòng)。到達(dá)目標(biāo)倉(cāng)庫(kù)后，再次從運(yùn)動(dòng)控制卡的信號(hào)引腳輸出高電平觸發(fā)繼電器，連接電動(dòng)抬升桿的回路通電，電動(dòng)抬升桿執(zhí)行回降運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人上方的牽引柱子從漏斗下方離開，機(jī)器人完成取貨工作，該過(guò)程中同時(shí)涉及由運(yùn)動(dòng)控制卡從串口（TX、RX）往Arduino單片機(jī)發(fā)送指令，輸出脈沖信號(hào)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)攝像機(jī)工作，監(jiān)視機(jī)器人工作狀態(tài)，如機(jī)器人上方的牽引柱子對(duì)漏斗口的正確定位。避障方面，使用超聲波檢測(cè)物體距離，根據(jù)音速實(shí)時(shí)算出四個(gè)方向上的障礙物距離，當(dāng)某個(gè)方向上的測(cè)距值小于預(yù)設(shè)的避障有效距離值（有效距離值設(shè)定為20 cm），arduino單片機(jī)將通過(guò)串口通信（TX、RX）向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送避障指令，被運(yùn)動(dòng)控制卡的相關(guān)程序識(shí)別后，運(yùn)動(dòng)控制卡將輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，控制機(jī)器人自動(dòng)避開障礙物行走。

圖3 倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)及電路原理示意圖

3 電機(jī)選型計(jì)算

本文所設(shè)計(jì)的倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的車體本身重量m1=100 kg，最大負(fù)重m2=150 kg，最大移動(dòng)速度v=0.5 m/s，驅(qū)動(dòng)輪半徑r=152 mm。設(shè)最大加速度a=0.3 m/s2，取滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.2，安全裕量k=2，機(jī)械傳動(dòng)效率η=0.8，假設(shè)理想情況下，四個(gè)步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械特性曲線、功率曲線相同，小車正常工作時(shí)所需的總驅(qū)動(dòng)功率為：

式中：F—合力；v—最大移動(dòng)速度（m/s）；η—機(jī)械傳動(dòng)效率。

本文采用四個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但可能存在地面不平整的情況，所以假設(shè)為三個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在考慮安全裕量的情況下，任意一個(gè)電機(jī)所需要的功率為：

P1=P/3×k

式中：k—安全裕量。

根據(jù)電機(jī)功率進(jìn)一步計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩[7]:

T=9 549×P1/n

式中：n—所需要的轉(zhuǎn)速。

所需最大轉(zhuǎn)矩，即摩擦力矩為：

Tm=fr=μ(m1+m2)gr

式中：f——靜摩檫力。

根據(jù)小車移動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)輪半徑，步進(jìn)電機(jī)所需轉(zhuǎn)速為：n=60v/(2πr)

代入以上數(shù)據(jù)計(jì)算，得P=354 W，P1=236 W，n=600 r/min，T=3.8 N/m，Tm=37.24 N/m。根據(jù)以上計(jì)算，最終選擇型號(hào)為86HS11460A4JSC（1.8°6.0A）的步進(jìn)電機(jī)。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2～3倍[8]，本文取靜力矩為3×Tm=111.72 N/m。計(jì)算減速比：3.8∶111.72=1∶29.4。

故本文選取與該步進(jìn)電機(jī)配套的、且減速比1∶30的減速機(jī)。考慮到該電機(jī)頻繁動(dòng)作，需要選擇運(yùn)行平穩(wěn)可靠的驅(qū)動(dòng)器，因此選擇與該電機(jī)配套的高性能驅(qū)動(dòng)器DM8060H。

圖4 樣機(jī)與測(cè)試環(huán)境圖

4 樣機(jī)組裝

按圖紙進(jìn)行加工裝配，所得樣機(jī)如圖4所示。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1） 最大外型尺寸：L800 mm×W780 mm×H200 mm， 自 重 100 kg，額定載重150 kg；

（2）最大行駛速度0.5 m/s，最大加速度0.3 m/s2；

（3）該移動(dòng)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)方式為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；

（4）該移動(dòng)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎；

（5）該移動(dòng)平臺(tái)搬運(yùn)貨架的方式是牽引式。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所做工作與改進(jìn)的效果如下：

（1）結(jié)合麥克納姆輪的技術(shù)原理，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，設(shè)計(jì)了一種倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)，其靈活性高，具有全方位移動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，相比現(xiàn)有的采用兩輪驅(qū)動(dòng)、帶動(dòng)萬(wàn)向輪動(dòng)作的倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)，本移動(dòng)平臺(tái)的搬運(yùn)效率更高；

（2）從力學(xué)角度，對(duì)驅(qū)動(dòng)該移動(dòng)平臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了選型計(jì)算，避免因錯(cuò)誤選型而導(dǎo)致電機(jī)損壞、增加成本；

（3）設(shè)計(jì)了該小車搬運(yùn)貨架的方式為牽引式，有效避免了托舉時(shí)出現(xiàn)推桿電機(jī)嚴(yán)重過(guò)載的現(xiàn)象，也有效避免了貨架與支撐板之間的面接觸可能產(chǎn)生的貨架滑移現(xiàn)象或貨架歪斜現(xiàn)象；

（4）設(shè)計(jì)了實(shí)用性強(qiáng)的輔助定位機(jī)構(gòu)，可以有效提高牽引機(jī)構(gòu)與貨架的定位的便捷度。

參考文獻(xiàn)：

［1］ Borenstein ， J.Control and Kinematic Design of Multi-Degree-of-Freedom Mobile Robots with Compliant Linkage ［J］.IEEE Transactionson Robotics and Auto?mation，2002，11（1）：21-35.

［2］張金玲，陳浩，張玄，等.一種智能物流車設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2016（07）：60-61.

［3］ Jefri Efendi Mohd Salih，Mohamed Rizon，Sazali Yaa?cob，et al.Designing Omni-Directional Mobile Robot with Mecanum Wheel［J］ .American Journal of Applied Sciences，2006，3（5）：1831-1835.

［4］ P.F.Muir， C.P.Neuman.Kinematic Modeling for Feed?back Control of an Omnidirectional Wheeled Mobile Robot［C］.Proceedings of the 1987 IEEE International Confer?ence On Robotics and Automation.New York， USA，1990：1772-1778.

［5］ J.PARK，K.SUDAE.Driving Control of Mobile Robot with Mecanum Wheel using Fuzzy Inference System［C］.International Conference on Control， Automation and Systems 2010Oct，2010，27（30）：2519-2523.

［6］顏艷.探究鋁合金材質(zhì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［D］.北京：北京理工大學(xué)，2015.

［7］羅成，黃海波，梅建偉，等.永磁同步電機(jī)3種速度調(diào)節(jié)方式的比較［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（04）：71-74.

［8］唐治.機(jī)械零件反求建模測(cè)控平臺(tái)設(shè)計(jì)［D］.成都：西南交通大學(xué)，2007.