一種重載移載機器人的設計開發

陳成華

一種重載移載機器人的設計開發

陳成華

（廈門航天思爾特機器人系統股份公司，福建 廈門 361021）

針對現有移載式機器人載重方面的問題，設計一種重載移載機器人，能夠高效、準確、靈活完成物料搬運，滿足現代物流對于長距離大負載的需求。該機器人基于現代工業設計，通過工業互聯網連接，運用人工智能進行管理運行和統一調度。介紹了該設計原理及系統構成情況，不僅能提高工作效率，還能提升智能化水平，取得良好的經濟效益。

重載移載機器人；系統設計；性能；應用效果

當前中國正在實施“中國制造2025”戰略，以實現制造業的工業化和智能化。在工業生產制造領域，對于移載機器人，特別是重型裝備行業在轉型生產方面對重型移載機器人有迫切的需求。目前市場上常見的移載式機器人主要有AGV（即自動導航搬運車）小車，該車是由舵輪驅動，在重載貨物環境下存在一些問題，比如啟動時由于負載大并且舵輪摩擦地面導致啟動扭矩很大、在重載情況下舵輪磨損大以及使用雙舵輪驅動存在地面不平整時會有驅動打滑等情況。而6軸式機器人也存在負載低，工作范圍有限等問題，不能滿足現代制造業對物流系統長距離大負載的要求。因此，設計開發一款重載移載機器人對于解決目前工業生產重載不足問題有著重要意義。

1 重載移載機器人的設計

1.1 工作原理

該重載移載機器人運行原理主要是，通過四組浮動式麥克納姆輪機構驅動重載移載機器人做全方位運動，萬向腳輪也起到支撐小車及物料質量的作用。車身為鋼結構件，主要提供支架系統和工件的承載。升降機構采用液壓升降機構能夠承載30 t的負載，升降行程400 mm，通過升降實現工件的取放。

1.2 重載移載機器人結構構成

本設計是一種重載移載機器人，專門用于工業貨物運輸。該機器人由承載機構（車架、升降機構、工作臺）、驅動機構（4組麥克納姆輪伺服驅動機構）、安全保護裝置（非接觸和接觸雙重保護）、供電系統（電池、智能充電裝置）、引導系統（磁導航裝置、導航磁條、地標）、電氣控制（PLC控制）、鈑金外罩等組成。主要結構部件是麥克納姆輪驅動機構，具體如圖1和圖2所示。

1.3 性能特點

1.3.1 載重能力強，應用范圍廣

該重載移載機器人負載能力大，最大可達30 t，而普通6軸機器人負載能力一般不超過1 t，而且工作半徑小。適用于建筑行業、石油裝備行業、工程機械行業、食品行業及重工行業等。

1—麥克納姆輪驅動機構；2—車架；3—三色警示燈；4—充電接觸板；5—液壓升降機構；6—導向機構； 7—工作臺；8—安全感應裝置；9—外罩。

10—萬向腳輪；11—蓄電池；12—液壓站；13—RFID地標傳感器；14—控制柜；15—磁導航傳感器。

1.3.2 全方位驅動，智能化高

該重載移載機器人采用全方位驅動方式，具有可實現前進、后退、側移、旋轉等全方位行走，以及將物料自動輸送到生產線中的各個工位等優點。

1.3.3 工作高效，全自動運行

該重載移載機器人可以高效、準確、靈活地完成物料的搬運任務，并且可由多臺組成柔性的物流系統，實現物流自動化，配合6軸機器人完成生產線自動生產，以達到提高生產效率和降低成本的目的。

2 靜力學特征分析

在設計研發機器人階段，對其進行靜力學分析是必不可少的步驟。通過靜力學分析，可以得到機器人在外力（力矩）作用下的應力、應變及位移分布，根據分析結果能夠清楚地了解設計中存在的缺陷及結構中出現的薄弱環節，并據此進行優化設計。本文借助機械仿真設計軟件Autodesk Inventor 工具，對該重載移載機器人的主要構件和整機典型位姿進行了靜力學分析，根據分析結果對部分零件機械結構進行優化設計，得到了整機在最大載荷情況下工作空間內的靜剛度分布特性，并進一步優化，最終達到提高其整機剛度、位置精度和動力學性能的目的。

本文對重載移載機器人主要構件和整機進行了靜力學分析，并根據結果做出結構優化，得到如下結論：可顯著提高其靜剛度；機器人的靜剛度隨其在工作空間內的不同位姿而發生變化，在最遠端附近靜剛度最小，最近端附近靜剛度最大；綜合考慮節省材料和重載移載機器人末端位移最小。

3 子系統設計分析

3.1 控制系統

重載移載機器人控制系統包括車載控制器和中央控制器兩部分，兩部分之間通過通訊系統通訊。中央控制器負責任務調度、路徑規劃和交通控制。車載控制器負責完成移載機器人的任務執行、運動、導航、傳感器、充電、安全等方面的控制。

3.2 導引系統

車架底部的磁導航傳感器檢測貼在地面的磁條，使其沿著磁條行駛。磁導航傳感器采用多路采樣點輸出，當采樣點的位置出現偏移會自動作出調整，確保沿導航磁條前行。定位精度約±10 mm。機器人底部的RFID地標傳感器識別鋪設在地面的地標信息，可以獲取當前機器人的位置坐標，同時根據程序指令實施啟動、停止、拐彎等動作。

3.3 安全系統

安全感應裝置實時檢測前方是否有障礙物，起到防撞作用。移載機器人采用雙重安全保護，障礙物接觸到接觸式傳感器時，機器人立即停止。

3.4 供電系統

蓄電池為重載移載機器人提供動力源，當電量低于設定值，小車自動行走至充電區域，由智能充電站給蓄電池在線充電。

4 應用效果分析

新開發的重載移載機器人運用于工廠的貨物運輸后，在增加載重、節約成本、靈活運用等方面取得了良好的經濟效益，提高了工作效率。

減少相應的設備投資，降低成本。每套新設計的重載移載機器人造成本約100萬，載重量30 t。而同規格的沈陽新松品牌的重載AGV小車普通移載機器人在市場上每套則約150萬元，載重30 t。該項目使用的5套直接為公司節省設備采購成本250萬元。

改善了工人勞動強度與操作環境。新設計的重載移載機器人實現整線各個工位物料的自動運載，降低人員的參與程度，改善了工人勞動強度和操作環境。

降低了人工成本，緩解招工難的問題。高度自動化智能化的重載移載機器人，全過程實現自動工作，大大減少了工作人員，而且載重大、距離遠，提高了效率，降低了成本。

優化現場物流管理，減少了占地面積和運轉料框，緩解生產車間場地緊張問題，使焊接物流順暢，生產工位件價值流明確化，提高生產管理水平。

響應公司向工業自動化方向推進的號召，提高公司產品工藝水平和質量，提高公司產品核心競爭力，最終提升企業技術水平。

5 結語

重載移載機器人應用于工業生產后取得了預期的效果，大大提升了生產運輸的質量，提高了工作效率，而且長距離的運輸有助于降低成本。技術開發工作也促進了公司自主研發和技術創新，推動公司生產自動化智能化水平的提高。當前工業科技巡視發展，智能機器人廣泛應用于生產領域，需要進一步提高生產的自動化，逐步替代有安全風險且重復簡單的人工，從而提升企業勞動生產率，降低工作風險，實現企業發展與效益雙提升。

［1］楊瑋，曹巨江.弧面凸輪機械手腰身運動傳動裝置的研制與開發［J］.制造技術與機床，2008（4）：114-116.

［2］陸地，任龍，王勝.按壓檢測機械手的設計及研究［J］.制造業自動化，2016，38（1）：42-45.

2095－6835（2020）20－0098－02

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.042

陳成華（1982—），男，福建建甌人，本科，中級職稱，研究方向為AGV自動移載小車。

〔編輯：嚴麗琴〕