倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計與分析

千明華 葛素霞

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特010000）

目前，隨著人類生產(chǎn)力的進(jìn)一步發(fā)展和生活水平的不斷提高，物流運(yùn)輸越來越成為生活中不可或缺的部分[1]。在電子商務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，不論是日常消費購物，還是貨物的定點發(fā)送，物流運(yùn)輸都是必不可少的一個環(huán)節(jié)。但是，物流運(yùn)輸量的井噴式發(fā)展，使得物流業(yè)的工作人員的工作量也隨之增加[2]。想要從根本上解決這一問題，在增加工作人員數(shù)量的同時，將物流運(yùn)輸由傳統(tǒng)的人工搬運(yùn)由機(jī)器人代替，是一條非常可行的途徑[3]。隨著《中國制造2025》規(guī)劃的進(jìn)一步實施，自動化、智能化技術(shù)在各行各業(yè)都取得了令人矚目的成就，這其中也包括在物流領(lǐng)域[4]。為了使物流運(yùn)輸能夠準(zhǔn)確、高效，越來越多的物流公司開始將自動化設(shè)備應(yīng)用到物流分揀、搬運(yùn)中來。同時，2016 年12 月在江蘇省召開的《世界智能制造合作發(fā)展高峰論壇》中，國家工信部明確表示將自動化倉儲作為中國制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的重要任務(wù)之一來實施[5]。傳統(tǒng)物流分揀模式中，由人工搬運(yùn)、分揀物流件，耗時時間長、效率低下，工人勞動強(qiáng)度大，且存在一定的安全隱患。同時，在如此高強(qiáng)度的勞動條件和對快速分揀的要求下，負(fù)責(zé)分揀的工作人員難免忙中出錯[6]。如此，很難滿足目前電子物流行業(yè)中種類多、批量少的行業(yè)特征。再則，目前新生勞動力對分揀物流這樣工作內(nèi)容單一、強(qiáng)度大的工作普遍不感興趣，而之前的勞動力逐漸老去，加深了該領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。如何能打破目前的行業(yè)現(xiàn)狀，自動化、智能化的物流設(shè)備是一條非常理性的選擇[7]。通過倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人來代替人工分揀、搬運(yùn)作業(yè)，可以解放生產(chǎn)力、提高勞動效率。

1 倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成及原理

本文所設(shè)計的倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人是一種用于物流件分揀、搬運(yùn)、運(yùn)輸?shù)臋C(jī)器。傳統(tǒng)的搬運(yùn)機(jī)器人，多為叉車式、牽引式等，車體體積大，運(yùn)行占地面積寬，很難適應(yīng)要求越來越高的現(xiàn)代物流[8]。而且，傳統(tǒng)的搬運(yùn)機(jī)器人很多需要鋪設(shè)專門的輔助導(dǎo)引帶，使得運(yùn)行范圍受導(dǎo)引帶的限制，且后期倉庫調(diào)整較困難，不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代倉庫的物流環(huán)境[9]。倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人是以目前物流系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以先進(jìn)的科學(xué)理論和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為支撐的物流分揀、運(yùn)輸設(shè)備。其能夠?qū)崟r感知周邊環(huán)境并作出相應(yīng)的分析處理，將所運(yùn)輸?shù)奈锪骷?jīng)識別后分揀出來，由控制系統(tǒng)對機(jī)器人進(jìn)行路徑選擇和規(guī)劃，將設(shè)備運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢肹10]。本文所設(shè)計的倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人可有效降低物流分揀搬運(yùn)的成本，降低工作人員的勞動強(qiáng)度，使現(xiàn)代物流系統(tǒng)向著更加高效、精準(zhǔn)的方向發(fā)展，具有很高的研究價值和社會社會效益。如圖1 所示為所設(shè)計倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖1 機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)

倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人主要由機(jī)器人底盤、搬運(yùn)機(jī)械臂、爪子、攜帶傳感器等構(gòu)成。

1.1 機(jī)器人底盤設(shè)計

機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)的主體部分，主要用來支撐和運(yùn)輸機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)。由于倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人的主要任務(wù)是分揀和搬運(yùn)物流件，因此要求機(jī)器人的底盤強(qiáng)度高、可靠性好，同時盡可能地降低重量，減輕驅(qū)動系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)而降低能耗[11]。所以，本文所設(shè)計倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人的底盤采用鋁合金鋼板制成。機(jī)器人底盤如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人底盤示結(jié)構(gòu)

倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人采取鑲嵌式設(shè)計。機(jī)器人的驅(qū)動裝置、定位導(dǎo)航裝置、控制系統(tǒng)、機(jī)器人總控制、路徑規(guī)劃系統(tǒng)等皆鑲嵌于機(jī)器人底盤上，驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)行的能源安裝在機(jī)器人底板上的電池安裝盒內(nèi)，倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為搬運(yùn)機(jī)械臂，安裝在底板上方的懸臂固定臺上[12]。機(jī)器人采用四輪驅(qū)動的方式。目前，該類機(jī)器人主要有兩輪式驅(qū)動和四輪式驅(qū)動的方式，有極少數(shù)載重較大的機(jī)器人采用六輪式驅(qū)動。兩輪式驅(qū)動的機(jī)器人分為前輪驅(qū)動和后輪式驅(qū)動，這兩種機(jī)器人共同的特點是設(shè)計簡單、能耗較低，但是控制難度大、精度低，不能滿足本文所設(shè)計倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人的精度要求。故本設(shè)計選擇采用四輪驅(qū)動的方式，四個驅(qū)動輪皆由伺服電機(jī)直接驅(qū)動，控制系統(tǒng)直接控制電機(jī)的啟停，以及其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩[13]。

1.2 機(jī)器人機(jī)械臂設(shè)計

當(dāng)倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人將上一物流件投放到指定地點返回后，由機(jī)器人總控系統(tǒng)發(fā)出指令，并控制機(jī)器人底盤上四個驅(qū)動輪的啟停和轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，使機(jī)器人以適當(dāng)?shù)慕嵌鹊竭_(dá)指定位置。此時，機(jī)器人停止在原位固定不動，機(jī)器人的機(jī)械臂開始工作，將物流件夾取后再次運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢谩９识髾C(jī)械臂具有適當(dāng)?shù)淖杂啥龋乙ＷC其具有足夠的剛度和強(qiáng)度，機(jī)器臂的伸縮和旋轉(zhuǎn)要準(zhǔn)確和高效[13]。為此，所設(shè)計機(jī)器人機(jī)械臂如圖3 所示。

圖3 機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

所設(shè)計機(jī)械臂整體安裝在底盤上的懸臂固定臺上，由內(nèi)置舵機(jī)驅(qū)動懸臂圍繞固定臺旋轉(zhuǎn)。機(jī)械臂的小臂安裝在懸臂底盤上，由舵機(jī)驅(qū)動其沿著兩根圓柱形導(dǎo)軌做直線運(yùn)動，最大行程為230mm。機(jī)械臂小臂末端安裝有懸臂腕關(guān)節(jié)，手抓由內(nèi)置舵機(jī)驅(qū)動其做俯仰運(yùn)動。

1.3 機(jī)器人手爪設(shè)計

倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人的爪子主要負(fù)責(zé)當(dāng)機(jī)器人到達(dá)指定位置、懸臂到達(dá)理想姿態(tài)后，爪子將待運(yùn)輸物流件夾取起來，并牢牢地夾住直到機(jī)器人到達(dá)指定位置后，再將爪子松開。所設(shè)計倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人的爪子如圖4 所示。

圖4 機(jī)器人爪子

如圖所示，機(jī)器人的爪子由兩個大小和結(jié)構(gòu)完全相同半圓弧夾取機(jī)構(gòu)組成，其末端由兩個完全相同的齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)。故而，爪子在張合時能夠保證其左右結(jié)構(gòu)對稱，所夾物流件所受夾持力大小相同。為了使一組齒輪在轉(zhuǎn)動時不發(fā)生干涉現(xiàn)象，采用單邊驅(qū)動的設(shè)計方式，即一個為主動輪，另一個為從動輪。

2 倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人強(qiáng)度分析

機(jī)器人的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)由三個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動所組成。在工作過程中機(jī)器人會與環(huán)境之間產(chǎn)生相互作用的力矩和力。機(jī)器人各關(guān)節(jié)上的舵機(jī)能夠提供機(jī)械臂轉(zhuǎn)動或者直線移動的力矩，通過機(jī)械臂末端的爪子，以完成搬運(yùn)工作，各關(guān)節(jié)能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行，是機(jī)器人控制機(jī)械臂的基礎(chǔ)。所以，保證各關(guān)節(jié)靜力學(xué)強(qiáng)度的穩(wěn)定至關(guān)重要。本文所設(shè)計機(jī)器人的機(jī)械臂由四個關(guān)節(jié)構(gòu)成，假設(shè)第i 桿所對應(yīng)的關(guān)節(jié)i 與第i+1 桿所對應(yīng)的關(guān)節(jié)i+1 相連，則可建立兩個坐標(biāo)系{i-1}和{i}。

定義以下變量：fi-1,i及ni-1，i為i-1 桿通過關(guān)節(jié)i 作用在i 桿上的力和力矩；fi,i+1及ni，i+1為i 桿通過關(guān)節(jié)i+1 作用在i+1 桿上的力和力矩；-fi,i+1及-ni，i+1為i+1 桿通過關(guān)節(jié)i+1 作用在i 桿上的反作用力和反作用力矩；fn,n+1及nn，n+1為機(jī)械臂末端爪子對物流件的作用力和作用力矩；-fn,n+1及-nn，n+1為物流件對機(jī)械臂末端爪子的作用力和作用力矩；F0,1及n0，1為機(jī)器人底盤固定座對懸臂底盤的作用力和力矩；mig 為第i 桿的重量。

所以，機(jī)器人機(jī)械臂各連桿靜力學(xué)平衡的條件為其各連桿合力和合力矩皆為零。故而可列方程式：

fi-1,i+（-fi,i+1）+mig=0

ni-1，i+（-ni，i+1）+（ri-1，i+ri，Ci）×fi-1,i+ri，Ci×（-fi,i+1）=0

其中，ri-1，i為坐標(biāo)系{i}的原點相對于坐標(biāo)系{i-1}的位置矢量；ri，Ci為質(zhì)心相對于坐標(biāo)系{i}的位置矢量。

根據(jù)機(jī)器人所運(yùn)輸?shù)奈锪骷馁|(zhì)量和機(jī)械臂上各連桿的尺寸，即可有機(jī)械臂末端的爪子依次逆推，計算求得各連桿所受的力和力矩[14]。

3 倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器仿真分析

所設(shè)計倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人的額定荷載重量為20kg，即物流件對機(jī)械臂末端的爪子的反作用力約為200N。機(jī)械臂底盤支座長度為330mm，采用厚為4.5mm 的有機(jī)玻璃制成。小臂滑軌支座與機(jī)械臂底盤支座之間由銅柱支撐連接。小臂和爪子，以及驅(qū)動舵機(jī)等零部件總重為137N。由所設(shè)計機(jī)器人模型可求得，當(dāng)機(jī)械臂夾取20kg 的物流件，小臂到達(dá)小臂最前端時，根據(jù)靜力學(xué)平衡可求得懸臂底盤支座所受作用力為：前端為向下231N，后端為向下183N。根據(jù)機(jī)器人實際受力情況，將上述受力值施加于機(jī)器人機(jī)械臂底盤支座上得等效應(yīng)力云圖，如圖5所示；等效應(yīng)變云圖，如圖6 所示；等效變形云圖，如圖7 所示。

圖7 等效變形云圖

圖6 等效應(yīng)變云圖

圖5 等效應(yīng)力云圖

由應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖可知，該機(jī)器人機(jī)械臂底盤支座的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變皆發(fā)生在固定臺的前側(cè)，最大應(yīng)力為2.66×108N/m2，最大應(yīng)變?yōu)?.64×10-3mm/mm。最大變形發(fā)生在機(jī)械臂底盤支座的最前端，最大變形量為9.8mm。皆滿足機(jī)器人運(yùn)行的強(qiáng)度要求。為了進(jìn)一步提高倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人的穩(wěn)定性，在后續(xù)制造中應(yīng)在機(jī)械臂底盤支座上添加加強(qiáng)筋。在上述對機(jī)械臂底盤支座仿真分析的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，對底盤、光軸支座、立柱支撐等體積進(jìn)行優(yōu)化，作出合理預(yù)測并給出生產(chǎn)建議。尋找子不影響懸臂底盤運(yùn)行時強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求的可去除面積，從而進(jìn)一步降低機(jī)器人制作成本和機(jī)器運(yùn)行能耗。拓?fù)鋬?yōu)化計算結(jié)果如圖8 所示。

圖8 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

由分析可知，底盤支座的固定住安裝環(huán)周圍為可去除面積。但是固定住安裝環(huán)側(cè)面需安裝其他零件，做裝配使用。若刻意去除則將直接增加加工成本。綜合分析認(rèn)為, 底盤支座的固定住安裝環(huán)在毛坯選擇時允許有少量缺陷。根據(jù)上述對倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計和仿真計算，對機(jī)器人進(jìn)行樣機(jī)制作，圖9 為所制作倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人的樣機(jī)，圖10 為機(jī)器人搬運(yùn)物流件的試驗圖。由圖可知，機(jī)器人結(jié)構(gòu)變形小，懸臂的剛度滿足預(yù)定要求，其運(yùn)行穩(wěn)定性在理想的范圍內(nèi)。

圖9 機(jī)器人樣機(jī)

圖10 機(jī)器人搬運(yùn)試驗

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款簡潔方便、控制容易、安全性高的倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人。主要研究了其底盤結(jié)構(gòu)、搬運(yùn)機(jī)械臂、爪子等機(jī)構(gòu)。根據(jù)機(jī)器人所運(yùn)輸物流件的質(zhì)量和機(jī)械臂上各連桿的尺寸，對機(jī)械臂末端的爪子依次逆推，計算求得懸臂底盤所受的力和力矩，其前端為向下231N，后端為向下183N。

運(yùn)用有限元法求得懸臂支架的等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變云圖和變形云圖，最大應(yīng)力為2.66×108N/mm2，最大應(yīng)變?yōu)?.64×10-3mm/mm。對機(jī)器人進(jìn)行了樣機(jī)制作，其結(jié)構(gòu)變形小，懸臂的剛度滿足預(yù)定要求，其運(yùn)行穩(wěn)定性在理想的范圍內(nèi)。