智能物料搬運小車的設計

徐昊天

（湖北工業大學，湖北 武漢 430000）

0 引言

在物流搬運行業，一種全能的智能物料小車可以在減輕工人負擔的同時提高工作效率。當前研究熱點在于，智能化與自動化。現在物流搬運小車技術持續發展，市場尚未飽和。在用機器換人的趨勢下，本論文對智能物料小車的研究具有深遠意義。

1 國內外發展現狀

智能物料搬運小車在國內的運用已經很成熟了，比如京東的物資轉運站已經開始使用全自動化的無人小車，國內各大港口也已經開始使用自動化的小車來搬貨物。但目前國內大部分的物料小車都只能搬運特定的貨物，比如京東的智能小車就只能搬運包裝好的京東貨物。如果使用舵機驅動的多自由度機械手作為夾取裝置，則可以對多種不同的貨物進行運輸，且對于貨物的外形種類要求也會更寬泛。而使用麥克納姆輪的底盤驅動小車則可以在更加擁擠的工作環境中實現自由移動，同時在電機驅動下實現快速轉向[1]。

2 機器人底盤設計

2.1 底盤整體設計

物料搬運小車需要在擁擠的工作環境中具有靈活的移動能力，并且轉向的空間也要盡可能縮小，所以使用麥克納姆輪。小車的底盤使用四個無刷直流電機四驅驅動，配合電路控制可以提高控制精度。考慮到如果把電機安裝到上端蓋上，在長時間的使用后可能會使電機的相對位置發生移動，所以在四個電機上連接了四根連桿，連桿的直徑為40mm，連桿將電機連接起來，可以增加安裝的穩定性，并且降低電路控制的要求。在四個電機上安裝了15mm厚的L形鋁板，和下方的7mm厚環形鋁板安裝在一起，再將這兩個零件安裝在上端蓋上，起到固定電機的作用[2]。

2.2 電機選型

物料搬運小車的電機要具有體積小，動力強勁的特點，并且要具有較長的使用壽命和可維修性，可用于溫度范圍較大的環境。所以在電機上選用M3508無刷直流電機。通過網上查找資料可知，該電機的額定電壓為24V，重量為365g，最大轉速為469rpm，持續最大扭矩為3N·M，使用溫度為0~50°。通過計算，符合該物料小車的使用要求。

2.3 麥克納姆輪型號選擇

在完成電機的選型之后，我們開始為電機選擇合適的輪子。通過查找電機的產品說明書可知，電機的直徑為110mm，那么就要選取比110mm更大直徑的輪子。在網上查找后，找到MAKEBIT公司的麥克納姆輪，直徑為140mm，售價為679元四個，聯軸器孔徑為6mm。

2.4 電機和上端蓋的連接裝置

圖1中使用7mm厚的鋼板（綠色）和15mm厚的鋁板（紫色）來進行電機和上端蓋之間的固定。配合選用6.8mm的螺紋孔，采用過渡配合。鋁板和無刷直流電機之間選用7.8mm的螺紋孔，采用過渡配合。

圖1 電機和上端蓋的連接裝置

3 機械手設計

3.1 機械手整體設計

機械手是典型的機電一體化裝置，如圖2，可實現快速精準的抓取。由于被抓物料形狀、尺寸不確定，設計采用鉗形指[3]。伺服電機用作動力源，而傳動機構采用了回轉型傳動機構，結構簡單且精度高，控制鉗形指和連桿在平面內自由運動。

圖2 機械手的整體設計

3.2 自由度設計

機械手的自由度一般在三個到六個之間，考慮到該物料搬運小車已經在底盤上擁有了兩個自由度，所以在機械手上設計三個自由度，這樣可以使小車具有五個自由度，使小車可以在物料搬運場合自由活動。

3.3 連桿選擇

該機械手有兩種連桿，都是使用15mm厚的鋁板，在確保強度的同時減少重量。每個連桿由兩片對稱的鋁板固定，其中一片鋁板上開一個125mm*63mm的長方形孔來安裝舵機。用Solidworks中的體積計算功能，得到長板的體積為729立方毫米和608立方毫米，乘以銅的密度可以得到長板的重量為5.8g，短板的重量為4.8g。則兩個連桿的總重量為11.6g和9.6g。

3.4 夾取裝置選擇

夾取裝置使用由舵機控制的機械夾。將一堆夾子安裝在半圓形的板上，通過舵機的180°轉動來使夾子張開合攏。通過觀察可得，無論舵機如何轉動，兩個夾子都不可能超出直線軌道的范圍，所以不需要人工限位，但在電路控制的方向上要注意把電機的轉動控制在180°以內，避免由于電機的不正確轉動使兩個夾子相對擠在一起，因受力過大導致損壞。在夾子上開兩個槽增加對貨物的夾取穩定性。通過電路控制來完成末端執行器的夾取操作[4]。

3.5 舵機選擇

這個機械手上有兩種不同的舵機，一個是在末端執行器上，行使夾取作用的電機，另一種是安裝在連桿上操控末端執行器在空間里運動的舵機。機械手的運動需要使用大扭力舵機來進行操控。在網上查找可以購買的舵機，初步選擇25kg~40kg的分布式串行總線伺服舵機。該機械手一共有六個電機，按每個電機重量為64g估算，可以大致估算出該機械手的總重量為809.3g。初始端舵機的總扭矩要求為44kg·cm，由于初始端有兩個電機，所以每個電機的最大扭矩為22kg·cm。在網上查找可以購買的舵機，找到Fashionstar公司的分布式串行總線伺服電機25KG-HA8-S22符合要求。

圖3 產品參數

該電機售價為102元/個，在該物料小車的機械手連桿上一共要安裝5個。另外，對于末端執行器上的電機，所需要的轉矩小于連桿上的舵機。由于夾取裝置的質量很輕，所以市面上大部分的舵機都符合要求，結合控制精度和經濟實用性，在網上找到小R公司的DS-S006數字舵機。該電機具有體積小，扭力大的特點，并且支持角度模式，阻尼模式和位置回讀，在舵機運行出現異常之后可以報警，并且可以自定義波特率，售價為38元/個。

4 連接處零件

4.1 法蘭盤

在每個舵機和鋁片的連接處都采用了一個法蘭盤，選用的舵機的聯軸器孔徑為6mm，所以法蘭盤的孔徑也為6mm，外徑結合鋁板的寬度，選擇60mm。由于現在量產化的法蘭盤大都是用于車輛和生產器械上的，所以尺寸都不符合。結合連接處盡可能輕的特點，選用3D打印機打印該零件。連接處使用 M4 的螺紋孔，連接螺釘選用M4x4 的螺釘，在保證了連接強度的基礎上，也不破壞電機承接板的強度[5]。

4.2 圓形支座

底盤上的四個電機是由四根連接軸固定在一起的，而連接軸和電機的固定板之間又要通過圓形支座進行連接。內孔根據連接軸的直徑選擇40mm，外徑結合L形固定板的大小選擇100mm，連接處使用 M8 的螺紋孔，連接螺釘選用 M8x3 的螺釘。

4.3 連接軸

底盤上的無刷直流電機和麥克納姆輪之間要采用連接軸組裝在一起，該零件的大圈一側要和無刷直流電機相配合，通過查看M3508無刷直流電機的數據手冊可知外圈的直徑為127mm。小圈一側的直徑則和麥克納姆輪相配合，查看MAKEBIT公司的麥克納姆輪（140mm）數據，可得輪胎連接處的直徑為66mm。大圈使用M6x6的螺孔，小圈采用M4x6的螺孔，螺釘選用M6和M4的螺釘[6]。

4.4 舵機支架

該舵機是用于連接連桿和末端執行器的舵機，使得末端執行器具有章動的旋轉能力。該支架的長和寬要與舵機相配合，查到舵機的長為116mm，寬為54mm，則兩塊裝配版之間的距離為116mm，長度為54mm，采用M7x2的螺孔和M7的螺絲進行裝配。

5 結語

綜上所述，智能物料搬運小車在野外具有可全方位運動、控制方便、系統穩定等優點。該模型也適用于工廠裝配線的物料處理，180度機頭的機械臂連桿機構可使手爪能全方位抓取，并順利落地目標區域。可見其能夠保證穩定的抓取和較高的工作效率，讓自動化物料小車的廣泛應用成為可能，同時不斷發展的模具技術和較為低廉的成本也為它提供了更多的市場機會。