應用于智能倉儲的AGV貨架搬運機器人*

牟勝輝，王有亮，張 成，蔣修華，何偉鋒

（1.喬鋒智能裝備股份有限公司，廣東東莞 523000；2.東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞 523808）

0 引言

隨著人工成本的不斷提高以及對作業效率要求的提高，傳統的人工物料分揀搬運作業方式已顯然無法滿足高效自動分揀搬運作業的要求，越來越多的自動分揀搬運裝置已被大量應用于工業化生產作業過程中。目前機器人在國內整個物流領域的應用主要集中于兩種：從事包裝碼垛作業的機器人和從事自動化搬運的機器人。然而，對于現有的自動分揀搬運機器人而言，其普遍存在設計不合理、運行速度不高以及準確度不高等問題。對于物流環節中倉儲管理及運行部分，國內就鮮有用智能化AGV機器人來解決，造成這種狀況是因為現今市面上的智能化AGV機器人價格過高，我國大部分的倉儲物流企業很難承受如此高昂的成本，加上物流行業近年來利潤逐漸減少，使得從事自動化倉儲搬運的AGV機器人使用率不高[1]。

2019年中國電子商務市場規模達34.81萬億元，電子商務已成為轉變經濟增長方式的重要內容，電商物流能力也隨之不斷提高，但是傳統的分揀中心物流作業模式不能滿足電子商務物流多品類、少批量等需求，迫切需要開展采用電子商務物流系統智能化、自動化系統的關鍵技術，從而提升電子商務中智能倉儲的管理及運行能力[2]。本文通過運用公式算法，精準計算AGV 貨架搬運機器人中驅動電機、舉升電機、固定螺絲和彈簧的工作運行數值并對其進行選型，這些數據對AGV貨架搬運機器人的結構設計和優化提供了重要的參考依據。

1 設計方案

1.1 總體設計構思

本設備試圖削減物流運轉中心工作人員數量及減輕該設備的工作負荷：當貨物從出發點到達物流轉運中心時，工作人員只需將運往指定目的地的貨物分別搬到對應指定目的地標定的貨架上，系統將控制距離其最近的AGV貨架搬運機器人將貨物和貨架一起搬運到目的地。這樣能擺脫傳統倉庫的貨物堆積、管理混亂等困境，最大程度地減少貨物搬運時間，提高倉儲效率。

為實現AGV貨架搬運機器人的自動化和智能化，需要安裝磁條傳感器、地標傳感器模塊、超聲波傳感器等模塊對設備進行導航；使用懸掛式驅動輪保證AGV貨架搬運機器人有足夠的驅動力；選擇蝸輪蝸桿機構實現搬運機器人對貨架的抬升功能。

1.2 驅動方式對比

現今主流的驅動輪的布置方案有3 輪結構、4 輪結構、6輪結構[3]。

3 輪結構：2 個驅動輪加上1 個萬向輪。車體結構較為簡單，運動比較靈活，但相對其他布置方式的缺陷在于車體平衡性較差，承載力不強。

4 輪結構：4 輪結構布局有3 種，如圖1 所示，黑色代表驅動輪，白色代表萬向輪，采取驅動輪差速轉向控制。相對于3輪結構多了1個萬向輪，明顯提升了裝置的承重能力，可實現裝置的全方位移動，使其能在狹小的空間內作業。

圖1 4輪結構

6 輪結構：和4 輪結構相比，其布局形式增加了2 個萬向輪，在原有的優點上車體平衡性得到了進一步增強，從而使AGV 貨架搬運機器人的承載能力得到了增強?？刂品绞讲捎抿寗虞啿钏倏刂芠4]。

通過對比，6輪結構的性能優于4輪結構，因此，設計的AGV貨架搬運機器人采用6輪結構，如圖2所示。4個萬向輪主要負責承重，2個驅動輪主要負責提供驅動力，承載能力比4輪結構強。此外，為了保證驅動輪有足夠的支撐力，驅動輪與車身底盤之間通過彈簧連接，這樣能保證整個車體的作用力均勻地分布在驅動輪上，結合底盤上4 個均勻布置的萬向輪，保證了AGV貨架搬運機器人運行的驅動能力，同時也減少了AGV貨架搬運機器人在運行轉彎時產生的擺動。

圖2 AGV貨架搬運機器人的6輪結構的設計

2 車身功能部件計算及選型

2.1 渦輪蝸桿舉升機構電機的確定

已知條件：η↑＝0.15～0.18（取0.15）。

設轉速n＝400 r/min，抬升質量m＝100 kg，上升速度v＝10 mm/s＝0.01 m/s，重力加速度g＝9.8 m/s2，則力矩：

兩相步進電機技術參數如表1 所示，參照表中技術參數，選取86BYG250H兩相步進電機，靜力矩為12 N·m，有4倍余量，足夠啟動力矩。

表1 部分步進電機技術參數

2.2 驅動電機的確定

AGV貨架搬運機器人運行所受總阻力：

式中：Ff為靜摩擦力；Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力。

貨架搬運機器人在水平道路上等速行駛時必須克服來自地面的滾動阻力和來自空氣的空氣阻力。但是貨架搬運機器人剛起動時車輪所處的滑動狀態對應的摩擦力為滑動摩擦力，在起動前必須先要克服靜摩擦力，因為靜摩擦因數是三者中最大的，對應的靜摩擦力也是最大的，因此只要保證貨架搬運機器人能啟動，之后所面臨的滾動阻力總是比靜摩擦力小得多，因此計算貨架搬運機器人的啟動阻力即可，只要滿足起動條件則運行條件自然就滿足。

（1）靜摩擦力Ff

查文獻[5]，結合物流倉庫實際情況，取最大靜摩擦因數f＝0.3，最大負載為100 kg，車身自重約為50 kg，小車整體總質量m則取150 kg，重力加速度g取9.8 m/s2，則：

（2）空氣阻力Fw

設定貨架搬運機器人空載時最高速度為1 m/s，而且體積與相對道路上行駛的高速小車相差較大，則忽略空氣阻力Fw，即空氣阻力Fw＝0。

（3）坡度阻力Fi

考慮到物流倉庫地面較為平整，坡度較小，取坡度角α為2°，則Fi＝mgsinα≈51 N。

（4）加速阻力Fj

貨架搬運機器人在加速行駛的過程中，需要克服其在加速運動時的慣性力，即加速阻力Fj。設貨架搬運機器人最大負載情況下，從原地起步經過的位移S為1 m時，其車速達到vt＝0.5 m/s，則貨架搬運機器人的加速度：

得出Fj＝ma＝18.75 N

因此，綜上可得

2.2.1 減速比的計算

驅動輪直徑D＝0.125 m，運動總阻力ΣF＝510.75 N，則運動總阻力距：

驅動輪直徑D＝0.125 m，在最大負載情況下，最高速度v＝0.5 m/s，則驅動輪的轉速：

已知電機轉速n＝3 000 r/min，所以減速比i＝n/nw≈39.7，表2所示為某品牌的平行軸減速器規格參數表，通過對照表，選取減速比為36的減速器，即型號為4GN36K的平行軸減速器。

表2 某品牌平行軸減速器規格參數表

2.2.2 功率的計算

單個驅動輪轉矩ΣT＝0.5 ΣM＝15.96 N·m，驅動輪的轉速nw＝77 r/min，則功率：

已知電機轉速n＝3 000 r/min，根據表3所示某品牌電機參數，選取型號為57BL95－230、功率為150 W的直流無刷電動機。

表3 某品牌直流無刷電機技術參數

2.2.3 運動速度的校核

計算減速比之后，還需進行運動速度校核，確保倉儲機器人有足夠驅動力的同時，還要保證高效的工作速度。由以上數據可得，驅動輪直徑D＝0.125 m，電機轉速n＝3 000 r/min，減速比i＝36，則：

顯然，此時速度大于所設定的速度，可通過驅動器控制行駛速度，因此電機滿足速度要求。

2.2.4 驅動能力的校核

根據表4 所示的直流無刷電機力矩參數可得，i＝36 時，MW＝15.13 N·m，由于電機長期過載能力為110%倍額定負載，即：

表4 某品牌直流無刷電機力矩參數

顯然，Mw>M＝15.96 N·m，能夠保證倉儲機器人正常穩定的運行，因此電機滿足驅動能力要求。

經過上述的計算和校核，確定驅動電機的型號為57BL95－230、功率為150 W、減速比為36 的直流無刷電機，該款電機可以滿足驅動的功能要求。

2.3 驅動模塊的確定

2.3.1 舉升機構頂板的螺栓選型

AGV 貨架搬運機器人的舉升機構最頂端安裝有直徑φ200 mm的頂板，與舉升機構的推桿通過法蘭盤連接，連接部位使用4 個螺栓固定，如圖3（a）所示，螺栓分布如圖3（b）所示。在受橫向載荷的情況下，查詢文獻[6]可得摩擦因數f＝0.5；則橫向總載荷：

圖3 舉升機構螺栓連接機構

查閱文獻[7]可得：防滑系數KS＝1.3。

設各螺栓所需要的預緊力均為F0，螺栓數量z＝4，接合面數i＝1，接合面間的摩擦因數f＝0.1，則螺栓預緊力：

拉伸強度條件：

螺栓屈服極限σs＝700 MPa，得出螺栓許用拉引力：

螺栓危險截面直徑：

在受傾覆力矩的情況下，傾覆力矩：

綜合上述受橫向載荷和受傾覆力矩的情況下兩個計算，選用螺紋公稱直徑d＝8 mm。

校核螺栓組連接接合面的工作能力，為防止受壓最大處被壓碎，要求：

查閱文獻[8]得：[σp]＝0.8σS＝0.8×480＝384 MPa>0.203 MPa，因此，連接接合面下端不致壓碎。

為防止受壓最小處出現間隙，要求：

因此，接合面上端受壓最小處不會產生間隙。

2.3.2 驅動輪與車架之間彈簧的選型

智能倉儲AGV 貨架搬運機器人一共設置有6 個輪子，每個驅動輪有4個彈簧，則單個輪子單個彈簧均分最大壓力為：

取最大變形量λmax＝30.5 mm，按照第Ⅱ類彈簧來考慮?，F選用65 Mn 圓柱螺旋彈簧。估算中徑D＝15 mm，內徑D1>12 mm，暫取d＝1.8 mm。

查表可得：σB＝1 700 MPa，則[τ]＝0.4，σB＝680 MPa。

改取d＝1.2 mm，查表得σB＝1 800 MPa，則[τ]＝720 MPa。

試算彈簧絲直徑：

與原值相近。

綜上，取d＝1.2 mm，D＝14，外徑D2＝D＋d＝15.2 mm，內徑D1＝D－d＝12.8 mm。

根據變形條件求出彈簧工作圈數：

查表取n＝11.5，H0＝130 mm。

驗算穩定性：

因此穩定性足夠。

綜上所述，選擇外徑D2＝15.2 mm、彈簧絲直徑d＝1.2 mm、長度H0＝130 mm、最大變形量λmax＝30.5 mm 的65MnⅡ類圓柱螺旋壓縮彈簧。

2.3.3 舉升機構選型

常見的舉升機構有：液壓式抬升、電動推桿式抬升、蝸輪蝸桿式抬升[9]。由于液壓式體積較大，電動推桿式抬升力不足，所以最終選定蝸輪蝸桿式抬升裝置。設定抬升重量為100 kg，抬升最大距離為100 mm。根據表5 選擇型號為RN－0.5T，減速比為1/5的螺旋升降器，如圖4所示。

表5 螺旋升級器參數表

圖4 螺旋升降器三維圖

3 裝置工作流程

AGV 貨架搬運機器人三維圖如圖5 所示，其采用Arduino芯片進行集中控制和分散模塊化設計，電路結構簡單，調試方便。根據設計要求，設計的小車主要由7個模塊組成，分別為：Arduino芯片模塊，LV8731電機驅動板，MPU6050，攝像頭識別模塊，超聲波避障模塊，語音播放模塊，MG996R 舵機[10]。在車上加裝攝像頭和超聲波，實現對引導裝置和二維碼的識別以及路面障礙物的檢測。利用超聲波模塊，如果前方的障礙物與小車前方的超聲波模塊距離小于20 cm，則會返回一個數值給小車，控制小車運動避開障礙物?？紤]到在運動過程中小車輪子會打滑，從而不走直線，還增加MPU6050平衡模塊，從出發區確定一個姿態，在其到達貨物搬運等待區時，進行一次判斷，判斷其航向是否與初始航向有偏差，若有偏差則進行微小的右移（左移）來調正方向，再進行下一次的設定運動。

圖5 AGV貨架搬運機器人三維圖

貨架搬運機器人工作流程如下。

（1）貨物入倉：貨物從某一發貨地到達運轉中心。

（2）分地揀貨：工作人員按照貨物下一站的地點分類放在不同的貨架上。

（3）選擇地點：工作人員按下相應按鈕，單片機會接受到指令，貨架搬運倉儲機器人行駛到貨架底，并按照指令進行搬運。

（4）卸下貨物：單片機實時判斷運送貨物到下一目的地的貨車是否已經到達。若已經到達，則搬運貨架到貨車停車點；若未到達，則搬運貨架到臨時停放點，等待貨車到達后再進行搬運。

4 結束語

本AGV 貨架搬運機器人根據企業實際生產環境進行設計，屬于“商品載運及助力機械裝置”，在實際生產中為企業的貨物智能分揀及搬運提高了工作效率。該AGV貨架搬運機器人長880 mm，寬700 mm，高390 mm，凈重約50 kg。蝸輪蝸桿舉升機構最大抬升量為100 mm，最大抬升質量為100 kg；此裝置在最大負載的情況下，最高速度可達0.5 m/s，最大行駛坡度為2°；此裝置結構簡單、制造成本較低、附帶彈簧減震裝置，機器人行駛過程中對地面平整度要求不高，能滿足任何倉儲環境下的工作條件；此裝置能針對不同企業的工作環境進行量身定制，具備很好的推廣價值。因此，能為物流倉儲行業的貨物智能分類及搬運提供參考。