箱柜車箱式貨物自動裝卸機器人設計

顧綺芳

（無錫城市職業技術學院，江蘇 無錫 214000）

0 引言

裝卸機器人作為工業機器人的一個重要分支，有著廣泛的市場需求前景，隨著現代倉儲物流業的快速發展，機器人在貨物搬運、分揀等作業環節得到廣泛應用，但在貨物裝卸自動化流程前端仍缺少自動化裝卸設備。目前，一些工業發達國家已經研發出該類自動化裝卸設備，并在港口和倉儲的裝卸、物料搬運等方面開始應用，包括叉車桁架式裝卸機器人、懸臂式裝卸機器人、多節裝卸機器人等［1］。這些裝卸機器人大多體積較大且只針對開放式空間內的貨物裝卸，對于封閉空間內的貨物裝卸并不適用，如港口集裝箱作為貨物運輸存儲的主要手段，主要還是靠叉車、輸送皮帶機配備人工作業來實現貨箱裝卸。基于市場需求，本文研究了一種箱柜車箱式貨物自動裝卸機器人以滿足封閉空間內的貨物裝卸要求，提高了物流儲運效率，降低人工成本，解決物流末端裝卸貨無法取代人工這一“卡脖子”難題［2］。

1 研究背景和意義

現代物流業發展迅速，已成為國民經濟的支柱產業。隨著科學技術的發展，現代物流系統和裝備自動化程度不斷提高，有效提高了物流系統的儲運效率，但在倉儲物流中的箱式貨物—貨箱裝卸環節的作業自動化程度仍不高，特別是大批量倉儲物流配送中的貨箱還多為人工裝卸，既降低了物流環節的效率，又增加了人力成本，還造成整個倉儲物流自動化流程中出現作業不連續的環節。因此，研發倉儲物流中貨箱的自動化、智能化裝卸技術和裝備具有廣泛的應用前景，對加快現代倉儲物流自動化程度的提高具有重要意義［3］。

近來，國外已成功研發并投入使用貨箱裝卸的自動化、智能化裝備，核心技術主要是機器人、自動化控制、機器視覺與智能識別等，主要針對集裝箱、箱式貨車及貨倉進行高效無人化裝卸作業，可用于小家電、食品、煙酒、乳制品等箱裝貨物。目前，國內還沒有研發和使用該類自動化、智能化裝卸設備，由于國內現代化倉儲物流配送產業發展迅猛，該類裝備研發成功將有廣泛的市場需求，能填補國內在該領域的技術和產品空白。

2 箱式貨物自動裝卸機器人結構設計

箱式自動裝卸機器人結構如圖1所示共由4部分組成，分別是轉運車、隨動輸送機構、大臂機構和小臂機構。小臂機構包括小臂側板、抓手導向板、輸送帶安裝板、后輸送帶機構、前輸送帶機構和抓手機構；抓手機構包括四連桿機構、吸盤支架以及吸盤；前輸送帶機構和后輸送帶機構之間具有使吸盤能夠落下的吸盤避讓間隙。裝備通過吸盤抓取箱裝貨物的貨箱，利用吸盤移動驅動同步帶帶動貨箱沿抓手導向板的上表面向后運動，吸盤運動至吸盤避讓間隙內貨箱的下方，以避讓貨箱［4］。本文裝備結構設計合理，占用空間小，承載能力強，能夠實現貨箱的自動連續抓取。

圖1 箱式自動裝卸機器人結構

3 箱式貨物自動裝卸機器人工藝流程、技術路線

3.1 工藝流程

箱式自動裝卸機器人工藝流程如圖2所示，其工藝部分不屬于本文設計的主要部分，只做簡單說明。

圖2 箱式自動裝卸機器人工藝流程

以集裝箱為例的箱式貨物卸車工藝流程主要包括：首先裝卸小車通過視覺引導定位移動到密閉集裝箱合理空間位置；然后通過圖像處理系統獲取集裝箱內部貨物碼放的長寬高等空間布局信息；運用卷積神經網絡算法進行重新架構分析，獲得實際準確的三維圖形位置數據信息，并將處理好貨物位置數據信息傳輸到PLC控制系統；控制系統得到相應位置信息數據后，下達運動指令給連桿運動機構，同時控制聯合氣動系統，實現前端裝卸貨抓手對不同位置貨物的抓取；最后控制系統通過控制前端、中段、末端輸送機構完成貨物的卸貨輸送，并通過各輸送位置的檢測貨物裝置進行貨物流程信息反饋，使該過程與小車定位、裝卸貨抓手動作等形成完整的閉環箱式貨物卸車系統，從而實現箱式貨物卸車功能［5］。

3.2 箱式貨物自動裝卸機器人的技術途徑

(1）上下料機構設計。通過四連桿機構運動原理及軌跡分析，建立運動模型，分析吸盤夾具整體上下料的運動曲線；通過同步帶將單軸轉為雙軸輸出，滿足雙輸送機構的同步傳輸。

(2）輪系結構設計。采用雙邊張緊調節方式實現輸送帶張緊，提高貨箱輸送速度。

(3）二轉動自由度差動機構設計。采用螺旋錐齒輪提高齒輪嚙合精度；實現抓取小臂的上下左右轉動。

(4）九輥輥系全新設計伸縮傳送。使皮帶沿固定方向自由伸縮，通過輪系結構原理保持伸縮后的皮帶長度不變。

(5）空間多連桿機構實現多個方向的自由度。通過Motion運行學分析，對整個機械臂的運動軌跡進行分析，確定能達到行程范圍內空間上的任意一點；通過最終的回歸分析方法，得出整理軌跡的運動方程式。

(6）車輛及底盤結構方面。通過減震彈簧加阻尼器減震緩沖；通過麥格納母輪控制原理及特定的輪型結構，實現對車輛全方位的位移。

(7）視覺及軟件方面。用工業3D相機采集圖像，通過卷積視覺神經網絡算法對圖像重新架構分析，獲得準確的三維立體圖形，經過自研算法推算，實現對裝卸機器人運動軌跡的準確指引以及目標點的準確定位引導。

4 技術關鍵

裝卸機器人的關鍵技術是設計空間七連桿機構，通過輸送長臂和連接前端的伸縮擺動小臂的多自由度結構，在有效行程范圍內使小臂前端能夠到達裝卸作業空間上的任意位置；研發機器視覺系統和空間軌跡控制算法，實現貨位連續智能識別和規劃，智能控制輸送長臂和伸縮擺動小臂快速精確移動定位，完成貨箱裝卸的自動化、智能化作業［6-7］。

5 箱裝貨物自動裝卸機器人的卸貨過程

箱裝貨物自動裝卸機器人為適應集裝箱或倉庫內貨物的位置變化，宏觀的整體運動通過麥克納姆輪實現。

位于前端的小臂機構為適應箱裝貨物左右方向的位置以及上下方向的位置變化提供過二自由度關節、角度調節機構以及隨動輸送機構協同動作實現。以卸貨為例，當需要裝卸倉庫或者集裝箱內堆疊的箱裝貨物時，轉運車先運動到一個合適的位置，保證小臂機構前端的鏟起斜坡可以運動到箱裝貨物的貨箱下方，通過第一電動氣缸使大臂機構左右擺動，通過第二電動氣缸和第三電動氣缸的協同動作調整大臂機構的俯仰運動，隨動輸送機構的活動架跟隨大臂機構沿第一滑塊滑動。同時可以根據需要調節的大臂機構的整體長度以補償小臂機構三自由度運動的需求。箱裝貨物被小臂機構最前端的吸盤吸起后依次通過前輸送帶、后輸送帶、雙窄帶、第二輸送帶和第三輸送帶將箱裝貨物運出。大臂、小臂機構如圖3、圖4所示。

圖3 大臂機構

圖4 小臂機構

6 結語

(1）全新設計的樣條曲線導軌式上下料機構，自動提升貨物到一定高度，采取多個小口徑吸盤提升帶載能力，采用雙輸送設計提高輸送能力，從而滿足20 kg及以下箱式貨物的抓取和輸送。

(2）設計七連桿輸送機構、二轉動自由度差動機構及多個擺動關節。七連桿機構連接前端機械臂輸送機構，實現機械臂在行程范圍內能夠到達空間上的任意位置，實現前端機械臂連接處關節能夠同時進行俯仰及左右轉動，擴大貨箱抓取作業范圍。同時可配套多種型號的前端機械臂上下料機構。

(3）研發應用3D視覺系統、激光測距技術和軟件算法，聯動控制裝卸機器人機械臂運動軌跡并進行實時定位引導，保證貨箱裝卸定位精度，確保貨物精準運送到指定貨位。