物流倉儲系統中桁架機器人的研究與應用

潘俊萍 張 玉 劉 錦

1北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北 京 100007 2北京市自動化物流裝備工程技術研究中心 北京 100007

3機械工業物料搬運工程技術研究中心 北京 100007

0 引言

隨著現代社會對自動化物流設備需求的多樣化、智能化，舊庫房自動化改造、存儲場地受限等傳統自動化立體庫物流系統難以滿足需求。以桁架機器人為核心的物流倉儲系統，在平面存儲方式下以超高密度、高效率的存取技術可有效解決特定物流需求。

相較于傳統物流系統，采用桁架機器人的物流倉儲解決方案不需要貨架、堆垛機、穿梭車、提升機等占投資成本較大的設備，同時生產所需空間僅為傳統自動化立體庫所需空間的一半，投資可顯著降低，設備綜合效率高，在節約設備資源、材料資源、人力資源的同時還提高了能源利用率，是一種良好的綠色與節能化物流工程，具有很好的社會經濟效益和市場前景。目前，該平面密集倉儲的堆場+機械臂式存儲系統正在得到進一步研發和應用。

1 桁架機器人應用需求

1.1 項目功能要求

本文以某輪胎企業半鋼成品自動分揀及自動上架的設計需求為背景，進行了桁架機器人在輪胎行業的應用研究，形成技術方案。該項目中有半成品及成品2種輪胎形式的緩存和揀取應用桁架機器人，分別存在于B區、C區和D區3個半成品廠區，以及一個F成品區。本文主要針對其中的C區開展設計研究。

工藝流程為半鋼成品胎經輸送系統輸送至分揀區，自動掃碼后按設定原則由桁架機器人自動存入對應區域；滿足出貨要求后，由桁架機器人取垛、搬運至出庫輸送線，即項目范圍包括入庫輸送線、自動分揀入庫、自動揀選出庫、出庫輸送線等。

1.2 產品區域與參數

1）半成品輪胎（不帶輪轂）

半成品輪胎形式設有3個區，共劃分8塊存儲區域，各塊區域范圍18 m×10 m，每塊設有1臺桁架機器人；輪胎內徑為174～304 mm，輪胎外徑為380～510 mm，輪胎厚度為200～295 mm，單個輪胎質量為10～ 17 kg。

2）成品輪胎（帶輪轂）

成品輪胎形式設有4個存儲區，各區域范圍為30 m×10 m，每區可設有2臺桁架機器人；輪胎外徑為380～510 mm，厚度為200～295 mm，單個輪胎質量為 19～ 35 kg。

3）其他參數

倉庫凈高為6.8 m，入庫輸送線高度為1.2 m，出庫輸送線高度為0.7 m，輪胎堆垛為8層，存儲區輪胎間隙為100 mm，桁架機器人定位精度≤1.0 mm。

2 桁架機器人的系統組成與分析

2.1 桁架機器人的系統組成

桁架機器人由門架結構、X軸組件、Y軸組件、Z軸組件以及自動控制系統等構成。其中，3個運動組件為桁架機器人的核心組件，根據系統控制能快速存取指定貨箱送到指定位置，實現密集存儲、快速揀選的功能。桁架機器人類似于帶有抓取裝置的空中吊車，沿著門架運動。Z軸工作端配置抓具，可自由抓取物品貨箱，搭載橫梁實現前后左右行走，在由支柱圍起的區域內直接堆放存儲貨品，進行立體垂直快速提取，實現貨物的自動接收、入庫、儲存、揀選、分類、集貨和發運等一系列工作。

水平軌道布置在垂直堆棧頂部之上，一直擴展到存儲區域兩端。1個或多個橫梁橫跨軌道沿軌道縱向運行，且每個橫梁都有一輛小車沿橫梁橫向移動，2條輸送線（如帶式輸送機）將貨物運至或運出被安裝了桁架機器人所在的工作區域。

桁架機器人的自動控制系統可提示機器人移動部件的位置，具有一定預先設定的極限值，如堆棧中允許的最多箱子的數量，一個堆棧最大允許的質量，貨物浪費、老化或成熟允許的最大存儲時間等。

2.2 技術難點分析

該項目中C區輪胎的入庫量為21 000條/d，初步計算出每塊區域1個工作循環節拍約20 s，在24 h工作制下該桁架機器人設計的難點主要是速度快、定位精度高，進而增加了各向機構運行和控制的難度，以及輕量化設計下桁架強度、剛度、穩定性的平衡性設計難度。考慮廠家備品備件的互換性和便捷性以降低成本，抓具設計應盡量對2種輪胎形式具有適應性。因此，關鍵技術及難點有機械臂及抓具的設計、桁架機器人抓具系統對2種輪胎的適應性設計、高速桁架機器人的結構輕量化設計等。

3 抓具系統研究設計

抓具系統即桁架機器人的機械手，是機器人的核心關鍵功能部件，是桁架機器人抓取物品的動作機構，是最重要的技術難點。

3.1 自動存取貨物的機械手

機械手（Z軸組件）是桁架機器人的抓具沿Z軸運行和抓取貨物的執行部件，可實現桁架機器人Z軸的運行定位。機械手由垂直方向可運動的塔狀框架或抓手構成，可自由地從上方移動到任何指定的貨物單元目標堆，貨物可被封閉在框架的內部空間或被固定在抓手之間。框架的內部裝載空間或裝載區格要求足夠高，以便最高堆棧的貨物亦可封裝在其中。框架的頂端可以打開，使桁架機器人也可以運送高于框架的貨物單元。框架給運送的貨堆提供橫向支撐，這樣機器人即可相對快速地實現加速和減速，從而提高貨物單元運輸速度。機械手實現垂直向上移動，可水平通過倉庫地面上貨物堆放的最高位置的貨物單元。

機械手的下端需要配有抓具或類似機構，以實現抓取指定堆垛的最低貨物單元。通過每個貨物單元設置規則的凸起、開口或類似支撐點，以確保抓具能夠輕易找到一個可靠的抓孔來握持。機械手應具有一定適應性，通過尺寸規劃使通過一個操作實現抓取和搬運更多儲存在工作區域的貨物單元，進而使在一次操作中運輸貨物單元比存儲的單元更多。由此可提高桁架機器人系統的效率，并減小運輸距離。

3.2 機械手抓具結構形式

抓具是桁架機器人運動時抓取工件的執行機構，安裝于桁架機器人機械手的下端。根據抓取貨品大小、質量、形狀及工作節拍的不同，抓具的結構也發生相應變化[1]。通過對國內外主要廠商在不同應用領域中桁架機器人抓具的研究，總結出抓具結構形式。目前，適用于物流倉儲系統的桁架機器人根據不同的支撐方式，主要有橫向支撐和橫縱組合式支撐2種類型。

1）橫向支撐結構

對于質量較輕、體積較小的貨品，桁架機器人的抓具結構通常采用橫向支撐的形式（見圖1），即僅通過壓緊力形成抓具指面和貨品之間的摩擦力，夾緊物體并完成高速運行下的貨物搬運。目前，該形式在飲料、酒品行業小型箱件的按行揀選均有應用。

2）橫縱組合式支撐結構

對于質量較重、體積較大的貨品，桁架機器人的抓具結構通常采用橫縱聯合支撐的形式，即通過貨物單元設置的凸起、開口或類似支撐點，來確保抓具能夠找到可靠的抓孔來握持（見圖2），或通過貨品頂部吸盤與全側面夾持，或通過側面夾持與底部承托的方式，完成貨品的高速搬運。目前，該形式在飲料、生鮮、郵政的按箱整垛揀選（框架伸縮式）以及飲料的混碼按層揀選（夾持式）中應用最多。

3）本應用項目抓具方案

綜上分析并考慮輪胎的橡膠材質，本應用項目采用橫向支撐結構形式，采用V形結構（見圖3），通過壓緊力形成的摩擦力完成輪胎的夾緊和搬運。其中，半成品輪胎通過抓具外側的撐壓完成搬運，成品輪胎通過抓具內側的夾緊完成存取。

4 桁架機器人的橫梁結構研究設計

桁架機器人的橫梁作為X軸運動中導軌組件、齒輪齒條傳動等組件的安裝底座，承載整個機械手的自重、機械手抓取的外部負載等載荷，其剛度、強度直接影響整個設備的定位精度，故橫梁的設計是桁架機器人設計的關鍵。

對于物流系統的桁架機器人橫梁結構，由于抓取的貨物質量、尺寸均與應用于機床的桁架機器人橫梁有較大區別，故橫梁多采用鋼板箱形梁或桁架梁結構。

桁架梁具有自重輕、材料省、造價低、風阻小、便于空間幾何布置等特點，是建筑結構和大型機械結構中常見的結構形式[2]。由于桁架結構本身結構復雜、構件多、制造自動化程度低、結構分析與設計困難，特別是結合機械和工程特點的優化設計一直是研究的熱點。

通過對國內外主要廠商在不同應用領域中桁架機器人橫梁結構的研究，總結出橫梁結構形式。目前，適用于物流倉儲系統的桁架機器人橫梁結構主要有單梁和雙梁2種類型，根據不同的起重量和貨品體積，主要有單梁桁架結構、單梁箱形結構、雙梁桁架結構以及雙梁箱型結構等4種形式。

4.1 單梁桁架結構

如圖4所示，單梁桁架結構采用立體三角形聯合桁架形式，適用于起重量很小、體積扁平或較小的貨品（質量小于100 kg，寬度小于500 mm），目前在易拉罐飲料簡裝的按行揀選以及無輪轂輪胎的緩存揀選均有應用。

4.2 單梁箱形結構

如圖5所示，單梁箱形結構主要有焊接箱形梁和方管型材梁，適用于貨品較輕以及體積較小的貨品（質量為100～300 kg，寬度小于500 mm），目前在食品雜貨的按框揀選的緩存揀選均有應用。

4.3 雙梁桁架結構

如圖6所示，雙梁桁架結構采用立體聯合桁架和平面簡單桁架結合的形式，適用于貨品較重且體積較大的貨品（質量為100～300 kg，寬度為500～1 500 mm），目前在飲料的混碼按層揀選中有應用最多。

4.4 雙梁箱形結構

如圖7所示，雙梁箱形結構有焊接箱形梁和方管型材梁，適用于貨品較重且體積較大的貨品（質量為300～600 kg，寬度為500～1 000 mm），目前在飲料、生鮮整框整垛的揀選中應用最多。

4.5 本應用項目橫梁結構

綜上所述，并考慮輪胎揀選搬運的物流需求，本應用項目采用單梁箱形結構形式，采用方管型材制作（見圖8），確保強度滿足載荷需求，剛度滿足定位需求。

5 技術方案

5.1 系統主要技術參數

該系統有X、Y、Z等3個自由度，外觀尺寸為18 000 mm×10 000 mm×6 200 mm（長×高×寬），Z軸行程為2 550 mm，有效載荷為330 kg（按1次整垛抓取8個帶輪轂輪胎，總計280 kg，15%設計余量），各軸速度為4.2 m/s，加速度為3.8 m/s，重復定位精度為±1.0 mm。

5.2 系統結構

如圖9所示，該系統的架體采用300 mm×300 mm、壁厚為12 mm方管型材制作，表面噴涂；X、Y、Z軸驅動，均采用交流伺服電動機+減速器；采用高精度、大載荷高速導軌、齒輪齒條傳動；抓具采用高精度線性導軌傳動、氣缸驅動，抓具采用自定中心結構，且具有斷氣保護功能。抓具指面采用V形結構，高強度碳鋼制作。

6 結語

目前，桁架機器人在食品及飲料、電商、快速消費品、制造業、郵政服務行業廣泛應用，其針對不同抓取要求實現按件、按箱以及按層、按垛撿取，開發低成本高智能化的柔性裝備揀選系統具有良好的市場前景。

本文以工程需求為背景，開展了典型桁架機器人系統設計。通過研究桁架機器人的系統組成，闡述了高速桁架機器人的設計關鍵點，重點研究了桁架機器人的抓具結構形式和橫梁結構形式，設計出該系統的初步技術方案，為桁架機器人在物流倉儲系統的應用提供參考。