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發布時間：2022-10-19 瀏覽量：
目前，隨著人類生產力的進一步發展和生活水平的不斷提高，物流運輸越來越成為生活中不可或缺的部分[1]。在電子商務和互聯網技術蓬勃發展的，不論是日常消費購物，還是貨物的定點發送，物流運輸都是必不可少的一個環節。但是，物流運輸量的井噴式發展，使得物流業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，在增加工作人員數量的同時，將物流運輸由傳統的人工搬運由機器人代替，是一條非?？尚械耐緩?/font>[3]。隨著《中國制造2025》規劃的進一步實施，自動化、智能化技術在各行各業都取得了令人矚目的成就，這其中也包括在物流領域[4]。為了使物流運輸能夠準確、，越來越多的物流公司開始將自動化設備應用到物流分揀、搬運中來。同時，2016年12月在江蘇省召開的《世界智能制造合作發展高峰論壇》中，工信部明確表示將自動化倉儲作為中國制造業智能化轉型的重要任務之一來實施[5]。傳統物流分揀模式中，由人工搬運、分揀物流件，耗時時間長、效率低下，工人勞動強度大，且存在一定的安全隱患。同時，在如此高強度的勞動條件和對快速分揀的要求下，負責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中種類多、批量少的行業特征。再則，目前新生勞動力對分揀物流這樣工作內容單一、強度大的工作普遍不感興趣，而之前的勞動力逐漸老去，加深了該領域發展的瓶頸。如何能打破目前的行業現狀，自動化、智能化的物流設備是一條非常理性的選擇[7]。通過倉儲物流搬運機器人來代替人工分揀、搬運作業，可以解放生產力、提高勞動效率。
本文所設計的倉儲物流搬運機器人是一種用于物流件分揀、搬運、運輸的機器。傳統的搬運機器人，多為叉車式、牽引式等，車體體積大，運行占地面積寬，很難適應要求越來越高的現代物流[8]。而且，傳統的搬運機器人很多需要鋪設專門的輔助導引帶，使得運行范圍受導引帶的限制，且后期倉庫調整較困難，不能很好地適應現代倉庫的物流環境[9]。倉儲物流搬運機器人是以目前物流系統為基礎，以先進的科學理論和現代科學技術為支撐的物流分揀、運輸設備。其能夠實時感知周邊環境并作出相應的分析處理，將所運輸的物流件經識別后分揀出來，由控制系統對機器人進行路徑選擇和規劃，將設備運輸到指定位置[10]。本文所設計的倉儲物流搬運機器人可有效降低物流分揀搬運的成本，降低工作人員的勞動強度，使現代物流系統向著更加、的方向發展，具有很高的研究價值和社會社會效益。如圖1所示為所設計倉儲物流搬運機器人的三維結構圖。
倉儲物流搬運機器人主要由機器人底盤、搬運機械臂、爪子、攜帶傳感器等構成。
機器人底盤結構的主體部分，主要用來支撐和運輸機器人整體結構。由于倉儲物流搬運機器人的主要任務是分揀和搬運物流件，因此要求機器人的底盤強度高、可靠性好，同時盡可能地降低重量，減輕驅動系統的負擔而降低能耗[11]。所以，本文所設計倉儲物流搬運機器人的底盤采用鋁合金鋼板制成。機器人底盤如圖2所示。
倉儲物流搬運機器人采取鑲嵌式設計。機器人的驅動裝置、定位導航裝置、控制系統、機器人總控制、路徑規劃系統等皆鑲嵌于機器人底盤上，驅動機器人運行的能源安裝在機器人底板上的電池安裝盒內，倉儲物流搬運機器人的執行機構為搬運機械臂，安裝在底板上方的懸臂固定臺上[12]。機器人采用四輪驅動的方式。目前，該類機器人主要有兩輪式驅動和四輪式驅動的方式，有極少數載重較大的機器人采用六輪式驅動。兩輪式驅動的機器人分為前輪驅動和后輪式驅動，這兩種機器人共同的特點是設計簡單、能耗較低，但是控制難度大、精度低，不能滿足本文所設計倉儲物流搬運機器人的精度要求。故本設計選擇采用四輪驅動的方式，四個驅動輪皆由伺服電機直接驅動，控制系統直接控制電機的啟停，以及其轉速和轉矩[13]。
當倉儲物流搬運機器人將上一物流件投放到指定地點返回后，由機器人總控系統發出指令，并控制機器人底盤上四個驅動輪的啟停和轉速、轉矩，使機器人以適當的角度到達指定位置。此時，機器人停止在原位固定不動，機器人的機械臂開始工作，將物流件夾取后再次運輸到指定位置。故而，要求機械臂具有適當的自由度，且要保證其具有足夠的剛度和強度，機器臂的伸縮和旋轉要準確和。為此，所設計機器人機械臂如圖3所示。
所設計機械臂整體安裝在底盤上的懸臂固定臺上，由內置舵機驅動懸臂圍繞固定臺旋轉。機械臂的小臂安裝在懸臂底盤上，由舵機驅動其沿著兩根圓柱形導軌做直線運動，行程為230mm。機械臂小臂末端安裝有懸臂腕關節，手抓由內置舵機驅動其做俯仰運動。
倉儲物流搬運機器人的爪子主要負責當機器人到達指定位置、懸臂到達理想姿態后，爪子將待運輸物流件夾取起來，并牢牢地夾住直到機器人到達指定位置后，再將爪子松開。所設計倉儲物流搬運機器人的爪子如圖4所示。
如圖所示，機器人的爪子由兩個大小和結構完全相同半圓弧夾取機構組成，其末端由兩個完全相同的齒輪機構驅動其旋轉。故而，爪子在張合時能夠保證其左右結構對稱，所夾物流件所受夾持力大小相同。為了使一組齒輪在轉動時不發生干涉現象，采用單邊驅動的設計方式，即一個為主動輪，另一個為從動輪。
機器人的機械臂結構由三個旋轉運動和一個直線運動所組成。在工作過程中機器人會與環境之間產生相互作用的力矩和力。機器人各關節上的舵機能夠提供機械臂轉動或者直線移動的力矩，通過機械臂末端的爪子，以完成搬運工作，各關節能夠安全穩定地運行，是機器人控制機械臂的基礎。所以，保證各關節靜力學強度的穩定至關重要。本文所設計機器人的機械臂由四個關節構成，假設第i桿所對應的關節i與第i+1桿所對應的關節i+1相連，則可建立兩個坐標系{i-1}和{i}。
定義以下變量：fi-1,i及ni-1,i為i-1桿通過關節i作用在i桿上的力和力矩；fi,i+1及ni,i+1為i桿通過關節i+1作用在i+1桿上的力和力矩；-fi,i+1及-ni,i+1為i+1桿通過關節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為物流件對機械臂末端爪子的作用力和作用力矩；F0,1及n0,1為機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，機器人機械臂各連桿靜力學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：
其中，ri-1,i為坐標系{i}的原點相對于坐標系{i-1}的位置矢量；ri,Ci為質心相對于坐標系{i}的位置矢量。
根據機器人所運輸的物流件的質量和機械臂上各連桿的尺寸，即可有機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]。
所設計倉儲物流搬運機器人的額定荷載重量為20kg，即物流件對機械臂末端的爪子的反作用力約為200N。機械臂底盤支座長度為330mm，采用厚為4.5mm的有機玻璃制成。小臂滑軌支座與機械臂底盤支座之間由銅柱支撐連接。小臂和爪子，以及驅動舵機等零部件總重為137N。由所設計機器人模型可求得，當機械臂夾取20kg的物流件，小臂到達小臂最前端時，根據靜力學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。根據機器人實際受力情況，將上述受力值施加于機器人機械臂底盤支座上得等效應力云圖，如圖5所示；等效應變云圖，如圖6所示；等效變形云圖，如圖7所示。
由應力云圖和應變云圖可知，該機器人機械臂底盤支座的應力和應變皆發生在固定臺的前側，應力為2.66×108N/m2，應變為1.64×10-3mm/mm。變形發生在機械臂底盤支座的最前端，變形量為9.8mm。皆滿足機器人運行的強度要求。為了進一步提高倉儲物流搬運機器人的穩定性，在后續制造中應在機械臂底盤支座上添加加強筋。在上述對機械臂底盤支座仿真分析的基礎上，對其進行拓撲優化分析，對底盤、光軸支座、立柱支撐等體積進行優化，作出合理預測并給出生產建議。尋找子不影響懸臂底盤運行時強度和穩定性要求的可去除面積，從而進一步降低機器人制作成本和機器運行能耗。拓撲優化計算結果如圖8所示。
由分析可知，底盤支座的固定住安裝環周圍為可去除面積。但是固定住安裝環側面需安裝其他零件，做裝配使用。若刻意去除則將直接增加加工成本。綜合分析認為,底盤支座的固定住安裝環在毛坯選擇時允許有少量缺陷。根據上述對倉儲物流搬運機器人的機構設計和仿真計算，對機器人進行樣機制作，圖9為所制作倉儲物流搬運機器人的樣機，圖10為機器人搬運物流件的試驗圖。由圖可知，機器人結構變形小，懸臂的剛度滿足預定要求，其運行穩定性在理想的范圍內。
本文設計了一款簡潔方便、控制容易、安全性高的倉儲物流搬運機器人。主要研究了其底盤結構、搬運機械臂、爪子等機構。根據機器人所運輸物流件的質量和機械臂上各連桿的尺寸，對機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。
運用有限元法求得懸臂支架的等效應力云圖、等效應變云圖和變形云圖，應力為2.66×108N/mm2，應變為1.64×10-3mm/mm。對機器人進行了樣機制作，其結構變形小，懸臂的剛度滿足預定要求，其運行穩定性在理想的范圍內。
圖2 機器人底盤示結構
圖3 機器人機械臂結構
圖5 等效應力云圖
