千明華 葛素霞

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學，內(nèi)蒙古 呼和浩特010000）

目前，隨著人類生產(chǎn)力的進一步發(fā)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(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，不論是日常消費購物，還是貨物的定點發(fā)送，物流運輸都是必不可少的一個環(huán)節(jié)。但是，物流運輸量的井噴式發(fā)展，使得物流業(yè)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(shù)量的同時，將物流運輸由傳統(tǒng)的人工搬運由機器人代替，是一條非?？尚械耐緩絒3]。隨著《中國制造2025》規(guī)劃的進一步實施，自動化、智能化技術(shù)在各行各業(yè)都取得了令人矚目的成就，這其中也包括在物流領(lǐng)域[4]。為了使物流運輸能夠準確、高效，越來越多的物流公司開始將自動化設(shè)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(fā)展高峰論壇》中，國家工信部明確表示將自動化倉儲作為中國制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的重要任務之一來實施[5]。傳統(tǒng)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(yè)中種類多、批量少的行業(yè)特征。再則，目前新生勞動力對分揀物流這樣工作內(nèi)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(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。如何能打破目前的行業(yè)現(xiàn)狀，自動化、智能化的物流設(shè)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(yè)，可以解放生產(chǎn)力、提高勞動效率。

1 倉儲物流搬運機器人的結(jié)構(gòu)組成及原理

本文所設(shè)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?shù)臋C器。傳統(tǒng)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(xiàn)代物流[8]。而且，傳統(tǒng)的搬運機器人很多需要鋪設(shè)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(diào)整較困難，不能很好地適應現(xiàn)代倉庫的物流環(huán)境[9]。倉儲物流搬運機器人是以目前物流系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以先進的科學理論和現(xiàn)代科學技術(shù)為支撐的物流分揀、運輸設(shè)備。其能夠?qū)崟r感知周邊環(huán)境并作出相應的分析處理，將所運輸?shù)奈锪骷?jīng)識別后分揀出來，由控制系統(tǒng)對機器人進行路徑選擇和規(guī)劃，將設(shè)備運輸?shù)街付ㄎ恢肹10]。本文所設(shè)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(xiàn)代物流系統(tǒng)向著更加高效、精準的方向發(fā)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(shè)計倉儲物流搬運機器人的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖1 機器人三維結(jié)構(gòu)

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(gòu)成。

1.1 機器人底盤設(shè)計

機器人底盤結(jié)構(gòu)的主體部分，主要用來支撐和運輸機器人整體結(jié)構(gòu)。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(qū)動系統(tǒng)的負擔而降低能耗[11]。所以，本文所設(shè)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。

圖2 機器人底盤示結(jié)構(gòu)

倉儲物流搬運機器人采取鑲嵌式設(shè)計。機器人的驅(qū)動裝置、定位導航裝置、控制系統(tǒng)、機器人總控制、路徑規(guī)劃系統(tǒng)等皆鑲嵌于機器人底盤上，驅(qū)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(nèi)，倉儲物流搬運機器人的執(zhí)行機構(gòu)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(qū)動的方式。目前，該類機器人主要有兩輪式驅(qū)動和四輪式驅(qū)動的方式，有極少數(shù)載重較大的機器人采用六輪式驅(qū)動。兩輪式驅(qū)動的機器人分為前輪驅(qū)動和后輪式驅(qū)動，這兩種機器人共同的特點是設(shè)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(shè)計倉儲物流搬運機器人的精度要求。故本設(shè)計選擇采用四輪驅(qū)動的方式，四個驅(qū)動輪皆由伺服電機直接驅(qū)動，控制系統(tǒng)直接控制電機的啟停，以及其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩[13]。

1.2 機器人機械臂設(shè)計

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(tǒng)發(fā)出指令，并控制機器人底盤上四個驅(qū)動輪的啟停和轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，使機器人以適當?shù)慕嵌鹊竭_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?shù)街付ㄎ恢?。故而，要求機械臂具有適當?shù)淖杂啥?，且要保證其具有足夠的剛度和強度，機器臂的伸縮和旋轉(zhuǎn)要準確和高效[13]。為此，所設(shè)計機器人機械臂如圖3 所示。

圖3 機器人機械臂結(jié)構(gòu)

所設(shè)計機械臂整體安裝在底盤上的懸臂固定臺上，由內(nèi)置舵機驅(qū)動懸臂圍繞固定臺旋轉(zhuǎn)。機械臂的小臂安裝在懸臂底盤上，由舵機驅(qū)動其沿著兩根圓柱形導軌做直線運動，最大行程為230mm。機械臂小臂末端安裝有懸臂腕關(guān)節(jié)，手抓由內(nèi)置舵機驅(qū)動其做俯仰運動。

1.3 機器人手爪設(shè)計

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(tài)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(shè)計倉儲物流搬運機器人的爪子如圖4 所示。

圖4 機器人爪子

如圖所示，機器人的爪子由兩個大小和結(jié)構(gòu)完全相同半圓弧夾取機構(gòu)組成，其末端由兩個完全相同的齒輪機構(gòu)驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)。故而，爪子在張合時能夠保證其左右結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動時不發(fā)生干涉現(xiàn)象，采用單邊驅(qū)動的設(shè)計方式，即一個為主動輪，另一個為從動輪。

2 倉儲物流搬運機器人強度分析

機器人的機械臂結(jié)構(gòu)由三個旋轉(zhuǎn)運動和一個直線運動所組成。在工作過程中機器人會與環(huán)境之間產(chǎn)生相互作用的力矩和力。機器人各關(guān)節(jié)上的舵機能夠提供機械臂轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)能夠安全穩(wěn)定地運行，是機器人控制機械臂的基礎(chǔ)。所以，保證各關(guān)節(jié)靜力學強度的穩(wěn)定至關(guān)重要。本文所設(shè)計機器人的機械臂由四個關(guān)節(jié)構(gòu)成，假設(shè)第i 桿所對應的關(guān)節(jié)i 與第i+1 桿所對應的關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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：

fi-1,i+（-fi,i+1）+mig=0

ni-1，i+（-ni，i+1）+（ri-1，i+ri，Ci）×fi-1,i+ri，Ci×（-fi,i+1）=0

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(zhì)心相對于坐標系{i}的位置矢量。

根據(jù)機器人所運輸?shù)奈锪骷馁|(zhì)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]。

3 倉儲物流搬運機器仿真分析

所設(shè)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(qū)動舵機等零部件總重為137N。由所設(shè)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(jù)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(jù)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。

圖7 等效變形云圖

圖6 等效應變云圖

圖5 等效應力云圖

由應力云圖和應變云圖可知，該機器人機械臂底盤支座的最大應力和最大應變皆發(fā)生在固定臺的前側(cè)，最大應力為2.66×108N/m2，最大應變?yōu)?.64×10-3mm/mm。最大變形發(fā)生在機械臂底盤支座的最前端，最大變形量為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(wěn)定性，在后續(xù)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(chǔ)上，對其進行拓撲優(yōu)化分析，對底盤、光軸支座、立柱支撐等體積進行優(yōu)化，作出合理預測并給出生產(chǎn)建議。尋找子不影響懸臂底盤運行時強度和穩(wěn)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(yōu)化計算結(jié)果如圖8 所示。

圖8 拓撲優(yōu)化結(jié)果

由分析可知，底盤支座的固定住安裝環(huán)周圍為可去除面積。但是固定住安裝環(huán)側(cè)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(huán)在毛坯選擇時允許有少量缺陷。根據(jù)上述對倉儲物流搬運機器人的機構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)變形小，懸臂的剛度滿足預定要求，其運行穩(wěn)定性在理想的范圍內(nèi)。

圖9 機器人樣機

圖10 機器人搬運試驗

4 結(jié)論

本文設(shè)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(jié)構(gòu)、搬運機械臂、爪子等機構(gòu)。根據(jù)機器人所運輸物流件的質(zhì)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，最大應力為2.66×108N/mm2，最大應變?yōu)?.64×10-3mm/mm。對機器人進行了樣機制作，其結(jié)構(gòu)變形小，懸臂的剛度滿足預定要求，其運行穩(wěn)定性在理想的范圍內(nèi)。