徐昊天

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430000）

0 引言

在物流搬運(yùn)行業(yè)，一種全能的智能物料小車可以在減輕工人負(fù)擔(dān)的同時(shí)提高工作效率。當(dāng)前研究熱點(diǎn)在于，智能化與自動(dòng)化?，F(xiàn)在物流搬運(yùn)小車技術(shù)持續(xù)發(fā)展，市場(chǎng)尚未飽和。在用機(jī)器換人的趨勢(shì)下，本論文對(duì)智能物料小車的研究具有深遠(yuǎn)意義。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

智能物料搬運(yùn)小車在國(guó)內(nèi)的運(yùn)用已經(jīng)很成熟了，比如京東的物資轉(zhuǎn)運(yùn)站已經(jīng)開(kāi)始使用全自動(dòng)化的無(wú)人小車，國(guó)內(nèi)各大港口也已經(jīng)開(kāi)始使用自動(dòng)化的小車來(lái)搬貨物。但目前國(guó)內(nèi)大部分的物料小車都只能搬運(yùn)特定的貨物，比如京東的智能小車就只能搬運(yùn)包裝好的京東貨物。如果使用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的多自由度機(jī)械手作為夾取裝置，則可以對(duì)多種不同的貨物進(jìn)行運(yùn)輸，且對(duì)于貨物的外形種類要求也會(huì)更寬泛。而使用麥克納姆輪的底盤(pán)驅(qū)動(dòng)小車則可以在更加擁擠的工作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)，同時(shí)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向[1]。

2 機(jī)器人底盤(pán)設(shè)計(jì)

2.1 底盤(pán)整體設(shè)計(jì)

物料搬運(yùn)小車需要在擁擠的工作環(huán)境中具有靈活的移動(dòng)能力，并且轉(zhuǎn)向的空間也要盡可能縮小，所以使用麥克納姆輪。小車的底盤(pán)使用四個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)四驅(qū)驅(qū)動(dòng)，配合電路控制可以提高控制精度?？紤]到如果把電機(jī)安裝到上端蓋上，在長(zhǎng)時(shí)間的使用后可能會(huì)使電機(jī)的相對(duì)位置發(fā)生移動(dòng)，所以在四個(gè)電機(jī)上連接了四根連桿，連桿的直徑為40mm，連桿將電機(jī)連接起來(lái)，可以增加安裝的穩(wěn)定性，并且降低電路控制的要求。在四個(gè)電機(jī)上安裝了15mm厚的L形鋁板，和下方的7mm厚環(huán)形鋁板安裝在一起，再將這兩個(gè)零件安裝在上端蓋上，起到固定電機(jī)的作用[2]。

2.2 電機(jī)選型

物料搬運(yùn)小車的電機(jī)要具有體積小，動(dòng)力強(qiáng)勁的特點(diǎn)，并且要具有較長(zhǎng)的使用壽命和可維修性，可用于溫度范圍較大的環(huán)境。所以在電機(jī)上選用M3508無(wú)刷直流電機(jī)。通過(guò)網(wǎng)上查找資料可知，該電機(jī)的額定電壓為24V，重量為365g，最大轉(zhuǎn)速為469rpm，持續(xù)最大扭矩為3N·M，使用溫度為0~50°。通過(guò)計(jì)算，符合該物料小車的使用要求。

2.3 麥克納姆輪型號(hào)選擇

在完成電機(jī)的選型之后，我們開(kāi)始為電機(jī)選擇合適的輪子。通過(guò)查找電機(jī)的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)可知，電機(jī)的直徑為110mm，那么就要選取比110mm更大直徑的輪子。在網(wǎng)上查找后，找到MAKEBIT公司的麥克納姆輪，直徑為140mm，售價(jià)為679元四個(gè)，聯(lián)軸器孔徑為6mm。

2.4 電機(jī)和上端蓋的連接裝置

圖1中使用7mm厚的鋼板（綠色）和15mm厚的鋁板（紫色）來(lái)進(jìn)行電機(jī)和上端蓋之間的固定。配合選用6.8mm的螺紋孔，采用過(guò)渡配合。鋁板和無(wú)刷直流電機(jī)之間選用7.8mm的螺紋孔，采用過(guò)渡配合。

圖1 電機(jī)和上端蓋的連接裝置

3 機(jī)械手設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械手整體設(shè)計(jì)

機(jī)械手是典型的機(jī)電一體化裝置，如圖2，可實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的抓取。由于被抓物料形狀、尺寸不確定，設(shè)計(jì)采用鉗形指[3]。伺服電機(jī)用作動(dòng)力源，而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且精度高，控制鉗形指和連桿在平面內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。

圖2 機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)

3.2 自由度設(shè)計(jì)

機(jī)械手的自由度一般在三個(gè)到六個(gè)之間，考慮到該物料搬運(yùn)小車已經(jīng)在底盤(pán)上擁有了兩個(gè)自由度，所以在機(jī)械手上設(shè)計(jì)三個(gè)自由度，這樣可以使小車具有五個(gè)自由度，使小車可以在物料搬運(yùn)場(chǎng)合自由活動(dòng)。

3.3 連桿選擇

該機(jī)械手有兩種連桿，都是使用15mm厚的鋁板，在確保強(qiáng)度的同時(shí)減少重量。每個(gè)連桿由兩片對(duì)稱的鋁板固定，其中一片鋁板上開(kāi)一個(gè)125mm*63mm的長(zhǎng)方形孔來(lái)安裝舵機(jī)。用Solidworks中的體積計(jì)算功能，得到長(zhǎng)板的體積為729立方毫米和608立方毫米，乘以銅的密度可以得到長(zhǎng)板的重量為5.8g，短板的重量為4.8g。則兩個(gè)連桿的總重量為11.6g和9.6g。

3.4 夾取裝置選擇

夾取裝置使用由舵機(jī)控制的機(jī)械夾。將一堆夾子安裝在半圓形的板上，通過(guò)舵機(jī)的180°轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)使夾子張開(kāi)合攏。通過(guò)觀察可得，無(wú)論舵機(jī)如何轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)夾子都不可能超出直線軌道的范圍，所以不需要人工限位，但在電路控制的方向上要注意把電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制在180°以內(nèi)，避免由于電機(jī)的不正確轉(zhuǎn)動(dòng)使兩個(gè)夾子相對(duì)擠在一起，因受力過(guò)大導(dǎo)致?lián)p壞。在夾子上開(kāi)兩個(gè)槽增加對(duì)貨物的夾取穩(wěn)定性。通過(guò)電路控制來(lái)完成末端執(zhí)行器的夾取操作[4]。

3.5 舵機(jī)選擇

這個(gè)機(jī)械手上有兩種不同的舵機(jī)，一個(gè)是在末端執(zhí)行器上，行使夾取作用的電機(jī)，另一種是安裝在連桿上操控末端執(zhí)行器在空間里運(yùn)動(dòng)的舵機(jī)。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)需要使用大扭力舵機(jī)來(lái)進(jìn)行操控。在網(wǎng)上查找可以購(gòu)買的舵機(jī)，初步選擇25kg~40kg的分布式串行總線伺服舵機(jī)。該機(jī)械手一共有六個(gè)電機(jī)，按每個(gè)電機(jī)重量為64g估算，可以大致估算出該機(jī)械手的總重量為809.3g。初始端舵機(jī)的總扭矩要求為44kg·cm，由于初始端有兩個(gè)電機(jī)，所以每個(gè)電機(jī)的最大扭矩為22kg·cm。在網(wǎng)上查找可以購(gòu)買的舵機(jī)，找到Fashionstar公司的分布式串行總線伺服電機(jī)25KG-HA8-S22符合要求。

圖3 產(chǎn)品參數(shù)

該電機(jī)售價(jià)為102元/個(gè)，在該物料小車的機(jī)械手連桿上一共要安裝5個(gè)。另外，對(duì)于末端執(zhí)行器上的電機(jī)，所需要的轉(zhuǎn)矩小于連桿上的舵機(jī)。由于夾取裝置的質(zhì)量很輕，所以市面上大部分的舵機(jī)都符合要求，結(jié)合控制精度和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，在網(wǎng)上找到小R公司的DS-S006數(shù)字舵機(jī)。該電機(jī)具有體積小，扭力大的特點(diǎn)，并且支持角度模式，阻尼模式和位置回讀，在舵機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異常之后可以報(bào)警，并且可以自定義波特率，售價(jià)為38元/個(gè)。

4 連接處零件

4.1 法蘭盤(pán)

在每個(gè)舵機(jī)和鋁片的連接處都采用了一個(gè)法蘭盤(pán)，選用的舵機(jī)的聯(lián)軸器孔徑為6mm，所以法蘭盤(pán)的孔徑也為6mm，外徑結(jié)合鋁板的寬度，選擇60mm。由于現(xiàn)在量產(chǎn)化的法蘭盤(pán)大都是用于車輛和生產(chǎn)器械上的，所以尺寸都不符合。結(jié)合連接處盡可能輕的特點(diǎn)，選用3D打印機(jī)打印該零件。連接處使用 M4 的螺紋孔，連接螺釘選用M4x4 的螺釘，在保證了連接強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，也不破壞電機(jī)承接板的強(qiáng)度[5]。

4.2 圓形支座

底盤(pán)上的四個(gè)電機(jī)是由四根連接軸固定在一起的，而連接軸和電機(jī)的固定板之間又要通過(guò)圓形支座進(jìn)行連接。內(nèi)孔根據(jù)連接軸的直徑選擇40mm，外徑結(jié)合L形固定板的大小選擇100mm，連接處使用 M8 的螺紋孔，連接螺釘選用 M8x3 的螺釘。

4.3 連接軸

底盤(pán)上的無(wú)刷直流電機(jī)和麥克納姆輪之間要采用連接軸組裝在一起，該零件的大圈一側(cè)要和無(wú)刷直流電機(jī)相配合，通過(guò)查看M3508無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知外圈的直徑為127mm。小圈一側(cè)的直徑則和麥克納姆輪相配合，查看MAKEBIT公司的麥克納姆輪（140mm）數(shù)據(jù)，可得輪胎連接處的直徑為66mm。大圈使用M6x6的螺孔，小圈采用M4x6的螺孔，螺釘選用M6和M4的螺釘[6]。

4.4 舵機(jī)支架

該舵機(jī)是用于連接連桿和末端執(zhí)行器的舵機(jī)，使得末端執(zhí)行器具有章動(dòng)的旋轉(zhuǎn)能力。該支架的長(zhǎng)和寬要與舵機(jī)相配合，查到舵機(jī)的長(zhǎng)為116mm，寬為54mm，則兩塊裝配版之間的距離為116mm，長(zhǎng)度為54mm，采用M7x2的螺孔和M7的螺絲進(jìn)行裝配。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能物料搬運(yùn)小車在野外具有可全方位運(yùn)動(dòng)、控制方便、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。該模型也適用于工廠裝配線的物料處理，180度機(jī)頭的機(jī)械臂連桿機(jī)構(gòu)可使手爪能全方位抓取，并順利落地目標(biāo)區(qū)域?？梢?jiàn)其能夠保證穩(wěn)定的抓取和較高的工作效率，讓自動(dòng)化物料小車的廣泛應(yīng)用成為可能，同時(shí)不斷發(fā)展的模具技術(shù)和較為低廉的成本也為它提供了更多的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。