牟勝輝，王有亮，張 成，蔣修華，何偉鋒

（1.喬鋒智能裝備股份有限公司，廣東東莞 523000；2.東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

0 引言

隨著人工成本的不斷提高以及對作業(yè)效率要求的提高，傳統(tǒng)的人工物料分揀搬運(yùn)作業(yè)方式已顯然無法滿足高效自動分揀搬運(yùn)作業(yè)的要求，越來越多的自動分揀搬運(yùn)裝置已被大量應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)作業(yè)過程中。目前機(jī)器人在國內(nèi)整個(gè)物流領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于兩種：從事包裝碼垛作業(yè)的機(jī)器人和從事自動化搬運(yùn)的機(jī)器人。然而，對于現(xiàn)有的自動分揀搬運(yùn)機(jī)器人而言，其普遍存在設(shè)計(jì)不合理、運(yùn)行速度不高以及準(zhǔn)確度不高等問題。對于物流環(huán)節(jié)中倉儲管理及運(yùn)行部分，國內(nèi)就鮮有用智能化AGV機(jī)器人來解決，造成這種狀況是因?yàn)楝F(xiàn)今市面上的智能化AGV機(jī)器人價(jià)格過高，我國大部分的倉儲物流企業(yè)很難承受如此高昂的成本，加上物流行業(yè)近年來利潤逐漸減少，使得從事自動化倉儲搬運(yùn)的AGV機(jī)器人使用率不高[1]。

2019年中國電子商務(wù)市場規(guī)模達(dá)34.81萬億元，電子商務(wù)已成為轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式的重要內(nèi)容，電商物流能力也隨之不斷提高，但是傳統(tǒng)的分揀中心物流作業(yè)模式不能滿足電子商務(wù)物流多品類、少批量等需求，迫切需要開展采用電子商務(wù)物流系統(tǒng)智能化、自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，從而提升電子商務(wù)中智能倉儲的管理及運(yùn)行能力[2]。本文通過運(yùn)用公式算法，精準(zhǔn)計(jì)算AGV 貨架搬運(yùn)機(jī)器人中驅(qū)動電機(jī)、舉升電機(jī)、固定螺絲和彈簧的工作運(yùn)行數(shù)值并對其進(jìn)行選型，這些數(shù)據(jù)對AGV貨架搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)構(gòu)思

本設(shè)備試圖削減物流運(yùn)轉(zhuǎn)中心工作人員數(shù)量及減輕該設(shè)備的工作負(fù)荷：當(dāng)貨物從出發(fā)點(diǎn)到達(dá)物流轉(zhuǎn)運(yùn)中心時(shí)，工作人員只需將運(yùn)往指定目的地的貨物分別搬到對應(yīng)指定目的地標(biāo)定的貨架上，系統(tǒng)將控制距離其最近的AGV貨架搬運(yùn)機(jī)器人將貨物和貨架一起搬運(yùn)到目的地。這樣能擺脫傳統(tǒng)倉庫的貨物堆積、管理混亂等困境，最大程度地減少貨物搬運(yùn)時(shí)間，提高倉儲效率。

為實(shí)現(xiàn)AGV貨架搬運(yùn)機(jī)器人的自動化和智能化，需要安裝磁條傳感器、地標(biāo)傳感器模塊、超聲波傳感器等模塊對設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航；使用懸掛式驅(qū)動輪保證AGV貨架搬運(yùn)機(jī)器人有足夠的驅(qū)動力；選擇蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人對貨架的抬升功能。

1.2 驅(qū)動方式對比

現(xiàn)今主流的驅(qū)動輪的布置方案有3 輪結(jié)構(gòu)、4 輪結(jié)構(gòu)、6輪結(jié)構(gòu)[3]。

3 輪結(jié)構(gòu)：2 個(gè)驅(qū)動輪加上1 個(gè)萬向輪。車體結(jié)構(gòu)較為簡單，運(yùn)動比較靈活，但相對其他布置方式的缺陷在于車體平衡性較差，承載力不強(qiáng)。

4 輪結(jié)構(gòu)：4 輪結(jié)構(gòu)布局有3 種，如圖1 所示，黑色代表驅(qū)動輪，白色代表萬向輪，采取驅(qū)動輪差速轉(zhuǎn)向控制。相對于3輪結(jié)構(gòu)多了1個(gè)萬向輪，明顯提升了裝置的承重能力，可實(shí)現(xiàn)裝置的全方位移動，使其能在狹小的空間內(nèi)作業(yè)。

圖1 4輪結(jié)構(gòu)

6 輪結(jié)構(gòu)：和4 輪結(jié)構(gòu)相比，其布局形式增加了2 個(gè)萬向輪，在原有的優(yōu)點(diǎn)上車體平衡性得到了進(jìn)一步增強(qiáng)，從而使AGV 貨架搬運(yùn)機(jī)器人的承載能力得到了增強(qiáng)?？刂品绞讲捎抿?qū)動輪差速控制[4]。

通過對比，6輪結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)于4輪結(jié)構(gòu)，因此，設(shè)計(jì)的AGV貨架搬運(yùn)機(jī)器人采用6輪結(jié)構(gòu)，如圖2所示。4個(gè)萬向輪主要負(fù)責(zé)承重，2個(gè)驅(qū)動輪主要負(fù)責(zé)提供驅(qū)動力，承載能力比4輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)。此外，為了保證驅(qū)動輪有足夠的支撐力，驅(qū)動輪與車身底盤之間通過彈簧連接，這樣能保證整個(gè)車體的作用力均勻地分布在驅(qū)動輪上，結(jié)合底盤上4 個(gè)均勻布置的萬向輪，保證了AGV貨架搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)行的驅(qū)動能力，同時(shí)也減少了AGV貨架搬運(yùn)機(jī)器人在運(yùn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的擺動。

圖2 AGV貨架搬運(yùn)機(jī)器人的6輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2 車身功能部件計(jì)算及選型

2.1 渦輪蝸桿舉升機(jī)構(gòu)電機(jī)的確定

已知條件：η↑＝0.15～0.18（取0.15）。

設(shè)轉(zhuǎn)速n＝400 r/min，抬升質(zhì)量m＝100 kg，上升速度v＝10 mm/s＝0.01 m/s，重力加速度g＝9.8 m/s2，則力矩：

兩相步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1 所示，參照表中技術(shù)參數(shù)，選取86BYG250H兩相步進(jìn)電機(jī)，靜力矩為12 N·m，有4倍余量，足夠啟動力矩。

表1 部分步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2 驅(qū)動電機(jī)的確定

AGV貨架搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)行所受總阻力：

式中：Ff為靜摩擦力；Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力。

貨架搬運(yùn)機(jī)器人在水平道路上等速行駛時(shí)必須克服來自地面的滾動阻力和來自空氣的空氣阻力。但是貨架搬運(yùn)機(jī)器人剛起動時(shí)車輪所處的滑動狀態(tài)對應(yīng)的摩擦力為滑動摩擦力，在起動前必須先要克服靜摩擦力，因?yàn)殪o摩擦因數(shù)是三者中最大的，對應(yīng)的靜摩擦力也是最大的，因此只要保證貨架搬運(yùn)機(jī)器人能啟動，之后所面臨的滾動阻力總是比靜摩擦力小得多，因此計(jì)算貨架搬運(yùn)機(jī)器人的啟動阻力即可，只要滿足起動條件則運(yùn)行條件自然就滿足。

（1）靜摩擦力Ff

查文獻(xiàn)[5]，結(jié)合物流倉庫實(shí)際情況，取最大靜摩擦因數(shù)f＝0.3，最大負(fù)載為100 kg，車身自重約為50 kg，小車整體總質(zhì)量m則取150 kg，重力加速度g取9.8 m/s2，則：

（2）空氣阻力Fw

設(shè)定貨架搬運(yùn)機(jī)器人空載時(shí)最高速度為1 m/s，而且體積與相對道路上行駛的高速小車相差較大，則忽略空氣阻力Fw，即空氣阻力Fw＝0。

（3）坡度阻力Fi

考慮到物流倉庫地面較為平整，坡度較小，取坡度角α為2°，則Fi＝mgsinα≈51 N。

（4）加速阻力Fj

貨架搬運(yùn)機(jī)器人在加速行駛的過程中，需要克服其在加速運(yùn)動時(shí)的慣性力，即加速阻力Fj。設(shè)貨架搬運(yùn)機(jī)器人最大負(fù)載情況下，從原地起步經(jīng)過的位移S為1 m時(shí)，其車速達(dá)到vt＝0.5 m/s，則貨架搬運(yùn)機(jī)器人的加速度：

得出Fj＝ma＝18.75 N

因此，綜上可得

2.2.1 減速比的計(jì)算

驅(qū)動輪直徑D＝0.125 m，運(yùn)動總阻力ΣF＝510.75 N，則運(yùn)動總阻力距：

驅(qū)動輪直徑D＝0.125 m，在最大負(fù)載情況下，最高速度v＝0.5 m/s，則驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速：

已知電機(jī)轉(zhuǎn)速n＝3 000 r/min，所以減速比i＝n/nw≈39.7，表2所示為某品牌的平行軸減速器規(guī)格參數(shù)表，通過對照表，選取減速比為36的減速器，即型號為4GN36K的平行軸減速器。

表2 某品牌平行軸減速器規(guī)格參數(shù)表

2.2.2 功率的計(jì)算

單個(gè)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩ΣT＝0.5 ΣM＝15.96 N·m，驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速nw＝77 r/min，則功率：

已知電機(jī)轉(zhuǎn)速n＝3 000 r/min，根據(jù)表3所示某品牌電機(jī)參數(shù)，選取型號為57BL95－230、功率為150 W的直流無刷電動機(jī)。

表3 某品牌直流無刷電機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2.3 運(yùn)動速度的校核

計(jì)算減速比之后，還需進(jìn)行運(yùn)動速度校核，確保倉儲機(jī)器人有足夠驅(qū)動力的同時(shí)，還要保證高效的工作速度。由以上數(shù)據(jù)可得，驅(qū)動輪直徑D＝0.125 m，電機(jī)轉(zhuǎn)速n＝3 000 r/min，減速比i＝36，則：

顯然，此時(shí)速度大于所設(shè)定的速度，可通過驅(qū)動器控制行駛速度，因此電機(jī)滿足速度要求。

2.2.4 驅(qū)動能力的校核

根據(jù)表4 所示的直流無刷電機(jī)力矩參數(shù)可得，i＝36 時(shí)，MW＝15.13 N·m，由于電機(jī)長期過載能力為110%倍額定負(fù)載，即：

表4 某品牌直流無刷電機(jī)力矩參數(shù)

顯然，Mw>M＝15.96 N·m，能夠保證倉儲機(jī)器人正常穩(wěn)定的運(yùn)行，因此電機(jī)滿足驅(qū)動能力要求。

經(jīng)過上述的計(jì)算和校核，確定驅(qū)動電機(jī)的型號為57BL95－230、功率為150 W、減速比為36 的直流無刷電機(jī)，該款電機(jī)可以滿足驅(qū)動的功能要求。

2.3 驅(qū)動模塊的確定

2.3.1 舉升機(jī)構(gòu)頂板的螺栓選型

AGV 貨架搬運(yùn)機(jī)器人的舉升機(jī)構(gòu)最頂端安裝有直徑φ200 mm的頂板，與舉升機(jī)構(gòu)的推桿通過法蘭盤連接，連接部位使用4 個(gè)螺栓固定，如圖3（a）所示，螺栓分布如圖3（b）所示。在受橫向載荷的情況下，查詢文獻(xiàn)[6]可得摩擦因數(shù)f＝0.5；則橫向總載荷：

圖3 舉升機(jī)構(gòu)螺栓連接機(jī)構(gòu)

查閱文獻(xiàn)[7]可得：防滑系數(shù)KS＝1.3。

設(shè)各螺栓所需要的預(yù)緊力均為F0，螺栓數(shù)量z＝4，接合面數(shù)i＝1，接合面間的摩擦因數(shù)f＝0.1，則螺栓預(yù)緊力：

拉伸強(qiáng)度條件：

螺栓屈服極限σs＝700 MPa，得出螺栓許用拉引力：

螺栓危險(xiǎn)截面直徑：

在受傾覆力矩的情況下，傾覆力矩：

綜合上述受橫向載荷和受傾覆力矩的情況下兩個(gè)計(jì)算，選用螺紋公稱直徑d＝8 mm。

校核螺栓組連接接合面的工作能力，為防止受壓最大處被壓碎，要求：

查閱文獻(xiàn)[8]得：[σp]＝0.8σS＝0.8×480＝384 MPa>0.203 MPa，因此，連接接合面下端不致壓碎。

為防止受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求：

因此，接合面上端受壓最小處不會產(chǎn)生間隙。

2.3.2 驅(qū)動輪與車架之間彈簧的選型

智能倉儲AGV 貨架搬運(yùn)機(jī)器人一共設(shè)置有6 個(gè)輪子，每個(gè)驅(qū)動輪有4個(gè)彈簧，則單個(gè)輪子單個(gè)彈簧均分最大壓力為：

取最大變形量λmax＝30.5 mm，按照第Ⅱ類彈簧來考慮?，F(xiàn)選用65 Mn 圓柱螺旋彈簧。估算中徑D＝15 mm，內(nèi)徑D1>12 mm，暫取d＝1.8 mm。

查表可得：σB＝1 700 MPa，則[τ]＝0.4，σB＝680 MPa。

改取d＝1.2 mm，查表得σB＝1 800 MPa，則[τ]＝720 MPa。

試算彈簧絲直徑：

與原值相近。

綜上，取d＝1.2 mm，D＝14，外徑D2＝D＋d＝15.2 mm，內(nèi)徑D1＝D－d＝12.8 mm。

根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù)：

查表取n＝11.5，H0＝130 mm。

驗(yàn)算穩(wěn)定性：

因此穩(wěn)定性足夠。

綜上所述，選擇外徑D2＝15.2 mm、彈簧絲直徑d＝1.2 mm、長度H0＝130 mm、最大變形量λmax＝30.5 mm 的65MnⅡ類圓柱螺旋壓縮彈簧。

2.3.3 舉升機(jī)構(gòu)選型

常見的舉升機(jī)構(gòu)有：液壓式抬升、電動推桿式抬升、蝸輪蝸桿式抬升[9]。由于液壓式體積較大，電動推桿式抬升力不足，所以最終選定蝸輪蝸桿式抬升裝置。設(shè)定抬升重量為100 kg，抬升最大距離為100 mm。根據(jù)表5 選擇型號為RN－0.5T，減速比為1/5的螺旋升降器，如圖4所示。

表5 螺旋升級器參數(shù)表

圖4 螺旋升降器三維圖

3 裝置工作流程

AGV 貨架搬運(yùn)機(jī)器人三維圖如圖5 所示，其采用Arduino芯片進(jìn)行集中控制和分散模塊化設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的小車主要由7個(gè)模塊組成，分別為：Arduino芯片模塊，LV8731電機(jī)驅(qū)動板，MPU6050，攝像頭識別模塊，超聲波避障模塊，語音播放模塊，MG996R 舵機(jī)[10]。在車上加裝攝像頭和超聲波，實(shí)現(xiàn)對引導(dǎo)裝置和二維碼的識別以及路面障礙物的檢測。利用超聲波模塊，如果前方的障礙物與小車前方的超聲波模塊距離小于20 cm，則會返回一個(gè)數(shù)值給小車，控制小車運(yùn)動避開障礙物?？紤]到在運(yùn)動過程中小車輪子會打滑，從而不走直線，還增加MPU6050平衡模塊，從出發(fā)區(qū)確定一個(gè)姿態(tài)，在其到達(dá)貨物搬運(yùn)等待區(qū)時(shí)，進(jìn)行一次判斷，判斷其航向是否與初始航向有偏差，若有偏差則進(jìn)行微小的右移（左移）來調(diào)正方向，再進(jìn)行下一次的設(shè)定運(yùn)動。

圖5 AGV貨架搬運(yùn)機(jī)器人三維圖

貨架搬運(yùn)機(jī)器人工作流程如下。

（1）貨物入倉：貨物從某一發(fā)貨地到達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)中心。

（2）分地揀貨：工作人員按照貨物下一站的地點(diǎn)分類放在不同的貨架上。

（3）選擇地點(diǎn)：工作人員按下相應(yīng)按鈕，單片機(jī)會接受到指令，貨架搬運(yùn)倉儲機(jī)器人行駛到貨架底，并按照指令進(jìn)行搬運(yùn)。

（4）卸下貨物：單片機(jī)實(shí)時(shí)判斷運(yùn)送貨物到下一目的地的貨車是否已經(jīng)到達(dá)。若已經(jīng)到達(dá)，則搬運(yùn)貨架到貨車停車點(diǎn)；若未到達(dá)，則搬運(yùn)貨架到臨時(shí)停放點(diǎn)，等待貨車到達(dá)后再進(jìn)行搬運(yùn)。

4 結(jié)束語

本AGV 貨架搬運(yùn)機(jī)器人根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，屬于“商品載運(yùn)及助力機(jī)械裝置”，在實(shí)際生產(chǎn)中為企業(yè)的貨物智能分揀及搬運(yùn)提高了工作效率。該AGV貨架搬運(yùn)機(jī)器人長880 mm，寬700 mm，高390 mm，凈重約50 kg。蝸輪蝸桿舉升機(jī)構(gòu)最大抬升量為100 mm，最大抬升質(zhì)量為100 kg；此裝置在最大負(fù)載的情況下，最高速度可達(dá)0.5 m/s，最大行駛坡度為2°；此裝置結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低、附帶彈簧減震裝置，機(jī)器人行駛過程中對地面平整度要求不高，能滿足任何倉儲環(huán)境下的工作條件；此裝置能針對不同企業(yè)的工作環(huán)境進(jìn)行量身定制，具備很好的推廣價(jià)值。因此，能為物流倉儲行業(yè)的貨物智能分類及搬運(yùn)提供參考。