◎宋雨詩 王元澤 王輝 嚴杉 劉青

前言

在半世紀以前，貨物的運輸過程就是人力裝車，道路運輸，然后人力卸貨。人們在平時的汽車貨物裝卸動作中，效率低，易損壞貨物，以及在貨物運輸過程中，貨物的搖晃、碰撞等等對貨物造成損傷，造成大量的經濟損失，對于運輸行業(yè)來說，裝卸貨物增加了人力成本，在生產線進行自動化升級的過程中，運輸環(huán)節(jié)急需跟上自動化的步伐，進行有效升級。本項目實現(xiàn)了車載貨物自動裝卸，具體來說是一種貨物的裝卸保護裝置，人們在平時的汽車貨物裝卸動作中，效率較低，易損壞貨物，以及在貨物運輸過程中，貨物的搖晃、碰撞等等對貨物造成損傷，本項目致力于解決這些問題，在提高效率節(jié)省人力的同時，為貨物提供了更好的保護，同時具有良好的適應性，可以裝卸不同的貨物，考慮到現(xiàn)有的貨車結構，本項目可以方便的加載于現(xiàn)有汽車上，與運輸行業(yè)相結合，大大的提高貨運效率。

根據(jù)當今智能搬運裝置輔助設備研究現(xiàn)狀，分析國內外重物搬運設備存在人機交互性差和傳感檢測裝置結構復雜、安裝精度要求高等問題，確定一種具有無操作手柄、傳感檢測裝置結構簡單、人機交互更強等特點的重物搬運裝置設計方案。本論文設計重物搬運裝置的機械結構，并建立數(shù)學模型，對系統(tǒng)物料搬運過程中存在的物料擺動問題進行研究。通過對重物搬運系統(tǒng)進行運動學和動力學仿真，分析仿真結果確定重物防擺動控制方法。通過多次實驗確定重物搬運系統(tǒng)的參數(shù)，實現(xiàn)樣機對重物搬運、定位等功能。

一、研究背景及意義

近年來，隨著科技水平的提高，機器人技術在現(xiàn)代化、自動化工廠中被廣泛的應用，代替工人從事體力繁重、重復、枯燥乏味、環(huán)境條件差的工作。機器人的出現(xiàn)很大程度上解放了生產力，但越來越沖擊著傳統(tǒng)制造業(yè)。以前對重物搬運裝置，主要依靠工人徒手完成。長時間重復搬運大于10kg 的物料，不僅會使工人身心俱疲、精神飽受摧殘，而且容易發(fā)生碰傷。隨著物料越來越重、體積越來越大，原始的徒手搬運方式不能滿足時代需求，因此助力搬運設備應運而生。在工廠車間，起重搬運的機械設備應用廣泛，如天車、彈簧平衡器、電動葫蘆等，這些設備的研制極大便利了我們的生產生活，但逐漸突顯現(xiàn)出諸多不足之處。傳統(tǒng)機器人體積大、缺少調速單元和傳感檢測保護裝置，工作時速度快、靈活性差，所以不允許操作工人靠近機器人作業(yè)空間。在搬運大型零部件進行裝配定位等工作時，由于受到機器人功能的限制，所以傳統(tǒng)搬運設備只能完成一部分工作，剩下的工作只能靠工人來完成，這就導致了生產效率低、安全性差、定位不理想、可操作性不強等一系列問題。傳統(tǒng)的重物搬運設備在人機工程學安全性方面具有積極的影響，具有搬運物料的功能，但它缺少控制器單元，操作過程較為復雜，并且需要較大的操作力。為了提高傳統(tǒng)搬運設備性能，解決操作不方便、人機交互性不強、定位精度差、生產效率低等問題，在過去的幾十年一些發(fā)達國家，如德國、美國、意大利、韓國等國家在重物搬運領域進行了研究，并取得了具有實用價值的研究成果，這些成果可以統(tǒng)稱為智能輔助設備IAD（Intelligent Assist Device）。智能輔助設備在傳統(tǒng)物料搬運設備的基礎上增加了智能傳感檢測裝置，在控制器的協(xié)調管理下，控制機械裝置為操作工人提供相應的輔助工作，將物料搬運至指定地點。智能輔助設備具有適用范圍廣、操作方便、運動精準、安全穩(wěn)定等特點，被廣泛應用在現(xiàn)代工廠中。智能輔助設備不僅能夠對重物進行搬運，還能將重物定位在空間任意位置。在工廠生產線上需要搬運物體時，尤其是搬運體積大、質量重的物體都可以使用。在生產線的整個生產環(huán)節(jié)，智能輔助設備都發(fā)揮著重要作用，其優(yōu)良的性能備受矚目。

二、國外研究現(xiàn)狀

在國外，智能輔助設備最早被應用在汽車流水線上，用于解決汽車生產流水線上生產效率低、操作工人勞累以及安全性差等問題。在美國、意大利、德國、韓國等國的智能輔助設備生產廠商中，以美國的Stanley 公司最為著名，一直致力于智能輔助設備技術的研究。這種助力設備操作非常簡便，只需操作工人用手對重物施加外力，助力設備上的傳感檢測裝置檢測到信號變化，并將信號傳送給處理器。處理器接收并分析處理信號，將處理后的信號經控制算法運算，輸出可控制電機運轉的控制信號，并將控制信號發(fā)送至智能輔助設備機械結構系統(tǒng)。當輔助設備接收到驅動信號后，機械結構部分按照控制信號運動，同時將運動信息反饋給處理器，以便處理器對整體進行控制。

基于上述這一原理，Stanley 公司設計的智能助力設備，主要由豎直升降裝置、傳感檢測裝置、二維水平隨動裝置等幾部分組成。二維隨動裝置主要由正交的導軌組成，每根導軌上各安裝一臺伺服驅動電機，為隨動小車在水平

方向移動提供動力。非接觸式角度傳感器安裝在升降裝置內部，用于檢測繩索傾角，以便控制器分析判斷操作工人的操作意圖和重物運動趨勢。當角度傳感器將繩索角度信息傳入控制器，控制器分析處理角度信息后發(fā)出命令，控制安裝在導軌上的電機，實現(xiàn)隨動小車在導軌上運動。微操作力裝置安裝在繩索上，用于檢測重物在豎直方向的拉力信息?？刂破鹘邮詹⒎治隼π畔⒑螅ㄟ^控制算法輸出控制信號，將控制信號發(fā)送給豎直升降裝置，實現(xiàn)在豎直方向上提升或下降重物的目的。操作人員在水平方向或豎直方向上拖拽重物，就能實現(xiàn)輕松搬運重物的功能。

研究智能輔助設備的其他公司，如意大利的Tecno Matic公司、美國的IngersollRand 公司、意大利的Liftronic 公司等，這些公司開發(fā)了多款智能輔助設備產品。這些產品根據(jù)驅動方式的不同，可將IAD 驅動方式分為液壓、氣動和電動驅動。

總體來說，國外的智能輔助設備技術相對成熟，但一些輔助設備存在不足之處。操作人員使用具有操控手柄的助力設備時，需要手握操控手柄，但這樣會限制工人的操控空間范圍。當搬運一些體積較大的物料時，物料會遮擋操作工人的視線，容易發(fā)生磕碰和危險。對于那些沒有操作手柄的助力設備，人機交互性差。操作人員無法改變助力設備參數(shù)以適合不同工作的需求。一些智能輔助設備的傳感器直接串接在繩索上，導致起停重物時的沖擊、機械振動等容易對傳感器造成破壞。除此之外，為傳感器提供電源和輸出信號的彈簧線，可能纏繞在障礙物上存在安全隱患。

三、國內研究現(xiàn)狀

我國工業(yè)起步較晚，發(fā)展相對落后。工廠中傳統(tǒng)的重物搬運輔助設備存在的問題越來越突出，不能很好的滿足現(xiàn)代化工廠生產需求。智能輔助設備的各方面的優(yōu)勢日益突出，但國外智能輔助設備價格昂貴。國內在2000 年以后開始進行研究智能輔助技術，像哈爾濱工程大學、長沙理工大學、哈爾濱理工大學、南昌大學等科研院校的科研團隊、學者和一些自動化企業(yè)單位相繼對智能輔助技術進行研究，并取得了一些研究成果。在2005 年，哈爾濱工程大學成功研制出一種新型關節(jié)式智能輔助設備樣機，這款樣機具有人機合作強、運動精度高、提升能力大等特點，這種人機合作智能輔助設備具有三個回轉自由度和一個移動自由度，能實現(xiàn)對物料的提升、下降、水平搬運及定位等功能。

在國外技術封鎖、國內工廠急需先進智能輔助設備的背景下，國內一些高校和研究機構，還有許多機械制造的企業(yè)研發(fā)助力設備。北京遠藤科技，廈門大科機械、香港富井機器人，上海海文自動化，江蘇昱博自動化設備等多個公司都在拓展自己的市場。在輔助設備的平面運動系統(tǒng)方面，國內的很多制造業(yè)廠家進行了卓有成效的研究。?？禉C器人公司應用人工智能、圖像識別等技術助力智慧物流領域。吳中迪迦機電設備公司研制開發(fā)平面運動機構，助力物料搬運領域。在工業(yè)生產線上使用較多的平面運動直角坐標系機器人。

江蘇昱博設備有限公司，是一家主要研制智能裝備的高新技術企業(yè)。該公司研發(fā)和生產制造了各類助力機械手、非標自動化等助力設備。該公司研發(fā)多種輔助設備，如翻轉助力機器人、真空搬運機器人、立柱式多關節(jié)型機器人、軟索伺服助力機器人、伺服氣動助力機器人等。這些助力設備應用力的平衡原理，實現(xiàn)了工人只需要用手拖拽重物或操控手柄，就可以把重物輕松的搬運至空間中任何位置的功能。國內還有許多其他研發(fā)智能助力機械手的公司。

綜上所述，我國對智能輔助設備技術的研究取得了一些成果，但目前國內科研院所研制的先進輔助設備與國外的還有差距。許多研究成果只是對關鍵技術與實驗樣機研究，只能用于演示和實驗。并且價格昂貴、結構復雜不易維護，與推廣應用到實際工廠中去還有一段距離。而企業(yè)單位研制的一些輔助設備存在人機交互性不強的不足，大多僅限于用操作手柄來控制物料的上下運動。通過機械臂關節(jié)或滑軌在工人施加手推力下，實現(xiàn)對物料在水平方向上運動。部分輔助設備在懸浮模式下，能實現(xiàn)用手推拉工件使其在豎直方向上的運動的功能。本項目打算在運輸貨物方面加入智能輔助系統(tǒng)，致力于在提高效率節(jié)省人力的同時，為貨物提供了更好的保護，同時具有良好的適應性，可以裝卸不同的貨物，考慮到現(xiàn)有的貨車結構，可以方便的加載于現(xiàn)有汽車上，與運輸行業(yè)相結合，大大的提高貨運效率。

四、裝置的功能需求

對于當前的運輸行業(yè)來說，裝卸貨物增加了大量的人力成本，在平時的汽車貨物裝卸動作中，效率較低，并且易損壞貨物，在生產線進行自動化升級過程中，運輸環(huán)節(jié)急需跟上自動化的步伐，針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種重物搬運裝置，該裝置結構簡單，可以加載于現(xiàn)有的汽車之上，來實現(xiàn)車載貨物的自動裝卸，解決貨物運輸過程中的搖晃碰撞對貨物造成的損傷，在節(jié)省人力的同時，為貨物提供了更好的保護，避免了人工失誤產生的危險。

基于以上的要求，我們設計了一種由動力部分、傳動部分、控制部分和工作部分四部分組成的重物搬運裝置。動力部分包括電機組作為動力輸出，控制部分完成對電機組的控制，包括電機的通斷、正轉反轉。傳動部分將電機的輸出由高轉速低力矩轉為低轉速大力矩，使電機能提升更大的重量。工作部分應包括貨物的滑動機構、提升機構和保護機構，分別實現(xiàn)貨柜的滑動，貨物的提升以及緩震保護功能。最終目標是實現(xiàn)功能、優(yōu)化結構后的設備能夠方便的組裝于現(xiàn)有的貨運車上，優(yōu)化貨物運輸過程。

五、裝置的結構設計

重物搬運裝置，主要由外罩殼、移動架、電機柜、吊帶和驅動系統(tǒng)五部分組成。

1.外罩殼：在運輸過程中保護發(fā)電機，應為一側開口的箱體結構，外罩殼內設置有限位結構，外罩殼的上端應設置有抽屜導軌，移動架安裝于所述抽屜導軌上，可沿抽屜導軌內外滑動，移動架的下方安裝有電機柜；

2.移動架：通過電機帶動，沿導軌運動和收放吊帶實現(xiàn)發(fā)電機的滑出和升降；

3.電機柜：限制被提升貨物的位置；

4.吊帶：應設置于移動架的下方與吊帶繞輪相連接，用于提升貨物，以及貨物緩震；

5.驅動系統(tǒng)：驅動系統(tǒng)應包括傳動機構、電動系統(tǒng)和手動系統(tǒng)。實現(xiàn)雙系統(tǒng)并行控制，提高系統(tǒng)可靠性。

重物搬運裝置的結構圖如下圖所示。

六、結論

論文是在相關智能輔助設備技術研究的基礎上，結合當今實際運輸行業(yè)中重物搬運設備存在的一些問題和智能輔助裝置技術發(fā)展現(xiàn)狀，設計了一種人機交互更強、操作簡便的智能輔助車載運輸設備。論文吸收和借鑒了相關研究成果，針對其中存在的問題進行了改進，設計了重物搬運裝置的動力部分、傳動部分、控制部分和工作部分，驗證了重物搬運總，裝置的可行性。

通過采用全新的技術方案，考慮到系統(tǒng)的擴展性，新型的重物搬運裝置能夠方便地加載于現(xiàn)有的貨運汽車上，利用創(chuàng)新機械結構設計，最大化傳動效率，提升扭矩，節(jié)約耗能的同時能夠裝卸更重的貨物，提高了貨物搬運的效率，大量地節(jié)約了人力成本，避免了人工失誤所產生的危險。該裝置有電機和手動兩種動力選擇，增加了裝置的可靠程度，并且增加了安全裝置，防止因為重力使提升機反轉產生危險。