蘇垌錕，朱毓正，陳佳鴻，蔡佳鴻，蔣雨岐，汪朋飛

一種抓取、存儲和放置一體化貨運機器人的設(shè)計

蘇垌錕，朱毓正，陳佳鴻，蔡佳鴻，蔣雨岐，汪朋飛*

（深圳大學(xué) 機電與控制工程學(xué)院，廣東 深圳 518060）

針對倉儲物流行業(yè)智能搬運機器人需求的急劇增長情況，設(shè)計了一款抓取、存儲和放置一體化的小型智能貨運機器人，該機器人主要由麥克納姆輪底盤、抬升機構(gòu)、平移機構(gòu)和夾爪等四部分組成，具備在地面全向移動的能力，可以實現(xiàn)一次抓取多個和放置多個貨物的操作。貨運機器人以STM32作為主控芯片，實現(xiàn)對貨物準確定位和抓取功能。通過理論校核分析和實物樣機驗證，表明該貨運機器人滿足設(shè)計需求，能夠大幅提高貨運效率，操作簡單，具備較好的推廣價值和市場應(yīng)用前景。

貨運機器人；抓取機構(gòu)；平移機構(gòu)；抬升機構(gòu)

近年來，隨著倉儲物流行業(yè)的快速發(fā)展以及新冠疫情的影響，機器人在倉庫、超市、居民小區(qū)和餐飲店等搬運場所得到大規(guī)模應(yīng)用。使用機器人不僅降低搬運人員的工作強度，提高搬運效率，減少完全隱患，而且可實現(xiàn)機器換人，顯著降低企業(yè)用工成本[1-2]。

倉儲物流行業(yè)常見機器人分為貨運機器人、拆碼垛機器人、分揀機器人和自動引導(dǎo)車（Automated Guided Vehicle，AGV）等。其中，貨運機器人在國內(nèi)還處于發(fā)展起步階段[3]，存在以下不足：AGV、貨運機器人和碼垛機器人之間無法相互兼容，能同時實現(xiàn)搬運、碼垛和自動導(dǎo)向的機器人較少；搬運和碼垛機器人自動化程度不高，且多為固定式，需與其它機器配合才能實現(xiàn)遠距離搬運和存儲；部分貨運機器人價格昂貴[4]，限制其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

搬運機器人底盤和抓取機構(gòu)的設(shè)計成為研究的熱點[5-8]。王志秦等[5]設(shè)計了一種基于六自由度機械臂的履帶式搬運機器人，地形適應(yīng)能力強，對物體可以準確定位和抓取。袁詩宸[6]設(shè)計了一種基于簡易機械手的履帶式搬運碼垛機器人，可以實現(xiàn)簡單的物品夾持和搬運工作。上述搬運機器人存在夾持效果欠佳、自動化程度偏低和運行效率不高等不足之處。

本文提出了一種夾取、存儲和放置一體化的小型貨運機器人，可同時實現(xiàn)貨物搬運、碼垛和自動化控制功能，搬運效率高，具備一定的推廣價值和市場應(yīng)用前景。

1 設(shè)計方案

1.1 需求分析

首先，對搬運效率要求高；其次，需要運行穩(wěn)定，且能適應(yīng)多種不同場合，并具備避障能力；最后，由于常見儲物柜和快遞柜為多層框架結(jié)構(gòu)，所以要配備多維運動能力的夾取機構(gòu)，實現(xiàn)一次取多個和一次放多個貨物的需求。本貨運機器人針對一款常用儲物箱進行優(yōu)化設(shè)計和制造，儲物箱的整體三維尺寸為220 mm×130 mm×100 mm，儲物箱的蓋子通過扣合結(jié)構(gòu)與箱體扣合。

1.2 機器人總體方案

機器人的總體設(shè)計方案主要包括麥克納姆輪底盤、二軸夾爪、存儲空間和并聯(lián)雙夾爪。圖1為機器人的功能樹：麥克納姆輪底盤用來提供全向移動的能力，增強機器人在地面運動的靈活性；二軸夾爪和存儲空間用來實現(xiàn)碼垛和多層放置的功能，為順利夾取貨物，夾爪需要上下升降和前后伸展的移動自由度，夾取貨物后將其放置于指定的存儲空間；并聯(lián)雙夾爪主要用于提高單次搬運的效率，實現(xiàn)一次取多個和放多個貨物的操作，通過增加單次夾取的貨物數(shù)量來提高整體的運輸效率。

圖1 機器人功能樹

2 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

貨運機器人整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，以機器人左右方向為軸，前后方向為軸，垂直方向為軸，建立機器人運動的空間坐標系。

1.麥克納姆輪底盤；2.儲物箱；3.抬升機構(gòu)；4.夾爪；5.平移機構(gòu)。

2.1 麥克納姆輪底盤

如圖3所示，貨運機器人底盤機構(gòu)的設(shè)計方案為四個麥克納姆輪作為獨立輪組安裝在底盤的四個角來提供移動支撐。通過四個獨立的RoboMaster 3508減速電機來控制麥克納姆輪的轉(zhuǎn)向，進而通過四個滾輪上不同的受力分解，根據(jù)運動合成原理實現(xiàn)機器人的全向移動。

1.驅(qū)動電機；2.底盤框架；3.麥克納姆輪。

2.2 二軸夾爪

二軸夾爪需要兩個移動自由度，分別設(shè)計抬升機構(gòu)和平移機構(gòu)來實現(xiàn)相應(yīng)運動。

平移機構(gòu)由同步帶及帶輪、抽屜滑軌和平移框架等組成，如圖4所示。平移框架由碳管和板料連接構(gòu)成，同步帶與兩個帶輪安裝在中間的縱向碳管上，為平移機構(gòu)提供前后（軸）平移的能力。兩個抽屜滑軌固定在兩側(cè)的縱向碳管上，對框架的軸運動進行導(dǎo)向和限位。

1.抽屜滑軌；2.同步帶；3.平移機構(gòu)框架。

抬升機構(gòu)由同步帶及帶輪、直線滑軌和抬升框架等組成，如圖5所示。抬升機構(gòu)與夾爪利用四個同步帶進行傳動，使用直線滑軌滑塊進行直線限位。平移機構(gòu)整體安裝在四條同步帶和四個直線滑軌的滑塊上，能夠自由的上下（軸）移動，完成抬升功能。

2.3 并聯(lián)雙夾爪

為降低控制難度和機構(gòu)復(fù)雜程度、減少夾爪自重，設(shè)計了一款基于扭簧合頁的并聯(lián)雙夾爪，如圖6所示。使用扭簧合頁作為鉸鏈連接平移框架和吊鉤部分，扭簧可使夾爪保持必要的張合力。吊鉤部分采用弧形結(jié)構(gòu)，使貨物可以順暢的將扭簧合頁撐開，實現(xiàn)被動夾取的功能。使用時，將夾爪移動至儲物箱正上方，使夾爪向下運動直至夾具框架接觸到儲物箱，儲物箱撐開夾爪并被扣住，完成夾取動作。為了提高運輸效率，采用并聯(lián)雙夾爪的設(shè)計，安裝左右兩個夾爪，實現(xiàn)同時夾取兩個貨物的效果。

1.直線滑軌；2.同步帶；3.抬升電機；4.抬升框架。

1.夾具框架；2.吊鉤；3.扭簧合頁。

3 設(shè)計校核

貨運機器人主要考慮貨物搬運能力，因此夾具部分結(jié)構(gòu)是設(shè)計的重點。針對機器人的抬升機構(gòu)和夾具部分進行計算，使用有限元分析進行強度校核。

3.1 夾具框架與吊鉤強度校核

在夾持過程中夾具框架和吊鉤需要有足夠的結(jié)構(gòu)強度。首先，夾具框架發(fā)生嚴重變形會給抬升機構(gòu)帶來附加彎矩、增大抬升時的摩擦系數(shù)，嚴重時導(dǎo)致抬升框架卡死。其次，吊鉤夾取儲物箱時承受儲物箱的全部重力，若強度不足將會導(dǎo)致吊鉤在夾取過程中發(fā)生斷裂，損壞貨物。因此為確保整體結(jié)構(gòu)的可靠性，使用ANSYS軟件對夾具框架和吊鉤（材料為聚乳酸，Polylactic Acid，PLA）進行強度校核。分別將夾具框架和吊鉤的三維模型導(dǎo)入ANSYS，施加邊界條件和載荷，設(shè)置迭代終止條件為結(jié)果相差5%以內(nèi)，進行有限元分析，得到等效應(yīng)力云圖和全位移云圖如圖7和圖8所示。夾具框架最大應(yīng)力為27.93 MPa，出現(xiàn)在框架和滑軌連接的碳纖維管上；吊鉤最大應(yīng)力為0.17 MPa，出現(xiàn)在吊鉤和夾爪的連接處，均遠小于碳纖維材料的抗拉極限強度3518 MPa和PLA打印件的抗拉極限強度58.9 MPa[9-10]，故強度設(shè)計滿足使用要求。

圖7 夾具框架的等效應(yīng)力云圖和全位移云圖

圖8 吊鉤的等效應(yīng)力云圖和全位移云圖

3.2 抬升機構(gòu)電機選擇與校核

在夾爪運動至最遠端的極端狀態(tài)時，平移機構(gòu)、夾爪及儲物箱的重力通過同步帶壓板傳遞到同步帶上，即為同步帶的有效拉力，如圖9所示。機器人的夾具設(shè)計載重5 kg（兩個夾具各2.5 kg），平移夾爪機構(gòu)總重3.5 kg，機構(gòu)重心位于右側(cè)同步帶支點右方145 mm處?？蓪C構(gòu)簡化為一個外伸梁，如圖10所示，其中＝49 N、＝34.3 N，求得支反力F1＝123.1 N、F2＝-39.81 N，根據(jù)計算結(jié)果，初選RoboMaster 2310電機作為抬升電機。

圖9 實物裝置受力圖

圖10 平移夾爪機構(gòu)受力分析簡圖

兩個鉸支座的電機和同步輪型號一致，選擇右側(cè)的同步帶進行分析。抬升電機采用位置閉環(huán)控制，通過PID算法[11]計算得電機轉(zhuǎn)速為3.39 r/s，同步輪直徑是27.8 mm，可計算出同步帶的帶速＝0.29 m/s。F由兩條同步帶分擔，故有效拉力F＝61.55 N。根據(jù)機械設(shè)計手冊[13]，計算同步帶傳遞功率和工作扭矩[12]為：

式中：P為計算功率，W；K為工況系數(shù)，工作過程中有振動，故取K＝1.2；T為計算扭矩，N·m；為同步輪半徑，m。

計算得：P＝21.88 W、T＝0.8555 N·m。

電機的減速比為1:36，故電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為7322 r/min，根據(jù)電機功率特性曲線[14]可知，電機最大功率max＝280 W、最大扭矩max＝0.55 N·m，經(jīng)減速后的扭矩為19.8 N·m，遠高于設(shè)計扭矩0.8555 N·m，滿足使用要求。

電機實際功率[13]為：

式中：為電機效率，根據(jù)電機的功率特性曲線可得效率＝55%。

計算得：＝39.78 W，小于電機的最大功率范圍，根據(jù)機械設(shè)計手冊[13]，該電機可作為機器人的抬升電機。

3.3 同步帶型號與帶寬選擇

根據(jù)上述計算結(jié)果，抬升同步帶輪的轉(zhuǎn)速為203 r/min，傳遞功率≤39.78 W。平移同步帶輪的轉(zhuǎn)速和抬升同步帶輪相同，由于平移采用抽屜滑軌作為直線移動副，阻力較小，故傳遞的功率可以忽略不計，根據(jù)圓弧齒同步帶選型圖[14]，同步帶的型號應(yīng)為3M型同步帶，根據(jù)最小齒數(shù)和尺寸限制，抬升、平移的主、從動輪均選用3M30齒的同步輪。

計算抬升同步輪的帶寬[13]為：

式中：b為設(shè)計帶寬，mm；b0為3M同步帶的基準寬度，查機械設(shè)計手冊[13]得b0＝6 mm；K為圓弧齒帶長系數(shù)，抬升同步帶節(jié)線長為1155 mm時選擇K＝1.2[13]；K為小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，小帶輪的嚙合齒數(shù)為15時K＝1[13]；0為基準額定功率，此時0＝30 W[13]。

計算得：b≥7.118 mm。

根據(jù)機械設(shè)計手冊[13]，計算結(jié)果在選型范圍內(nèi)，符合條件。對計算值進行圓整，圓整后的帶寬為9 mm，故機器人抬升機構(gòu)選用的同步帶帶寬為9 mm。平移所使用的同步帶傳遞功率較小，為方便采購，選用統(tǒng)一型號和尺寸的同步帶輪。

4 控制程序設(shè)計

貨運機器人選擇STM32作為主控制器，采用嵌入式C語言在Keil MDK5平臺上進行開發(fā)，實現(xiàn)對貨物精確定位和抓取功能。圖11為貨運機器人的主程序流程圖。上電后，首先進行機器人的復(fù)位，保證機器人處于初始位置，之后進行自檢，檢測遙控數(shù)據(jù)是否正常。復(fù)位和自檢成功后，進行取貨任務(wù)，通過遙控器控制機器人移動到第一個貨物的大概位置，接著進行手動對位，并執(zhí)行一次自動抓取收納動作，再通過編碼器自動移動到下一個貨物的大概位置，繼續(xù)手動對位和自動抓取，重復(fù)流程至全部貨物抓取結(jié)束。取貨完成后，進入放貨任務(wù)，首先對貨架進行一次手動對位，然后用編碼器輔助完成全自動的放貨動作。

圖11 貨運機器人系統(tǒng)流程圖

5 實物測試與分析

為了驗證理論分析和仿真研究的正確性，本研究搭建貨運機器人實物進行可行性測試，圖12為貨運機器人實物裝置。

5.1 取貨與放貨實驗

為準確模擬貨運機器人工作情況，搭建場地進行取貨和放貨測試。取貨實驗中，儲物箱放入2.5 kg物品，六個儲物箱水平放置，儲物箱間距與夾具間距一致、為250 mm，記錄取完所有箱子所需時間如表1所示，取貨平均耗時71.5 s、平均每箱耗時11.9 s。放置實驗中，選擇一個3列6格、整體尺寸1110 mm×370 mm×750 mm的儲物柜作為實驗對象，記錄機器人將六個箱子完全放入儲物柜所需時間如表1所示，放貨平均耗時48.2 s、平均每箱8.3 s。

圖12 貨運機器人實物圖

表1 取貨和放貨時間統(tǒng)計

5.2 運動能力實驗

使機器人處于空載狀態(tài)，分別測定其直線運動和橫向平移運動3 m的耗時，統(tǒng)計平均耗時來計算機器人的運行速度，測試結(jié)果如表2所示，直線運動平均速度為0.56 m/s、橫向平移平均速度為0.37 m/s。

表2 運動速度統(tǒng)計

5.3 實驗總結(jié)與改進

其他測試數(shù)據(jù)如表3所示。測試中機器人能滿足設(shè)計需求，平穩(wěn)取放貨物，并進行全向移動。操作難度適中，新手只需經(jīng)過1 h訓(xùn)練即可靈活操作機器人取放貨物。

表3 貨運機器人測試數(shù)據(jù)

為了提升貨運機器人的實用價值，提出以下幾種優(yōu)化改進方案：

（1）通過視覺識別和增加傳感器的方式提高自動化程度，如使用超聲波和顏色識別傳感器來實現(xiàn)自動對位和夾??；

（2）增加循跡功能和路徑規(guī)劃，提高搬運效率；

（3）增大整車空間，增強運輸能力，來達到更高的單次運輸效率。

6 結(jié)論

本研究設(shè)計出一種抓取、存儲和放置一體化小型智能貨運機器人，該機器人主要由底盤機構(gòu)、抬升機構(gòu)、平移機構(gòu)和夾爪等四部分組成。以麥克納姆輪為輪組的底盤賦予了整個機器人全向移動的能力，以同步帶為傳動方案的抬升機構(gòu)、平移機構(gòu)和夾爪機構(gòu)，使得貨運機器人能夠?qū)崿F(xiàn)多層碼垛的工作，并聯(lián)的雙夾爪為貨運機器人提供了一次抓取多箱和一次放置多箱貨物的能力。該機器人能同時實現(xiàn)貨物搬運、碼垛和自動化控制功能，搬運效率高，具備較好的推廣價值和市場應(yīng)用前景。

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Design of an Integrated Freight Robot for Grasping, Storing and Placing

SU Tongkun，ZHU Yuzheng，CHEN Jiahong，CAI Jiahong，JIANG Yuqi，WANG Pengfei

(College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060,China)

Aiming at the extensive demanding for the intelligent delivery robots in warehousing and logistics industry, a small intelligent freight robot with integrated grasp, storage and placement is designed. The robot is mainly composed of a McNamm wheel chassis, a lifting mechanism, a translation mechanism and a gripper. It can move in all directions on the ground and, particularly, it can grasp and place multiple goods at the same time. The robot uses STM32 as the main control chip to achieve accurate positioning and grasping of goods. According to theoretical analysis and physical prototype test, it clearly indicates that the freight robot satisfies the design requirements with high efficiency and easy operation. Therefore, it has preferable promotion value and market application prospects.

freight robot；grasp mechanism；translation mechanism；lifting mechanism

TP242

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.07.007

1006-0316 (2023) 07-0044-07

2022-10-08

深圳大學(xué)聚徒教學(xué)項目（202208）

蘇垌錕（2000－），男，廣東汕頭人，主要研究方向為機械設(shè)計制造及其自動化，E-mail：124235606@qq.com。*通訊作者：汪朋飛（1983－），男，湖北天門人，博士，副教授，主要研究方向為機械創(chuàng)新設(shè)計與摩擦學(xué)，E-mail：wangpf@szu.edu.cn。