張余龍 邱夏東 胡曉靖 田祖祎

【摘? 要】針對(duì)小型輕型物料搬運(yùn)的市場(chǎng)需求，一款智能物料搬運(yùn)機(jī)器人被設(shè)計(jì)出來(lái)。論文主要討論了其機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)，包括總體布局、底座、車輪及機(jī)械手等，并建立三維模型和物理樣機(jī)。樣機(jī)試行過程中，運(yùn)行平穩(wěn)，物料不易脫落，表明設(shè)計(jì)方案可行，可為物料搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

【Abstract】In view of the market demand of small and light material handling， an intelligent material handling robot is designed. The paper mainly discusses the design of its mechanical structure， including the overall layout， the base， the wheel and the manipulator， and establishes the three dimensional model and physical prototype. During the trial run of the prototype， the operation is stable and the materials are not easy to fall off， which shows that the design scheme is feasible and can provide reference for the structural design of material handling robot.

【關(guān)鍵詞】物料搬運(yùn)機(jī)器人;麥克納姆輪;機(jī)械手

【Keywords】material handling robot; Mecanum wheel; manipulator

【中圖分類號(hào)】TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）08-0185-02

1 引言

智能搬運(yùn)機(jī)器人是指以嵌入式為控制基礎(chǔ)，由電池提供能源，具備移動(dòng)載物、自動(dòng)導(dǎo)航、安全保護(hù)、路徑規(guī)劃等功能的無(wú)人搬運(yùn)車[1]。智能搬運(yùn)機(jī)器的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，集合了材料、機(jī)械、微處理器、智能算法等多個(gè)領(lǐng)域，涉及廣泛的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用[2]。隨著人類社會(huì)需求的發(fā)展，人力成本的上升，智能搬運(yùn)機(jī)器人在日常的生活和工作領(lǐng)域起到越來(lái)越重要的作用。

在商業(yè)和物流活動(dòng)中，小型和輕型的物料在數(shù)量方面占據(jù)的份額最大[3]。因此，搬運(yùn)機(jī)器人的相關(guān)研究一直受到業(yè)界重視。首臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人由Barret公司于20世紀(jì)50年代研制成功[4]。隨著伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的成熟和計(jì)算機(jī)的普及，促進(jìn)了控制系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，不同類型的搬運(yùn)機(jī)器人開始出現(xiàn)在市場(chǎng)上。1968年誕生了首臺(tái)智能機(jī)器人，其具備自主感知和行為規(guī)劃等功能。21世紀(jì)，搬運(yùn)機(jī)器人向?qū)I(yè)化、智能化、集成化的方向發(fā)展。如圖1所示的MiR200機(jī)器人集成多重功能，最高負(fù)載可達(dá)200kg，并安裝定制不同模塊，如貨架、舉升裝置、傳送帶甚至是協(xié)作機(jī)器人手臂來(lái)實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)需求，并且可以識(shí)別障礙，規(guī)劃路徑，實(shí)現(xiàn)自主安全運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展雖稍晚于國(guó)外，但產(chǎn)品及相關(guān)研究成果豐富。20世紀(jì)80年代，很多研究院所和高校開始研究搬運(yùn)機(jī)器人，相繼研制出功能各異的搬運(yùn)機(jī)器人。1991年，新松機(jī)器人公司和沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研發(fā)的搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)用于汽車裝配線。2018年，米克力美成功研發(fā)了無(wú)軌導(dǎo)航搬運(yùn)機(jī)器人DZ-80，應(yīng)用于物流自動(dòng)化搬運(yùn)系統(tǒng)中，如圖2所示?？傮w而言，國(guó)外的搬運(yùn)機(jī)器人研究起步早，技術(shù)成熟;國(guó)內(nèi)搬運(yùn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也在蓬勃發(fā)展，潛力巨大，應(yīng)用前景廣泛。

本文提出了一款智能物料搬運(yùn)機(jī)器人，主要討論其機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)，主要包括底座、車輪、物料抓取機(jī)械手及總體布局等。

2 智能物料搬運(yùn)機(jī)器人的主要零部件設(shè)計(jì)

2.1 底座

底座是搬運(yùn)小車的主要支撐部件，為提高小車運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性，需保證底座具有足夠的剛度，考慮到能效比，要求底座質(zhì)量較小，故底座材料選用雙層形亞克力板，設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)有利于小車多向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、空間足夠布置芯片、電路與機(jī)械抓手等其他零部件。底座設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

2.2 車輪

控制物料搬運(yùn)小車穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的難點(diǎn)在于機(jī)械臂較長(zhǎng)，在行駛過程中機(jī)械臂會(huì)一直抓取著物料，若地面有輕微的不平整或者小車的動(dòng)作幅度較大，都易導(dǎo)致小車重心的變化，從而增大物料脫落的可能性。選用4個(gè)麥克納姆輪，可實(shí)現(xiàn)全方位的移動(dòng)，能避免小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向、掉頭等大運(yùn)作時(shí)發(fā)生傾倒。麥克納姆輪的三維模型與實(shí)物如圖4所示。

麥克納姆輪不同的安裝方式對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)也有不同的影響，采用圖5所示的安裝方式，可以實(shí)現(xiàn)前后左右方向的平移，同時(shí)能使小車實(shí)現(xiàn)順時(shí)針與逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

麥克納姆輪工作時(shí)，通過四輪之間的速度差來(lái)改變小車的速度和行進(jìn)方向，小車車身紅外傳感器反饋路徑信息，通過紅外傳感器的值可以確定小車車身在路線上的情況，再結(jié)合麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，計(jì)算小車各個(gè)輪胎的速度，控制小車循跡。當(dāng)四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)向前或向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車可實(shí)現(xiàn)向前或向后運(yùn)動(dòng);當(dāng)輪1和輪3向前運(yùn)動(dòng)，輪2和輪4向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車向左平移;當(dāng)輪1和輪3向后運(yùn)動(dòng)，輪2和輪4向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車向右平移。

當(dāng)小車沿著X軸平移時(shí)：V1=-VxV2=+VxV3=-VyV4=+Vy （1）

當(dāng)小車沿著Y軸平移時(shí)：V1=VyV2=VyV3=VyV4=Vy? （2）

當(dāng)小車做定軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)：V1=+ω（a+b）V2=-ω（a+b）V3=-ω（a+b）V4=+ω（a+b） （3）

式中：Vx：小車X軸方向移動(dòng)速度，以X軸正方向?yàn)檎?Vy：小車Y軸方向移動(dòng)速度，以Y軸正方向?yàn)檎?ω：小車沿幾何中心定軸旋轉(zhuǎn)角速度，以逆時(shí)針方向?yàn)檎?V1：輪1轉(zhuǎn)速;V2：輪2轉(zhuǎn)速;V3：輪3轉(zhuǎn)速;V4：輪4轉(zhuǎn)速;a：底座長(zhǎng)度;b：底座寬度。

2.3 抓取機(jī)械手

2.3.1 機(jī)械臂

機(jī)械臂是搬運(yùn)小車的核心部位，通過機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，小車可以在無(wú)需移動(dòng)的情況下，抓取不同位置的物料。采用五軸關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)均為轉(zhuǎn)動(dòng)副，分別由五臺(tái)舵機(jī)控制，舵機(jī)之間由四個(gè)U形架連接整合。U形架為鏤空設(shè)計(jì)且其材質(zhì)為鋁合金，在保證機(jī)械臂剛度的同時(shí)可以減輕機(jī)械臂重量，減少機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使小車在移動(dòng)過程中更加平穩(wěn)。U形架兩側(cè)增加一個(gè)滑動(dòng)副，通過調(diào)整其相對(duì)位置而改變機(jī)械臂長(zhǎng)度，使機(jī)械臂活動(dòng)更加靈活，加大工作范圍。

2.3.2 機(jī)械爪

機(jī)械爪由機(jī)械手指、傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置組成，機(jī)械爪由一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)控制機(jī)械手指張開和閉合，機(jī)械手指與齒輪為分體式結(jié)構(gòu)，通過螺栓連接固定，便于依據(jù)物料形狀拆卸更換機(jī)械手指，使機(jī)械手指與物料緊密貼合，使抓取更加穩(wěn)定。

3 物料搬運(yùn)小車的總體布局

物料搬運(yùn)小車的硬件部分，主要有機(jī)械爪、五個(gè)機(jī)械臂舵機(jī)、六只U形架、一個(gè)云臺(tái)與云臺(tái)舵機(jī)、四只麥克納姆輪、四個(gè)灰度傳感器、一個(gè)攝像頭以及主控面板與底座，其總體布局如圖6所示，物理樣機(jī)圖如圖7所示。物理樣機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在實(shí)際運(yùn)行過程中，未發(fā)生物料脫落現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)物料搬運(yùn)小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，主要包括底座、車輪、物料抓取機(jī)械手及總體布局等。物理樣機(jī)可平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向、加減速等功能，表明設(shè)計(jì)方案可行。

【參考文獻(xiàn)】

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