智能空間模塊位移系統(tǒng)

（華東理工大學(xué)，上海 200237）

1 智能空間模塊位移系統(tǒng)思路總體設(shè)計(jì)

1.1 思路背景

不論是在日常生活中，還是工廠的實(shí)際生產(chǎn)中，提高空間的利用率和物品拿取、存放效率都是一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題。目前，市場(chǎng)上現(xiàn)有的儲(chǔ)物空間多基于單層空間，或者多層單軸[1,2]，空間延展性弱，無(wú)法做到空間三維立體化高效利用[3]；同時(shí)，工業(yè)中普遍使用兩種取物裝置均存在著不足之處：一種是履帶式裝置[4,5]空間利用率極低，安全性、可開(kāi)發(fā)性不高，而且拿取方式極其死板，一旦購(gòu)買(mǎi)安裝完成之后很難根據(jù)貨物存放方式和位置的改變進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，成為后期限制工廠倉(cāng)庫(kù)發(fā)展的一大阻力。另一種是拿取式裝置[6]拿取效果靈活性比較突出的智能機(jī)器，耗費(fèi)巨大而且需要更加大的路徑規(guī)劃空間，不適合絕大多數(shù)中小型倉(cāng)庫(kù)。因此市面上就貨物拿取方面存在著巨大的欠缺。

針對(duì)這些問(wèn)題，為融合經(jīng)濟(jì)性和靈活性兩大需求，提出了一套全新的智能空間模塊位移系統(tǒng)思路，通過(guò)信息判斷即使生成自由回路，實(shí)現(xiàn)拿取的自由化。同時(shí)利用三維空間模塊思維簡(jiǎn)化工作量，將信息傳遞及處理、位移處理、動(dòng)力系統(tǒng)匹配等獨(dú)立開(kāi)來(lái)。又加以物聯(lián)網(wǎng)輔助，從而建立了一套完整的智能空間模塊位移系統(tǒng)，進(jìn)而滿足中小型工廠，物流以及智能家居等對(duì)類(lèi)似空間位移型產(chǎn)品的需求，填補(bǔ)市場(chǎng)的空缺。

基于此思路，設(shè)計(jì)了新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置，其優(yōu)點(diǎn)為完全利用整個(gè)儲(chǔ)物或唯一空間，且移動(dòng)過(guò)程能不受機(jī)械結(jié)構(gòu)約束，實(shí)現(xiàn)路徑最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與高效。

1.2 能量及空間利用比較計(jì)算

1.2.1 履帶式物品移動(dòng)方式計(jì)算

將對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)送過(guò)程分為起步，平穩(wěn)運(yùn)行，停止來(lái)分析運(yùn)算，約定該裝置運(yùn)送單個(gè)產(chǎn)品的運(yùn)輸功率為P0，且有以下假設(shè)：

1）運(yùn)行過(guò)程功率假設(shè)平穩(wěn)，在起步停止階段導(dǎo)致的P的波動(dòng)暫且不記；

3）動(dòng)力機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞效率為η。

若采用履帶性物品移動(dòng)方式（現(xiàn)在市面上常見(jiàn)的儲(chǔ)物運(yùn)輸裝置），現(xiàn)有設(shè)計(jì)中多采用單向履帶，拿取其上某一處的物品時(shí)，需帶動(dòng)履帶上的所有物品進(jìn)行移動(dòng)。以圖1所示3×10的履帶儲(chǔ)物系統(tǒng)為例，計(jì)算其能耗。約定履帶以如圖1所示順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)轉(zhuǎn)，相鄰單元格中心距為L(zhǎng)，選擇右下角處為出口，并依次對(duì)其他單元進(jìn)行1-21編號(hào)（其中空白地段為無(wú)效工作區(qū)）。

圖1 履帶儲(chǔ)物系統(tǒng)

可見(jiàn)，拿取第n號(hào)單元時(shí)，拿取過(guò)程所需的路徑長(zhǎng)度為nL，復(fù)位過(guò)程所需路徑長(zhǎng)度為(22-N)L。設(shè)啟動(dòng)加速度為a1，停止加速度為a2，平穩(wěn)運(yùn)行速度為v。

設(shè)運(yùn)行時(shí)一個(gè)單元格所消耗功率為P1，則拿取過(guò)程的總功率：P2=nP1。

拿取過(guò)程的總功：

復(fù)位的總功率：

復(fù)位的總功：

1.2.2 新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置能耗分析計(jì)算

對(duì)基于智能空間模塊位移系統(tǒng)思路的新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置進(jìn)行能耗分析計(jì)算。設(shè)單元格橫坐標(biāo)為x，縱坐標(biāo)為y將出口處設(shè)為（0，0），如圖2所示。

圖2 新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置

設(shè)啟動(dòng)加速度為a1，停止加速度為a2，平穩(wěn)運(yùn)行速度為v；

起步停止階段tt0：

起步階段時(shí)tst：

停止階段tsp：

穩(wěn)定運(yùn)行階段tte：

（m，n）處運(yùn)送到目的地所需時(shí)間：

功率：

1.2.3 理想情況計(jì)算

若為理想情況下的直線移動(dòng)（即目標(biāo)物體筆直走向出口，用于簡(jiǎn)單評(píng)估能量利用情況）單元格至出口處的最短距離可分為3種情況：

x=0時(shí)，距離為yL；

表1 x=1時(shí)Y坐標(biāo)-距離

表2 x=2時(shí)Y坐標(biāo)-距離

1.3 計(jì)算數(shù)據(jù)處理及比較分析

1.3.1 計(jì)算數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化與圖像處理

為對(duì)比傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程所使用的典型履帶式裝置與基于智能空間模塊位移系統(tǒng)思路的創(chuàng)新空間模塊位移機(jī)械裝置的能耗數(shù)值數(shù)據(jù)。為簡(jiǎn)化對(duì)比過(guò)程，做以下處理：

將給定參數(shù)，啟動(dòng)加速度a1，停止加速度a2，平穩(wěn)運(yùn)行速度v，單位長(zhǎng)度L(l)，功率P統(tǒng)一約定為1。且暫且不考慮運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因加速減速產(chǎn)生的工作阻力對(duì)功率P的影響。

圖3為傳統(tǒng)履帶式機(jī)器的相對(duì)功耗與空間位置圖。（其中中部對(duì)應(yīng)（1，1）至（1，8）部分為無(wú)效工作區(qū)，可對(duì)照?qǐng)D2。）圖4為創(chuàng)新空間模塊位移機(jī)械裝置功耗與空間位置圖。圖5為理論直線運(yùn)行下的相對(duì)功耗。

圖3 傳統(tǒng)履帶式的相對(duì)功耗與空間位置

圖4 創(chuàng)新空間模塊位移機(jī)械裝置功耗與空間位置

圖5 理論直線運(yùn)行下的相對(duì)功耗

1.3.2 比較分析

對(duì)比1.3.1節(jié)中三圖可以明顯看出：

履帶式裝置和基于智能空間模塊位移系統(tǒng)思路的新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置相比較能量分布不均勻，對(duì)比圖3與圖5，當(dāng)x=0時(shí)，隨著y值得增加，圖3波動(dòng)呈現(xiàn)無(wú)關(guān)性，且基本處于高數(shù)值區(qū)域；x=2時(shí)，雖圖3的增幅較為平穩(wěn)，但是對(duì)比下其對(duì)應(yīng)z值（相對(duì)功耗）明顯高出圖5的理論數(shù)值。同樣的，對(duì)比圖4與圖5，整體平穩(wěn)且與位置參數(shù)高度契合。由此可見(jiàn)，新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置能量合理的按照相對(duì)位置分布，和位置參數(shù)高度契合，明顯可以看出路徑優(yōu)化的顯著作用。

新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置空間利用率為百分百，而履帶式裝置空間利用率僅僅接近70%，且理論分析下，隨著機(jī)構(gòu)的擴(kuò)大（即由3×10，擴(kuò)展到5×15或更多），利用率會(huì)進(jìn)一步降低。

圖3與圖4中將z值（相對(duì)功耗）相比較，在簡(jiǎn)化的功耗估算下傳統(tǒng)履帶式裝置整體功耗為新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置的138%，且在（0，1），（0，2）處高達(dá)14.7倍和7.44倍，除此之外，在履帶式傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的功能空白區(qū)（（1，1）至（1，8）），創(chuàng)新思路機(jī)構(gòu)均表現(xiàn)的十分穩(wěn)定。

2 新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置總體設(shè)計(jì)概述

2.1 系統(tǒng)整體創(chuàng)新思路

該系統(tǒng)從模塊的角度思考，希望能夠通過(guò)將空間模塊化，然后將實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與單片機(jī)中的編程語(yǔ)言相關(guān)聯(lián)。從而實(shí)現(xiàn)從虛擬的編程語(yǔ)言到現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的靈活轉(zhuǎn)換。

2.2 新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置的性能要求

該新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置需滿足自動(dòng)化程度高、存放和拿取效率高、空間利用率高、系統(tǒng)穩(wěn)定等要求，具有結(jié)構(gòu)巧妙、性能高效、空間緊湊等特點(diǎn)。性能優(yōu)良：一、系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，即通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各部分功能的協(xié)調(diào)自動(dòng)控制，在人為給出目的指令的情況下能自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)；二、工作效率高，能耗少。對(duì)于不同位置的儲(chǔ)物單元，都能以最簡(jiǎn)的路徑實(shí)現(xiàn)移動(dòng)；三、系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)準(zhǔn)確，能保證規(guī)定的運(yùn)動(dòng)精度；四、結(jié)構(gòu)巧妙，體積緊湊，操作方便，制造容易，成本低；五、留有進(jìn)一步提升的空間，便于后期與工廠實(shí)際生產(chǎn)或智能家居等不同領(lǐng)域的融合。

研究的具體目標(biāo)如下：

設(shè)計(jì)移動(dòng)動(dòng)作的執(zhí)行模塊，即具有可移植性的動(dòng)作單元模塊，完成儲(chǔ)物單元的平穩(wěn)移動(dòng)。

設(shè)計(jì)整體的回路模塊，即在整體移動(dòng)平面上，通過(guò)限位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)可變移動(dòng)路徑的執(zhí)行。

設(shè)計(jì)電路控制模塊，協(xié)調(diào)控制用戶指令、移動(dòng)路徑的生成和改變、執(zhí)行模塊的動(dòng)作指令等。

2.3 新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置

圖6 新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置模型總覽圖

基于智能空間模塊位移系統(tǒng)思路的新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)整個(gè)功能，模型樣機(jī)總覽如圖6所示。

3 新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置各模塊單元設(shè)計(jì)

3.1 新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

新型智能空間模塊位移機(jī)械裝置可分為三大模塊（如圖7所示）：載物模塊、位置導(dǎo)向與判斷模塊、特征運(yùn)動(dòng)模塊。

圖7 三大模塊示意圖

3.2 載物模塊設(shè)計(jì)

載物模塊功能：實(shí)現(xiàn)物體的運(yùn)送。

載物模塊由密度板和四個(gè)牛眼輪兩部分組成。

密度板上表面與需移動(dòng)的物體接觸，下表面與捻輪接觸以實(shí)現(xiàn)摩擦驅(qū)動(dòng)。因此上表面可進(jìn)行多種安裝裝置的加裝（在文中模型機(jī)中不加描述，其不影響機(jī)構(gòu)運(yùn)作，可根據(jù)需要移動(dòng)的物體自主選擇），下表面固定牛眼輪，且與運(yùn)動(dòng)模塊摩擦鏈接，故在下層添加摩擦涂

料[7,8]。

3.3 位置導(dǎo)向與判斷模塊設(shè)計(jì)

位置導(dǎo)向與判斷模塊，由導(dǎo)軌和限位開(kāi)關(guān)構(gòu)成，導(dǎo)軌采用與牛眼輪球輪匹配的鋁型材，起到導(dǎo)向和支撐的作用，其軌道內(nèi)部鑲嵌的限位開(kāi)關(guān)能夠?qū)崟r(shí)判斷載物板的位置進(jìn)而進(jìn)行對(duì)運(yùn)動(dòng)模塊運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)整。如圖8所示，位置導(dǎo)向與判斷機(jī)構(gòu)2包括導(dǎo)軌21和限位開(kāi)關(guān)22，限位開(kāi)關(guān)22鑲嵌在導(dǎo)軌21軌道內(nèi)部，限位開(kāi)關(guān)22均勻分布，進(jìn)而及時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)整。導(dǎo)軌21，壁板和支柱4三者形成了九個(gè)立體的空間，即本空間位移裝置將空間劃分為了九個(gè)單元空間模塊。

圖8 位置導(dǎo)向與判斷模塊設(shè)計(jì)

圖9 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

3.4 特征運(yùn)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

3.4.1 特征運(yùn)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)組成

如圖9運(yùn)動(dòng)模塊是由兩個(gè)舵機(jī)、一個(gè)減速電機(jī)、捻輪和主體連接結(jié)構(gòu)組成[9]。舵機(jī)1、舵機(jī)2由Arduino判斷控制，減速電機(jī)由Arduino給定信號(hào)控制開(kāi)啟時(shí)間以及正反轉(zhuǎn)，整個(gè)機(jī)構(gòu)由L298n給電。其中舵機(jī)1控制減速電機(jī)的傾斜與垂直，功能為控制運(yùn)動(dòng)單元與載物板的接觸與分離。舵機(jī)2控制主體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，功能為控制邏輯路徑轉(zhuǎn)角處運(yùn)動(dòng)單元旋轉(zhuǎn)90°。

3.4.2 特征運(yùn)動(dòng)模塊具體實(shí)現(xiàn)方法

如圖9左所示，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3包括底部舵機(jī)31、中部舵機(jī)32、減速電機(jī)33、捻輪34和轉(zhuǎn)體架構(gòu)，其中，轉(zhuǎn)體架構(gòu)包括底部凸模302、平臺(tái)301、轉(zhuǎn)動(dòng)凸模303、凹模304和支撐架305，中部舵機(jī)32連接轉(zhuǎn)動(dòng)凸模303，轉(zhuǎn)動(dòng)凸模303嵌入凹模304，凹模304與支撐架305相連固定于平臺(tái)301之上，減速電機(jī)一端固定在支撐架305上，另一端安裝捻輪34，其工作原理為，底部舵機(jī)31和轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)由Arduino單片機(jī)判斷控制，減速電機(jī)33由Arduino單片機(jī)給定信號(hào)控制開(kāi)啟時(shí)間以及正反轉(zhuǎn)，整個(gè)裝置由L298n給電；其中轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)控制減速電機(jī)33的傾斜與垂直，使得運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3與載物機(jī)構(gòu)1的接觸與分離；底部舵機(jī)31控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3整體旋轉(zhuǎn)，使得在邏輯路徑的轉(zhuǎn)角處運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3旋轉(zhuǎn)90°。

4 機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)方法及過(guò)程

首先，設(shè)定左上角為載物機(jī)構(gòu)1的運(yùn)動(dòng)起始位置，右下角為終止位置，設(shè)定結(jié)束后Arduino內(nèi)置程序自動(dòng)根據(jù)起始點(diǎn)和終點(diǎn)的位置生成路線的編程語(yǔ)言描述。根據(jù)生成的編程語(yǔ)言，對(duì)每個(gè)路徑經(jīng)過(guò)處的載物機(jī)構(gòu)1的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行設(shè)置，可描述為：

1）直線路徑經(jīng)過(guò)處，轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)帶動(dòng)電機(jī)外殼向上伸直，使捻輪34接觸載物機(jī)構(gòu)1，并使載物機(jī)構(gòu)1輕微抬起，同時(shí)減速電機(jī)33工作帶動(dòng)捻輪34轉(zhuǎn)動(dòng)，因摩擦力作用捻輪34驅(qū)動(dòng)載物機(jī)構(gòu)1移動(dòng)。

2）路徑轉(zhuǎn)角處，底部座機(jī)根據(jù)具體路徑判斷，順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，旋轉(zhuǎn)停止后，如上文描述，轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)帶動(dòng)電機(jī)外殼，使捻輪34接觸載物機(jī)構(gòu)1，同時(shí)減速電機(jī)33工作，驅(qū)動(dòng)載物機(jī)構(gòu)1移動(dòng)。

3）導(dǎo)軌21內(nèi)嵌入限位開(kāi)關(guān)22，當(dāng)載物機(jī)構(gòu)1按照要求運(yùn)動(dòng)到規(guī)定位置時(shí)，觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)22，正在工作的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3停止工作，轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)回轉(zhuǎn)，使捻輪34脫離載物機(jī)構(gòu)1，同時(shí)，邏輯算法中的下一個(gè)應(yīng)該運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)特征開(kāi)始進(jìn)行，使運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3再次驅(qū)動(dòng)載物機(jī)構(gòu)1移動(dòng)。

將上述的編程語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，載物機(jī)構(gòu)1即可從起始位置逐步移動(dòng)到終止位置從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際功能。上述為整個(gè)裝置上放置一個(gè)載物機(jī)構(gòu)1時(shí)的工作流程，本裝置載物機(jī)構(gòu)1可放置n-1個(gè)，n為運(yùn)動(dòng)單元的數(shù)目，當(dāng)放置n-1個(gè)載物機(jī)構(gòu)1時(shí)，編程與實(shí)際運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換思路與上述相似，只需在載物機(jī)構(gòu)1的運(yùn)動(dòng)特征開(kāi)啟時(shí)間以及開(kāi)啟順序依次調(diào)整。

注：上述過(guò)程中編號(hào)如圖7、圖8、圖9所示。

5 結(jié)論

從路徑的優(yōu)化下手，將編程語(yǔ)言優(yōu)化路徑與實(shí)際運(yùn)行路徑結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)單純機(jī)械結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)的效果。從對(duì)假設(shè)條件下（即假定兩種機(jī)構(gòu)都為3×10的機(jī)型）傳統(tǒng)履帶式倉(cāng)儲(chǔ)拿取運(yùn)輸結(jié)構(gòu)與創(chuàng)新思路機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算對(duì)比可以明顯的看出，經(jīng)過(guò)編程路徑優(yōu)化之后，能量分布的合理性，進(jìn)而體現(xiàn)其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)良性能。與不同位置物品理論拿取過(guò)程能量消耗對(duì)比計(jì)算下，優(yōu)化路徑后的機(jī)構(gòu)能量消耗和位置參數(shù)高度契合，論證了此創(chuàng)新思路的合理性。

由國(guó)家級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目支持（項(xiàng)目編號(hào)201710251052），裝置實(shí)物模型如圖10和圖11所示。獲得第六屆上海市大學(xué)生機(jī)械工程創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)。實(shí)用新型專(zhuān)利已受理（專(zhuān)利號(hào)201820517460.5）。

本文設(shè)計(jì)的智能空間模塊位移系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高效利用空間和自動(dòng)低成本貨物拿取、收納等，滿足中小型工廠，物流以及智能家居等對(duì)類(lèi)似空間位移型產(chǎn)品的需求，填補(bǔ)市場(chǎng)的空缺。同時(shí)機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)在實(shí)際運(yùn)用時(shí)需要根據(jù)具體的應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行調(diào)整，例如在面向產(chǎn)品質(zhì)量較大的實(shí)際情況，需要使用相應(yīng)滿足強(qiáng)度要求的金屬加工以及使用相應(yīng)功率的控制元件等。同時(shí)面向一些特殊產(chǎn)品（如高溫易燃易爆產(chǎn)品），可在路徑優(yōu)化的同時(shí)對(duì)其物理參數(shù)的測(cè)定并將其影響加入進(jìn)最終的優(yōu)化計(jì)算中，豐富產(chǎn)品功能。

圖10 裝置實(shí)物總覽

圖11 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)物