KIVA機器人解析

文/ Ben Einstein 編譯/ 石義民

當(dāng)前，在無人機備受關(guān)注的同時，為倉庫配送中心提供動力的機器人系統(tǒng)更加引人注目。在地面運行的數(shù)以萬計的移動機器人已經(jīng)投入運營，并正在運送包裹。這些系統(tǒng)最初是由位于波士頓的Kiva Systems公司構(gòu)建的。筆者找到一臺老版本的Kiva機器人，打開它明亮的橙色外殼，展示內(nèi)部絕妙的工程設(shè)計。本文分享了Kiva辛勤工作的成果。

亞馬遜倉庫中使用的Kiva機器人

一、背景

在類似亞馬遜和Staples這樣的大型電商公司配送中心內(nèi)部，每天有大批人員步行數(shù)英里，將商品從貨架上撿出來并放在盒子里。該過程費用高、效率低下并且容易出錯。在Kiva出現(xiàn)之前，最先進的便捷工具是自行車。

在Webvan公司任職一段時間后，Kiva的創(chuàng)始人Mick Mountz意識到：如果可以將貨架移動到人面前，而不是人移動到貨架，那么揀貨效率將大大提高。Mick于2003年與Pete Wurman和Raあaello D'Andrea合作，創(chuàng)立了 Kiva Systems公司，從根本上改變了人和物品在倉庫中的移動方式。

Ki v a 開發(fā)的系統(tǒng)包含5 個關(guān)鍵部分：

（1）可移動且非常靈活的定制版Kiva貨架；

（2）地板上鋪設(shè)的二維碼網(wǎng)格；

（3）配有秤、激光和傳感器的智能包裝站；

（4）可迅速將貨架提升并在地板上移動的橙色機器人；

（5）最重要的部分：將所有硬件連接在一起的復(fù)雜而強大的軟件系統(tǒng)。

盡管所有這些都是令人驚嘆的，并且對于系統(tǒng)正常運行必不可少，但本文著重介紹在倉庫地板上運行的橙色機器人。

老版本KIVA機器人

圖1 托舉鑄件背面、鑄件局部

圖2 前殼內(nèi)部紅外傳感器組、后殼頂部視圖

圖3 KIVA注塑罩殼

圖4 管式碰撞傳感器、紅外傳感器

二、構(gòu)造與機構(gòu)

原則上，Kiva 機器人非常簡單。它每隔40英寸就會讀取地板上鋪設(shè)的QR或Datamatrix二維碼，并從其大腦的云中接收行動指令。機器人到達貨架后，運用巧妙的舉升機構(gòu)，自身旋轉(zhuǎn)以舉起一個滾珠絲杠機構(gòu)，將貨架從地面抬起。

圖5 舉升驅(qū)動裝置俯視圖、升降電機減速器、舉升裝置中心視圖

圖6 機器人底部、定制的Kiva鑄造車輪

圖7 車體懸架、車體鑄造件、鑄件局部

圖8 U形銷連接、鑄造散熱片結(jié)構(gòu)

機器人看起來很簡單，但需要考慮以下問題：貨架可以重達一千磅（注：1000磅=453.6千克），配送中心有幾萬個貨架，幾百個機器人和幾十個包裝站。一次微小的碰撞或貨架跌落可能造成數(shù)千美元的損失。這可不是玩具機器人。

機器人外殼的每一側(cè)都有一組紅外傳感器和一個用于檢測和避免碰撞的氣壓避障裝置。還有一個充電口（Kiva能自動?？坎⒆灾鞒潆姡┖鸵幌盗蠰ED狀態(tài)指示燈。另外一個主要部分是可以將貨架抬離地面X形升降機構(gòu)。

機器人有三個獨立的運動部分：兩個驅(qū)動輪和一個用于貨架舉升的馬達。舉升馬達旋轉(zhuǎn)的同時，兩個驅(qū)動輪都反向旋轉(zhuǎn)，因此在機器人旋轉(zhuǎn)時，升降機構(gòu)和貨架顯得靜止。這樣減少了驅(qū)動組件的數(shù)量，并避免了復(fù)雜的液壓或剪式舉升機構(gòu)。

升降機的頂部是一個大型鋁鑄件（圖1），同時，機器人的主要大型結(jié)構(gòu)部件都是鑄鋁材質(zhì)的。所有鑄件由319通用合金制成。每個零件都經(jīng)過一系列鑄造之后的精加工，比如精加工面和螺紋孔。類似的工藝在汽車發(fā)動機缸體，液壓執(zhí)行器等許多高質(zhì)量的鋁制零件上常常會被采用。

每個紅外傳感器都內(nèi)置濾波器邏輯，并通過串行總線進行通信。從圖2上，可以看到無線控制模塊以及舉升馬達和大齒輪。在機器人的后部，有四個鉛酸電池和大電流電線。

前后兩個罩殼均由ABS真空注塑成型（圖3）。用于制造這些零件的真空成型機和CNC設(shè)備都非常大。這部分非常復(fù)雜并且價格昂貴。

本刊重點關(guān)注的物流展會

機器人前后面為曲面，在整個曲面上研制全長的碰撞傳感器難度極大，Kiva工程師提出了一種簡單的，具有成本效益的解決方案。他們利用乙烯管/橡膠管連接簡單的壓力傳感器（圖4），一旦檢測到壓力變化，機器人就會停止所有運動。右圖中的黑色部件用于接收壓力數(shù)據(jù)，并連接所有的紅外傳感器，然后整體連接至主控制器。

舉升機構(gòu)采用定制的滾珠絲杠，這是最復(fù)雜、最昂貴的組件，滾珠絲杠外部與標(biāo)準(zhǔn)的尼龍小齒輪和驅(qū)動電機連接（圖5）。電機由Pittman（Ametek）制造，具有27 in-lbs的扭矩和近1Kw的失速功率。直角雙向減速機由日本Brother制造，可在72rpm的轉(zhuǎn)速下以25：1的減速比處理407 in-lbs的扭矩。這款電機和減速機的組合單價約為1000美元（批量可能更低）。

卸下升降器和電子設(shè)備后，可以將機器人翻轉(zhuǎn)過來，以更好地查看傳動系統(tǒng)（圖5，主邏輯板隱藏在鋼板面板下方）。背面有相同的兩個電動機和變速箱，定制的鑄造Kiva車輪（圖6），可能是為了保證在混凝土地板上具有極高的耐久性。兩端是兩對雙輪式360度旋轉(zhuǎn)腳輪。這樣的傳動系統(tǒng)支持原地回轉(zhuǎn)。

主體部分由三個鑄鋁部件組成（圖7），它們通過簡單的U型夾銷連接在一起，從而實現(xiàn)了簡單、被動的雙重懸架運動。它們都采用319鋁合金材質(zhì)，并且在鑄造后進行了機械加工。隨著產(chǎn)量的增加，Kiva的工程師可能會轉(zhuǎn)向使用帶有鋼具的低壓鋁模具成型。注意右下方前鑄件頂部的散熱片（圖8）：電機控制器的大型晶體管靠在這些散熱片的背面，以實現(xiàn)最大的散熱效率，這是個很精巧的設(shè)計。

圖9 電池連接、充電口、充電口局部

圖10 頂部攝像頭、底部攝像頭

圖11 主邏輯板連接器、卸下的主邏輯板、通信模塊和天線

圖12 舉升滾珠絲杠側(cè)視圖、局部視圖

三、電子元件

即使Kiva機器人自身幾乎沒有決策權(quán)（它的動作都由云中的服務(wù)器控制），但機器人在舉升和控制數(shù)千磅商品的過程中需要一些非常正式的電子設(shè)備。

該系統(tǒng)由四個串聯(lián)的12v，28Ah鉛酸電池供電（48v DC，見圖9）。其中兩個電池還在支架下方安裝了定制的熱感應(yīng)器，以確保它們不會過熱。當(dāng)電量不足時，機器人會脫機返回充電站充電。充電端口的設(shè)計允許在接口配合過程中的較大偏移。

Kiva系統(tǒng)的主要組成之一是裝在升降機構(gòu)內(nèi)部的雙攝像頭成像模塊。一個攝像頭向下掃描地面，識別倉庫地板上的二維碼。另一個攝像頭向上掃描貨架底部。每個攝像頭有6個嵌入的紅色LED燈提供照明，像機器人的其余部分一樣，所有部件都是定制的（圖10）。圖像處理板在兩個成像器之間，上面裝有ADI ADSP-BF548 多媒體處理器，該處理器通過高速串行進行二維碼檢測并傳遞結(jié)果。

主邏輯板將所有部件連在一起（圖11）。電機控制電路由48V電池供電，獨立的電源濾波軌為邏輯/通信/ CPU供電。三相無刷電機的驅(qū)動器是完全定制的，由隱藏在子板下方的Lattice LFXP6C FPGA控制芯片驅(qū)動。這三個驅(qū)動器電路都各有一個電流傳感器、6個全橋配置的大電流FET（通過車體結(jié)構(gòu)冷卻）、電機旋轉(zhuǎn)編碼器的輸入以及大型的4針連接器。

子板通過協(xié)調(diào)無線模塊、成像單元、急停、紅外/壓力傳感器、電源管理和電機驅(qū)動器來匯總系統(tǒng)功能。該MCU是32位飛思卡爾MPC5123，具有400MHz時鐘，可能運行PowerPC Linux（在裸機上）。這兩個以太網(wǎng)端口連接到無線模塊和固件閃爍/外部硬線連接，但是它們由Mircel KSZ8993切換。

整個機器人上唯一現(xiàn)成的電路是通信模塊：Soekris Engineering Net4526路由器，該路由器具有雙天線配置的單個Winstron NeWeb CM9無線模塊，并通過以太網(wǎng)連接到主邏輯板。

四、奇妙的舉升部件

這一代Kiva機器人有許多引人入勝且執(zhí)行出色的方面，其中一個突出的部分是舉升機構(gòu)（圖12）。這部分機構(gòu)承擔(dān)了Kiva繁重的舉升任務(wù)。它必須能夠支撐一千磅的負(fù)載，同時要求升降的時候完全平行于地面，滾珠絲杠可以完美的滿足這樣的要求。大多數(shù)滾珠絲杠的直徑為1英寸或2英寸，而這里采用的直徑為11英寸（注：11英寸=279mm），并且是空心的。

滾珠絲杠的內(nèi)外殼體是鋁合金材質(zhì)，并且像底盤的主要部件一樣，在制造過程中需要進行幾次輔助機械加工。這兩部分都涂有特氟龍浸漬的陽極氧化膜，這種處理方式很少見，但是在提供潤滑性和防銹性方面做得很好。內(nèi)圈（“滾珠螺母”）裝有一個注塑成型的滾珠返回機構(gòu)，該機構(gòu)可以回收尼龍/聚甲醛滾珠。在實際的旋轉(zhuǎn)提升過程中，外圈（“螺釘”）與內(nèi)側(cè)的滾珠軸承以及外側(cè)的小齒輪接合。

由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，難以準(zhǔn)確估算舉升機構(gòu)的成本，根據(jù)零件尺寸、后處理、涂層、耐用性的要求和非凡的裝配工藝，筆者估計價格在1000美元左右。

五、結(jié)論

誠然，本文介紹的內(nèi)容，是整體解決方案中的一小部分，不過是非常重要的一部分。

在硬件初創(chuàng)領(lǐng)域，我們花大量時間思考和討論日常生活中的消費機器人，如可以烹飪食物、安排會議時間、給地板打掃衛(wèi)生的機器人等。不過目前來看，像Kiva這樣的機器人已經(jīng)對我們的日常生活產(chǎn)生了更大的影響。隨著電子商務(wù)的不斷發(fā)展，Kiva這樣的技術(shù)將成為改變倉庫和配送中心的驅(qū)動力，而這對于滿足我們的突破性愿望至關(guān)重要。Kiva是為數(shù)不多的幾家將復(fù)雜的硬件和軟件巧妙地集成到一個無縫解決方案中的公司之一，并且該公司構(gòu)建了一個可以顯著改變我們購買、銷售和生活方式的系統(tǒng)。