基于慧魚模型的室內(nèi)物流機器人系統(tǒng)設(shè)計

李云鵬，劉 楠，魏羽欣，藺子恒，馮 源，劉一燔，黃曦元

(天津理工大學(xué) 機電工程國家級實驗教學(xué)示范中心，天津 300384)

筆者擬設(shè)計一種新型物流機器人補全物流運輸最后一步——送貨上門。機器人將批量運送快遞包裹進入單元樓等建筑物內(nèi)部各樓層并將包裹運送至各住戶門口，大大提高快遞派送效率。

1 物流機器人發(fā)展趨勢

目前，社會零售總額的13%是被網(wǎng)絡(luò)零售所占據(jù)的，這就導(dǎo)致電商物流日漸趨向于自動化。然而未來電商物流的發(fā)展方向，很大程度上由自動化程度來決定，并且電子商務(wù)整個行業(yè)一直在飛快發(fā)展。

物流路徑隨著大數(shù)據(jù)應(yīng)用對供應(yīng)鏈的改變也會發(fā)生改變，這也在快速改變著全國的產(chǎn)業(yè)布局。未來直接從工廠發(fā)貨的這些貨物將更受青睞，這做到了“只動數(shù)據(jù)不動貨物”，得到了物流路徑最佳方案。

電商物流趨勢一定是走共享物流之路，這必將告別現(xiàn)代物流的“農(nóng)業(yè)化時代”，進而走向社會化物流。社會化物流趨勢百分之百會減少社會交易成本的浪費。而隨著平臺經(jīng)濟的發(fā)展，“平臺+個人”商業(yè)模式不斷演化，依賴專職的物流從業(yè)人員并不能克服這種困難，最主要的原因是“平臺+個人”商業(yè)模式一直在發(fā)展變化，而平臺經(jīng)濟的發(fā)展也在很大程度上促進這種情況的蔓延。

學(xué)生居住的密集度和特殊性決定了大學(xué)生是這種消費力量的核心成分。所以，在快遞行業(yè)，如何解決校園等工作學(xué)習(xí)場合的快遞“末端二百米”問題，如何提高效率和服務(wù)水平，是本文研究的中心。

2 機械結(jié)構(gòu)

筆者設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)主要分為兩部分，運送機械及搬運機械臂。

2.1 運送機械

運送機械采用履帶式移動平臺，底盤有轉(zhuǎn)向靈活、不易打滑、可以穩(wěn)定的通過樓梯，實現(xiàn)在宿舍樓各樓層之間移動的功能。

由于需要履帶式移動平臺翻越障，平臺的上輪系與下輪系的距離決定了其翻越能力，這就導(dǎo)致平臺必須在翻越物之上。履帶移動平臺制造履帶的傾角以便爬上樓梯，由于前角角度關(guān)系到平臺的翻越能力，所以本文將支撐輪和主動輪進行縱向不同軸設(shè)計，如圖1所示。

圖1 履帶受力分析

經(jīng)模擬仿真分析，40°～45°為最佳前傾角，越障能力最強，經(jīng)調(diào)查樓梯傾角多在40°～50°，故設(shè)計為45°傾角，平臺高度為模擬臺階兩倍(150mm)。

由于慧魚模型組合包中缺少部分組件，故使用SolidWorks軟件自行設(shè)計，如圖2所示，并由3D打印制造。

圖2 履帶式移動平臺設(shè)計模型

圖3 物流機器人機械臂的慧魚模型

2.2 搬運機械臂

經(jīng)研究，對于機械臂控制難度增加與自由度的數(shù)量是正比例關(guān)系，即增加自由度會提高控制難度。不僅如此，自由度的增加還會導(dǎo)致成本的激增，因此在設(shè)計機械臂時除考慮本身的強度、剛度等要求外，還考慮了在準確抓取貨物搬運至送貨地點的同時，盡量減少機械臂的自由度的方案。

筆者設(shè)計的機械臂包含主機架、傳動機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)臂以及機械爪等核心機構(gòu)，并設(shè)有獨立的控制單元，如圖3所示。

經(jīng)研究，機械臂平面旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)選用蝸輪蝸桿機構(gòu)。

蝸桿傳動具有緊湊的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定平滑的傳動、較高的傳動比而噪聲和嚙合沖擊都不大。蝸桿具有自鎖性(當嚙合輪齒間的當量摩擦角大于導(dǎo)程角時)，十分適合物流機器人從貨廂取出貨物時的功能需求，使貨物平穩(wěn)快速取出精準投放到指定位置。

經(jīng)研究，機械臂升降傳動機構(gòu)選用絲杠螺母機構(gòu)與平行四邊形平面連桿機構(gòu)，這是根據(jù)物流機器人的工作要求，選擇的一種可以將電機、減速裝置與螺旋傳導(dǎo)一體化集成的機械臂Z軸升降結(jié)構(gòu)。螺旋傳動是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，不但可以保證結(jié)構(gòu)自鎖，與其他類似的傳動形式相比，還具有更簡單的結(jié)構(gòu)、更連續(xù)平穩(wěn)的工作能力、更強的承受能力、更高的傳動精度、更良好的穩(wěn)定性，以此獲得穩(wěn)定的升降。結(jié)合以上優(yōu)點，還可以發(fā)現(xiàn)絲杠螺母升降結(jié)構(gòu)能夠有效降低制造加工難度、節(jié)約成本，并且能夠同時進行能量和力傳遞。

平行四邊形機構(gòu)保證機械爪始終保持與平臺垂直的狀態(tài)，使貨物始終平穩(wěn)保持水平狀態(tài)，便于投放貨物，提高精準度。選擇平行四邊形機構(gòu)就可以輕松滿足需要， 在實現(xiàn)執(zhí)行器的水平工作的同時節(jié)省了一個轉(zhuǎn)動副。經(jīng)計算平行四邊形機構(gòu)自由度為1(W=3×3-2×4=1)， 只需一個主動件，因此選用此機構(gòu)既減少了能耗又降低了程序復(fù)雜度，抓取動作，如圖4所示。

(a)旋轉(zhuǎn) (b)校準

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制器(ROBO TXT控制器)

筆者采設(shè)計的控制系統(tǒng)采用的是ROBO TXT控制器(見圖5)。

圖5 ROBO TXT控制器說明

1.USB-A接口(USB-1)；2.擴展板接口；3.Mini USB接口(USB-2)；4.紅外接收管；5.觸摸屏；6.Micro SD 卡插槽；7.9V供電端，充電電池接口；8.9V供電端，直流開關(guān)電源接口；9.輸出端 M1-M4，或01-08；10.輸入端C1—C4；11.9V輸出端(正板端子)；12.ON/OFF開關(guān)；13.揚聲器；14.9V輸出端(正極端子)；15.紐扣電池倉；16.通用輸入端11-18

ROBO TXT控制器適用于控制各種慧魚模型，是“慧魚創(chuàng)意模型”的重要控制模塊，通過USB端口或者通過內(nèi)置的藍牙與 Wi-Fi 模塊傳輸軟件指令，從而實現(xiàn)慧魚模型的控制運動過程。

3.2 傳感器

筆者設(shè)計的物流機器人為了提升物流機器人的行進靈活性，在樓道行進時主要采用光學(xué)導(dǎo)引的方式(見圖6)前進，在機器人行駛路徑上制造明顯色差帶，通過對光學(xué)傳感器收集的色差帶信號轉(zhuǎn)化為電子信號進行識別，檢測是先鋪設(shè)在地面的色帶與物流機器人的相對位置，實現(xiàn)導(dǎo)引前進，而光學(xué)導(dǎo)的方式在地面路線設(shè)置方便十分簡單便捷。

圖6 光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)原理

3.3 電機選用

項目組設(shè)計的物流機器人重4kg，要求最快運行速度為1m/s，兩臺電機驅(qū)動其行走，最大爬坡角度為5°，電機供電電壓為24V。

電機轉(zhuǎn)速要求：

電機轉(zhuǎn)矩要求：

由于整體系統(tǒng)重量為4kg，預(yù)估摩擦系數(shù)為0.03。

轉(zhuǎn)矩計算：

T=Ff×R

=(0.03+sin5)×4kg×9.8kgm/s2×32.5×10-3m

=100mN·m

但由于需要其分擔到兩個電機上，此時每個電機轉(zhuǎn)矩為50mNm。

綜上初步減速電機參數(shù)為：

轉(zhuǎn)矩：50mNm，轉(zhuǎn)速：290rpm。

根據(jù)此需求數(shù)據(jù)本文設(shè)計選擇了幾款符合要求的電機型號(見表1)。

4 控制程序

4.1 ROBO PRO的程序設(shè)計(見圖7)

在程序控制方面，筆者使用的是慧魚 ROBO PRO 軟件，通過流程圖和數(shù)字流程圖的結(jié)合，在使用符合需求的一些程序模板使其控制程序以及流程圖和數(shù)字流程圖可以生成可視化的用戶界面，最后將其后臺運算的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為控制信號即可實現(xiàn)物流機器人識別和抓取運送等功能的運行。

該控制程序只有一個主程序但是搭配了多個子程序模塊。主程序即實現(xiàn)整個存取過程，其包含多個模塊，而每個子程序可重復(fù)調(diào)用，即子程序是完成存取過程中各個子動作的實現(xiàn)。為實現(xiàn)特定功能，在存取的過程中，由主程序可以調(diào)取運行子程序模塊，每個子程序都有設(shè)有固定的參數(shù)限制。

表1 電機選用型號

4.2 程序流程圖

圖7 程序流程

5 結(jié)束語

筆者在研究過程初始階段就對當今物流體系及環(huán)境需求等方面開展研究，確定了針對物流環(huán)境的末端配送問題的研究中心，在研究設(shè)計前總結(jié)了本文研究所需的大量物流行業(yè)相關(guān)專業(yè)知識。研究中期查閱研究討論了大量機械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)及編程思維的相關(guān)資料，設(shè)計出移動及搬運裝置的機械結(jié)構(gòu)、電氣元件的選擇應(yīng)用和整體系統(tǒng)的程序流程方案。在研究后期的實驗階段，我們經(jīng)研究決定使用SolidWorks軟件進行模擬仿真以及設(shè)計制造模擬環(huán)境實驗所需的各種部件，并使用3D打印技術(shù)制造出實驗?zāi)Ｐ停谘芯亢笃诘南到y(tǒng)調(diào)試階段經(jīng)研究使用ROBO PRO軟件對物流機器人的控制系統(tǒng)編寫程序，并進行實驗和調(diào)試。

綜上所述，所設(shè)計出的物流機器人滿足設(shè)計要求，采用慧魚模型、三維建模以及3D打印技術(shù)和傳感器檢測技術(shù)等技術(shù)實現(xiàn)物流機器人的研究制造，要想進一步實現(xiàn)物流機器人的工作需求，需要進行模擬環(huán)境測試以及調(diào)試來達到預(yù)期的效果。