應(yīng)用于智能倉儲的AGV貨架搬運機器人*

牟勝輝，王有亮，張 成，蔣修華，何偉鋒

（1.喬鋒智能裝備股份有限公司，廣東東莞 523000；2.東莞理工學(xué)院機械工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

0 引言

隨著人工成本的不斷提高以及對作業(yè)效率要求的提高，傳統(tǒng)的人工物料分揀搬運作業(yè)方式已顯然無法滿足高效自動分揀搬運作業(yè)的要求，越來越多的自動分揀搬運裝置已被大量應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)作業(yè)過程中。目前機器人在國內(nèi)整個物流領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于兩種：從事包裝碼垛作業(yè)的機器人和從事自動化搬運的機器人。然而，對于現(xiàn)有的自動分揀搬運機器人而言，其普遍存在設(shè)計不合理、運行速度不高以及準(zhǔn)確度不高等問題。對于物流環(huán)節(jié)中倉儲管理及運行部分，國內(nèi)就鮮有用智能化AGV機器人來解決，造成這種狀況是因為現(xiàn)今市面上的智能化AGV機器人價格過高，我國大部分的倉儲物流企業(yè)很難承受如此高昂的成本，加上物流行業(yè)近年來利潤逐漸減少，使得從事自動化倉儲搬運的AGV機器人使用率不高[1]。

2019年中國電子商務(wù)市場規(guī)模達(dá)34.81萬億元，電子商務(wù)已成為轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式的重要內(nèi)容，電商物流能力也隨之不斷提高，但是傳統(tǒng)的分揀中心物流作業(yè)模式不能滿足電子商務(wù)物流多品類、少批量等需求，迫切需要開展采用電子商務(wù)物流系統(tǒng)智能化、自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，從而提升電子商務(wù)中智能倉儲的管理及運行能力[2]。本文通過運用公式算法，精準(zhǔn)計算AGV 貨架搬運機器人中驅(qū)動電機、舉升電機、固定螺絲和彈簧的工作運行數(shù)值并對其進(jìn)行選型，這些數(shù)據(jù)對AGV貨架搬運機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。

1 設(shè)計方案

1.1 總體設(shè)計構(gòu)思

本設(shè)備試圖削減物流運轉(zhuǎn)中心工作人員數(shù)量及減輕該設(shè)備的工作負(fù)荷：當(dāng)貨物從出發(fā)點到達(dá)物流轉(zhuǎn)運中心時，工作人員只需將運往指定目的地的貨物分別搬到對應(yīng)指定目的地標(biāo)定的貨架上，系統(tǒng)將控制距離其最近的AGV貨架搬運機器人將貨物和貨架一起搬運到目的地。這樣能擺脫傳統(tǒng)倉庫的貨物堆積、管理混亂等困境，最大程度地減少貨物搬運時間，提高倉儲效率。

為實現(xiàn)AGV貨架搬運機器人的自動化和智能化，需要安裝磁條傳感器、地標(biāo)傳感器模塊、超聲波傳感器等模塊對設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航；使用懸掛式驅(qū)動輪保證AGV貨架搬運機器人有足夠的驅(qū)動力；選擇蝸輪蝸桿機構(gòu)實現(xiàn)搬運機器人對貨架的抬升功能。

1.2 驅(qū)動方式對比

現(xiàn)今主流的驅(qū)動輪的布置方案有3 輪結(jié)構(gòu)、4 輪結(jié)構(gòu)、6輪結(jié)構(gòu)[3]。

3 輪結(jié)構(gòu)：2 個驅(qū)動輪加上1 個萬向輪。車體結(jié)構(gòu)較為簡單，運動比較靈活，但相對其他布置方式的缺陷在于車體平衡性較差，承載力不強。

4 輪結(jié)構(gòu)：4 輪結(jié)構(gòu)布局有3 種，如圖1 所示，黑色代表驅(qū)動輪，白色代表萬向輪，采取驅(qū)動輪差速轉(zhuǎn)向控制。相對于3輪結(jié)構(gòu)多了1個萬向輪，明顯提升了裝置的承重能力，可實現(xiàn)裝置的全方位移動，使其能在狹小的空間內(nèi)作業(yè)。

圖1 4輪結(jié)構(gòu)

6 輪結(jié)構(gòu)：和4 輪結(jié)構(gòu)相比，其布局形式增加了2 個萬向輪，在原有的優(yōu)點上車體平衡性得到了進(jìn)一步增強，從而使AGV 貨架搬運機器人的承載能力得到了增強?？刂品绞讲捎抿?qū)動輪差速控制[4]。

通過對比，6輪結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)于4輪結(jié)構(gòu)，因此，設(shè)計的AGV貨架搬運機器人采用6輪結(jié)構(gòu)，如圖2所示。4個萬向輪主要負(fù)責(zé)承重，2個驅(qū)動輪主要負(fù)責(zé)提供驅(qū)動力，承載能力比4輪結(jié)構(gòu)強。此外，為了保證驅(qū)動輪有足夠的支撐力，驅(qū)動輪與車身底盤之間通過彈簧連接，這樣能保證整個車體的作用力均勻地分布在驅(qū)動輪上，結(jié)合底盤上4 個均勻布置的萬向輪，保證了AGV貨架搬運機器人運行的驅(qū)動能力，同時也減少了AGV貨架搬運機器人在運行轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的擺動。

圖2 AGV貨架搬運機器人的6輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2 車身功能部件計算及選型

2.1 渦輪蝸桿舉升機構(gòu)電機的確定

已知條件：η↑＝0.15～0.18（取0.15）。

設(shè)轉(zhuǎn)速n＝400 r/min，抬升質(zhì)量m＝100 kg，上升速度v＝10 mm/s＝0.01 m/s，重力加速度g＝9.8 m/s2，則力矩：

兩相步進(jìn)電機技術(shù)參數(shù)如表1 所示，參照表中技術(shù)參數(shù)，選取86BYG250H兩相步進(jìn)電機，靜力矩為12 N·m，有4倍余量，足夠啟動力矩。

表1 部分步進(jìn)電機技術(shù)參數(shù)

2.2 驅(qū)動電機的確定

AGV貨架搬運機器人運行所受總阻力：

式中：Ff為靜摩擦力；Fw為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力。

貨架搬運機器人在水平道路上等速行駛時必須克服來自地面的滾動阻力和來自空氣的空氣阻力。但是貨架搬運機器人剛起動時車輪所處的滑動狀態(tài)對應(yīng)的摩擦力為滑動摩擦力，在起動前必須先要克服靜摩擦力，因為靜摩擦因數(shù)是三者中最大的，對應(yīng)的靜摩擦力也是最大的，因此只要保證貨架搬運機器人能啟動，之后所面臨的滾動阻力總是比靜摩擦力小得多，因此計算貨架搬運機器人的啟動阻力即可，只要滿足起動條件則運行條件自然就滿足。

（1）靜摩擦力Ff

查文獻(xiàn)[5]，結(jié)合物流倉庫實際情況，取最大靜摩擦因數(shù)f＝0.3，最大負(fù)載為100 kg，車身自重約為50 kg，小車整體總質(zhì)量m則取150 kg，重力加速度g取9.8 m/s2，則：

（2）空氣阻力Fw

設(shè)定貨架搬運機器人空載時最高速度為1 m/s，而且體積與相對道路上行駛的高速小車相差較大，則忽略空氣阻力Fw，即空氣阻力Fw＝0。

（3）坡度阻力Fi

考慮到物流倉庫地面較為平整，坡度較小，取坡度角α為2°，則Fi＝mgsinα≈51 N。

（4）加速阻力Fj

貨架搬運機器人在加速行駛的過程中，需要克服其在加速運動時的慣性力，即加速阻力Fj。設(shè)貨架搬運機器人最大負(fù)載情況下，從原地起步經(jīng)過的位移S為1 m時，其車速達(dá)到vt＝0.5 m/s，則貨架搬運機器人的加速度：

得出Fj＝ma＝18.75 N

因此，綜上可得

2.2.1 減速比的計算

驅(qū)動輪直徑D＝0.125 m，運動總阻力ΣF＝510.75 N，則運動總阻力距：

驅(qū)動輪直徑D＝0.125 m，在最大負(fù)載情況下，最高速度v＝0.5 m/s，則驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速：

已知電機轉(zhuǎn)速n＝3 000 r/min，所以減速比i＝n/nw≈39.7，表2所示為某品牌的平行軸減速器規(guī)格參數(shù)表，通過對照表，選取減速比為36的減速器，即型號為4GN36K的平行軸減速器。

表2 某品牌平行軸減速器規(guī)格參數(shù)表

2.2.2 功率的計算

單個驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩ΣT＝0.5 ΣM＝15.96 N·m，驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速nw＝77 r/min，則功率：

已知電機轉(zhuǎn)速n＝3 000 r/min，根據(jù)表3所示某品牌電機參數(shù)，選取型號為57BL95－230、功率為150 W的直流無刷電動機。

表3 某品牌直流無刷電機技術(shù)參數(shù)

2.2.3 運動速度的校核

計算減速比之后，還需進(jìn)行運動速度校核，確保倉儲機器人有足夠驅(qū)動力的同時，還要保證高效的工作速度。由以上數(shù)據(jù)可得，驅(qū)動輪直徑D＝0.125 m，電機轉(zhuǎn)速n＝3 000 r/min，減速比i＝36，則：

顯然，此時速度大于所設(shè)定的速度，可通過驅(qū)動器控制行駛速度，因此電機滿足速度要求。

2.2.4 驅(qū)動能力的校核

根據(jù)表4 所示的直流無刷電機力矩參數(shù)可得，i＝36 時，MW＝15.13 N·m，由于電機長期過載能力為110%倍額定負(fù)載，即：

表4 某品牌直流無刷電機力矩參數(shù)

顯然，Mw>M＝15.96 N·m，能夠保證倉儲機器人正常穩(wěn)定的運行，因此電機滿足驅(qū)動能力要求。

經(jīng)過上述的計算和校核，確定驅(qū)動電機的型號為57BL95－230、功率為150 W、減速比為36 的直流無刷電機，該款電機可以滿足驅(qū)動的功能要求。

2.3 驅(qū)動模塊的確定

2.3.1 舉升機構(gòu)頂板的螺栓選型

AGV 貨架搬運機器人的舉升機構(gòu)最頂端安裝有直徑φ200 mm的頂板，與舉升機構(gòu)的推桿通過法蘭盤連接，連接部位使用4 個螺栓固定，如圖3（a）所示，螺栓分布如圖3（b）所示。在受橫向載荷的情況下，查詢文獻(xiàn)[6]可得摩擦因數(shù)f＝0.5；則橫向總載荷：

圖3 舉升機構(gòu)螺栓連接機構(gòu)

查閱文獻(xiàn)[7]可得：防滑系數(shù)KS＝1.3。

設(shè)各螺栓所需要的預(yù)緊力均為F0，螺栓數(shù)量z＝4，接合面數(shù)i＝1，接合面間的摩擦因數(shù)f＝0.1，則螺栓預(yù)緊力：

拉伸強度條件：

螺栓屈服極限σs＝700 MPa，得出螺栓許用拉引力：

螺栓危險截面直徑：

在受傾覆力矩的情況下，傾覆力矩：

綜合上述受橫向載荷和受傾覆力矩的情況下兩個計算，選用螺紋公稱直徑d＝8 mm。

校核螺栓組連接接合面的工作能力，為防止受壓最大處被壓碎，要求：

查閱文獻(xiàn)[8]得：[σp]＝0.8σS＝0.8×480＝384 MPa>0.203 MPa，因此，連接接合面下端不致壓碎。

為防止受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求：

因此，接合面上端受壓最小處不會產(chǎn)生間隙。

2.3.2 驅(qū)動輪與車架之間彈簧的選型

智能倉儲AGV 貨架搬運機器人一共設(shè)置有6 個輪子，每個驅(qū)動輪有4個彈簧，則單個輪子單個彈簧均分最大壓力為：

取最大變形量λmax＝30.5 mm，按照第Ⅱ類彈簧來考慮?，F(xiàn)選用65 Mn 圓柱螺旋彈簧。估算中徑D＝15 mm，內(nèi)徑D1>12 mm，暫取d＝1.8 mm。

查表可得：σB＝1 700 MPa，則[τ]＝0.4，σB＝680 MPa。

改取d＝1.2 mm，查表得σB＝1 800 MPa，則[τ]＝720 MPa。

試算彈簧絲直徑：

與原值相近。

綜上，取d＝1.2 mm，D＝14，外徑D2＝D＋d＝15.2 mm，內(nèi)徑D1＝D－d＝12.8 mm。

根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù)：

查表取n＝11.5，H0＝130 mm。

驗算穩(wěn)定性：

因此穩(wěn)定性足夠。

綜上所述，選擇外徑D2＝15.2 mm、彈簧絲直徑d＝1.2 mm、長度H0＝130 mm、最大變形量λmax＝30.5 mm 的65MnⅡ類圓柱螺旋壓縮彈簧。

2.3.3 舉升機構(gòu)選型

常見的舉升機構(gòu)有：液壓式抬升、電動推桿式抬升、蝸輪蝸桿式抬升[9]。由于液壓式體積較大，電動推桿式抬升力不足，所以最終選定蝸輪蝸桿式抬升裝置。設(shè)定抬升重量為100 kg，抬升最大距離為100 mm。根據(jù)表5 選擇型號為RN－0.5T，減速比為1/5的螺旋升降器，如圖4所示。

表5 螺旋升級器參數(shù)表

圖4 螺旋升降器三維圖

3 裝置工作流程

AGV 貨架搬運機器人三維圖如圖5 所示，其采用Arduino芯片進(jìn)行集中控制和分散模塊化設(shè)計，電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便。根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計的小車主要由7個模塊組成，分別為：Arduino芯片模塊，LV8731電機驅(qū)動板，MPU6050，攝像頭識別模塊，超聲波避障模塊，語音播放模塊，MG996R 舵機[10]。在車上加裝攝像頭和超聲波，實現(xiàn)對引導(dǎo)裝置和二維碼的識別以及路面障礙物的檢測。利用超聲波模塊，如果前方的障礙物與小車前方的超聲波模塊距離小于20 cm，則會返回一個數(shù)值給小車，控制小車運動避開障礙物。考慮到在運動過程中小車輪子會打滑，從而不走直線，還增加MPU6050平衡模塊，從出發(fā)區(qū)確定一個姿態(tài)，在其到達(dá)貨物搬運等待區(qū)時，進(jìn)行一次判斷，判斷其航向是否與初始航向有偏差，若有偏差則進(jìn)行微小的右移（左移）來調(diào)正方向，再進(jìn)行下一次的設(shè)定運動。

圖5 AGV貨架搬運機器人三維圖

貨架搬運機器人工作流程如下。

（1）貨物入倉：貨物從某一發(fā)貨地到達(dá)運轉(zhuǎn)中心。

（2）分地揀貨：工作人員按照貨物下一站的地點分類放在不同的貨架上。

（3）選擇地點：工作人員按下相應(yīng)按鈕，單片機會接受到指令，貨架搬運倉儲機器人行駛到貨架底，并按照指令進(jìn)行搬運。

（4）卸下貨物：單片機實時判斷運送貨物到下一目的地的貨車是否已經(jīng)到達(dá)。若已經(jīng)到達(dá)，則搬運貨架到貨車停車點；若未到達(dá)，則搬運貨架到臨時停放點，等待貨車到達(dá)后再進(jìn)行搬運。

4 結(jié)束語

本AGV 貨架搬運機器人根據(jù)企業(yè)實際生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計，屬于“商品載運及助力機械裝置”，在實際生產(chǎn)中為企業(yè)的貨物智能分揀及搬運提高了工作效率。該AGV貨架搬運機器人長880 mm，寬700 mm，高390 mm，凈重約50 kg。蝸輪蝸桿舉升機構(gòu)最大抬升量為100 mm，最大抬升質(zhì)量為100 kg；此裝置在最大負(fù)載的情況下，最高速度可達(dá)0.5 m/s，最大行駛坡度為2°；此裝置結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低、附帶彈簧減震裝置，機器人行駛過程中對地面平整度要求不高，能滿足任何倉儲環(huán)境下的工作條件；此裝置能針對不同企業(yè)的工作環(huán)境進(jìn)行量身定制，具備很好的推廣價值。因此，能為物流倉儲行業(yè)的貨物智能分類及搬運提供參考。