繩驅動機器人智能立庫應用的可行性分析

李嘉杰　張瑞琳

摘要：伴隨著市場經濟的飛速發(fā)展和電力智能電網建設的大力推進，智能電表的表計檢定量與日俱增。為了解決這個問題，智能立庫在電能表的存儲中已經開始大規(guī)模應用。智能立庫建設成本較高，系統(tǒng)硬件結構復雜，對智能立庫的大范圍推廣造成一定阻礙。為此，提出繩驅動機器人在智能立庫上應用的可行性，降低了立庫建設成本，簡化立庫結構，解放了人力資源，提高了倉儲、出入庫等環(huán)節(jié)的效率。

關鍵詞：智能立庫;繩驅動機器人;應用;可行性;分析

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0182—02

0引言

在庫區(qū)的存取作業(yè)過程中，堆垛機只需要完成只有3個自由度的運動，分別為在巷道中的水平運動、在巷道中的垂直運動、垂直于巷道的伸縮運動。為了完成任務，一般來說，堆垛機都由主體結構（立柱、上下梁等）、載貨臺、貨叉伸縮機構、水平運行機構、起升運行機構等幾大部分組成。其中，水平運行機構由動力驅動和主被動輪組成，起升機構由提升電機和行走輪組成，貨叉伸縮機構由動力驅動和上、中、下3個貨叉組成，這3個機構實現(xiàn)了堆垛機的水平行走運動、垂直升降運動以及前后伸縮運動。一個指定位置的貨物轉移到另一個指定位置都是靠以上的三維運動來完成的。

圖1所示為傳統(tǒng)堆垛機結構，在這樣的結構下，為了保證堆垛機的穩(wěn)定運行，主體結構的高度必須大于立庫的高度，所以主體結構的體積被限制在一個相對較大的數(shù)值上。而組成主體結構的立柱、上下梁以及安裝在其中的導軌等原件大都是由金屬材料制造的，這就導致主體結構的質量不可避免地需要維持較大的基數(shù)上。因此，傳統(tǒng)堆垛機的輕量化程度受到很大的限制，負載質量比也比較低。

復雜的結構、較大的質量也使得傳統(tǒng)的堆垛機在能源的有效利用上存在無法彌補的缺陷，影響現(xiàn)代電力行業(yè)節(jié)能環(huán)保的進程。另外，傳統(tǒng)堆垛機的水平行走運動和升降運動一般都需要借助導軌的輔助來維持穩(wěn)定，這也無形中增加了堆垛機的設計難度和制造成本。

綜上所訴，研究一種應用在智能立庫中新型的堆垛機機器人，使其滿足堆垛機結構簡單、工作高效、成本經濟的效果勢在必行。本文討論的繩驅動機器人正是針對這樣的行業(yè)痛點，提出的一種行之有效的智能立庫中貨物運輸設備解決方案。

1繩驅動機器人特點

繩驅動機器人作為一種新型的并聯(lián)機器人，與傳統(tǒng)機器人相比，有著結構更加簡單、工作空間較大、負載質量比更高、降低功耗、前期制造和后期維修成本更加經濟等巨大優(yōu)勢。如圖2所示。由于繩驅動機器人所具備的各種優(yōu)勢，這種機器人已經逐漸應用在實際生活的各個領域，具體特點如下。

繩驅動機器人的驅動機構后置，因此具有2個得天獨厚的優(yōu)勢：（1）驅動器固定在主體結構上，再通過牽引繩索來控制中心執(zhí)行器，使得運動部件的體積、質量大幅減少，負載質量比顯著提升;（2）驅動電機的后置使運動部件結構變得簡單，減少了電氣元件的使用，既減少了建設成本，又提升了防塵和防水性能。

繩驅動機器人的有效載荷由多個驅動器一起承擔，而執(zhí)行端質量相比傳統(tǒng)機器人大幅度降低，所以繩驅動機器人不但可以承擔大載荷的情況，也可以達到傳統(tǒng)機器人不能企及的運動速度以及加速度。在國外的相關研究中，繩驅動機器人運行最高速度可達13m/s，最大加速度可達43m/s。相較之下，參考國內相關研究，傳統(tǒng)堆垛機器人即使空載時能達到的速度也小于2.7m/s。

繩驅動機器人的中心執(zhí)行機構與主體結構由繩索相連接，這使得其工作空間的延展性大大增強。例如現(xiàn)在足球賽事直播當中經常使用的攝像機器人Skycam就是繩驅動機器人的一種，其尺寸可以覆蓋一個足球場。

2繩驅動機器人在智能立庫中應用可行性

在第1節(jié)對智能立庫庫區(qū)堆垛機和繩驅動機器人的現(xiàn)狀分析中可以得知，完成庫區(qū)貨物搬運對堆垛機的功能需求與繩驅動機器人的功能有極大的重合度。顯而易見，繩驅動機器人完全可以滿足現(xiàn)有的智能立庫庫區(qū)搬運要求。以下從幾個方面來分析繩驅動機器人在智能立庫中運用的可行性。

（1）智能立庫庫內搬運貨物只要求搬運機器人在3個自由度上運行，運行邏輯簡單，適合繩驅動機器人。一個貨物（電能表或者互感器）從智能立庫貨架上被搬運到輸送線體上，只需要搬運機構完成在3個方向上的運動，分別是巷道中的水平運動、在巷道中的垂直運動、以及垂直于巷道的伸縮運動。即不需要考慮3個軸的旋轉運動，這就使得搬運過程中對執(zhí)行機構的運動能力要求大大降低。從運動方式上來說，繩驅動機器人來完成這個搬運任務完全可以揚長避短，一方面可以發(fā)揮繩驅動機器人結構簡單的優(yōu)勢，另一方面又可以避免繩驅動機器人執(zhí)行機構旋轉控制困難、容易崩潰的缺點。如果能把繩驅動機器人運用在智能立庫的搬運中，可以完成對貨物的快速、安全、高質量地運輸。

（2）立庫工作空間很大，剛好和繩驅動機器人的工作特性相符合。前面提到過，隨著智能電網的大力推進，電能表的檢定量與日俱增，對立庫存儲量的要求也是日漸提高。不可避免地需要提高立庫容納貨物的能力，立庫的體積也就飛速增長。因此，對堆垛機在巨大空間的工作能力需求也就越來越高。而繩驅動機器人結構簡單，其執(zhí)行機構和主體結構是由繩索相連接，其空間延展性極高。當工作空間逐漸增大時，理論上只需要保證繩索的材質與動力驅動機構能夠承受執(zhí)行機構的負荷，就可以通過增加繩索的長度來增加機器人的工作空間范圍。在適應較大工作空間這方面，相比于傳統(tǒng)的堆垛機，繩驅動機器人不需要考慮執(zhí)行機構的結構變化，減少了建設難度以及制造成本，其結構簡單的優(yōu)點再一次得到了充分體現(xiàn)。

（3）搬運的貨物（電能表）質量相對較小，一般立庫對所需搬運貨物的要求只需要達到100kg以上。憑借著繩索材料質量的巨大提升，繩驅動機器人完全可以穩(wěn)定地實現(xiàn)貨物搬運。隨著應用材料科技的飛速發(fā)展，各種不同材質的原材料都可以應用在繩索之中，例如麻、鋼絲、纖維等，如表1所示。由表可知，使用Dyneema高強度纖維、碳纖維等材料時，繩索的強度極高，能承受的拉力上限也遠大于智能立庫中貨物搬運的要求。所以，繩驅動機器人完全可以出色地完成立庫的貨物搬運任務。

（4）繩驅動機器人能耗相對較小。第1節(jié)提到，繩驅動機器人的驅動機構是后置在主體結構的支柱上的，運動機構只有執(zhí)行機構。同時，運動機構通過繩索與主體結構上的電機相連接，整體結構輕量化、簡單化，負載質量較傳統(tǒng)堆垛機大大提升，搬運單位質量貨物的能耗也就隨之大幅度降低。也就是說，通過減少自身運動機構的質量，在搬運貨物時，在驅動環(huán)節(jié)上，繩驅動機器人相比傳統(tǒng)機器人節(jié)省了大量的能量。

（5）繩驅動機器人安全系數(shù)相比于傳統(tǒng)堆垛機器人較高。因為傳統(tǒng)機器人質量體積大、運動慣高、缺乏柔順性，人機交互的安全性能也因此大打折扣，對于后期的維護造成了較大困難。同時，因為運動機構上有很多電器元件，傳統(tǒng)堆垛機器人對工作環(huán)境的要求和主體結構建設的要求都比較高，這就提高了建設成本和加大了結構設計的難度。如果使用繩驅動機器人來代替?zhèn)鹘y(tǒng)堆垛機器人，相信這些問題都會迎刃而解，使得智能立庫的貨物搬運得到簡單、經濟、普適的解決方案。

（6）繩驅動機器人執(zhí)行機構之所以可以高速移動，加快產能，得益于繩驅動機器人的優(yōu)秀結構：運動機構只有執(zhí)行機構，通過繩索與多組驅動器連接，機器人在運行的過程中可以把載荷較為均勻地分布在不同驅動電機上，提升貨物搬運的穩(wěn)定性。還可以憑借運動機構的輕量化達到很高的速度以及加速度，這就可以極大地加快貨物出入庫的速度，減少固定用時，提升產能，滿足日漸增長的智能電表檢測需求。

盡管如此，繩驅動機器人也有一定的局限性。繩索是柔性材質，只能承受拉力而不能承受壓力。這就要求更高的運動控制邏輯，以保證運動過程中每條繩索都是被拉緊的狀態(tài)。只有這樣才能確保執(zhí)行機構位置的準確性，使其不會因為繩索的形變而偏離預設的目標地點。不過隨著對繩驅動機器人的研究越來越深入，相關的控制算法也逐漸成熟，這個問題已經有很多可行的解決方案，繩驅動機器人在立庫儲存領域應用也日漸深入。

3結束語

隨著繩驅動機器人技術和相關設備研究發(fā)展不斷創(chuàng)新與進步，繩驅動機器人的經濟、高效、節(jié)能等特點相對于其他形式的機器人日漸明顯。另一方面，隨著市場經濟的飛速發(fā)展和電力智能電網建設，相關產業(yè)對計量設備集中存儲提出了越來越高的要求，這使得繩驅動機器人在智能立庫中的運用有著巨大的挖掘潛力。結合本文對智能立庫堆垛機現(xiàn)狀與繩驅動機器人的性能結構以及應用情況的分析，可以看出繩驅動機器人在智能立庫應用是完全可行的。隨著這個領域逐漸深入的研究，繩驅動機器人大量應用于立庫存儲系統(tǒng)只是時間問題。