繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人智能立庫應(yīng)用的可行性分析

李嘉杰　張瑞琳

摘要：伴隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和電力智能電網(wǎng)建設(shè)的大力推進(jìn)，智能電表的表計(jì)檢定量與日俱增。為了解決這個(gè)問題，智能立庫在電能表的存儲(chǔ)中已經(jīng)開始大規(guī)模應(yīng)用。智能立庫建設(shè)成本較高，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)智能立庫的大范圍推廣造成一定阻礙。為此，提出繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在智能立庫上應(yīng)用的可行性，降低了立庫建設(shè)成本，簡(jiǎn)化立庫結(jié)構(gòu)，解放了人力資源，提高了倉儲(chǔ)、出入庫等環(huán)節(jié)的效率。

關(guān)鍵詞：智能立庫;繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人;應(yīng)用;可行性;分析

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(jī)只需要完成只有3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，分別為在巷道中的水平運(yùn)動(dòng)、在巷道中的垂直運(yùn)動(dòng)、垂直于巷道的伸縮運(yùn)動(dòng)。為了完成任務(wù)，一般來說，堆垛機(jī)都由主體結(jié)構(gòu)（立柱、上下梁等）、載貨臺(tái)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)、水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升運(yùn)行機(jī)構(gòu)等幾大部分組成。其中，水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和主被動(dòng)輪組成，起升機(jī)構(gòu)由提升電機(jī)和行走輪組成，貨叉伸縮機(jī)構(gòu)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和上、中、下3個(gè)貨叉組成，這3個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了堆垛機(jī)的水平行走運(yùn)動(dòng)、垂直升降運(yùn)動(dòng)以及前后伸縮運(yùn)動(dòng)。一個(gè)指定位置的貨物轉(zhuǎn)移到另一個(gè)指定位置都是靠以上的三維運(yùn)動(dòng)來完成的。

圖1所示為傳統(tǒng)堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)，在這樣的結(jié)構(gòu)下，為了保證堆垛機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，主體結(jié)構(gòu)的高度必須大于立庫的高度，所以主體結(jié)構(gòu)的體積被限制在一個(gè)相對(duì)較大的數(shù)值上。而組成主體結(jié)構(gòu)的立柱、上下梁以及安裝在其中的導(dǎo)軌等原件大都是由金屬材料制造的，這就導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)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(jī)的輕量化程度受到很大的限制，負(fù)載質(zhì)量比也比較低。

復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、較大的質(zhì)量也使得傳統(tǒng)的堆垛機(jī)在能源的有效利用上存在無法彌補(bǔ)的缺陷，影響現(xiàn)代電力行業(yè)節(jié)能環(huán)保的進(jìn)程。另外，傳統(tǒng)堆垛機(jī)的水平行走運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)一般都需要借助導(dǎo)軌的輔助來維持穩(wěn)定，這也無形中增加了堆垛機(jī)的設(shè)計(jì)難度和制造成本。

綜上所訴，研究一種應(yīng)用在智能立庫中新型的堆垛機(jī)機(jī)器人，使其滿足堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作高效、成本經(jīng)濟(jì)的效果勢(shì)在必行。本文討論的繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人正是針對(duì)這樣的行業(yè)痛點(diǎn)，提出的一種行之有效的智能立庫中貨物運(yùn)輸設(shè)備解決方案。

1繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人特點(diǎn)

繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人作為一種新型的并聯(lián)機(jī)器人，與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，有著結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、工作空間較大、負(fù)載質(zhì)量比更高、降低功耗、前期制造和后期維修成本更加經(jīng)濟(jì)等巨大優(yōu)勢(shì)。如圖2所示。由于繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人所具備的各種優(yōu)勢(shì)，這種機(jī)器人已經(jīng)逐漸應(yīng)用在實(shí)際生活的各個(gè)領(lǐng)域，具體特點(diǎn)如下。

繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)后置，因此具有2個(gè)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)：（1）驅(qū)動(dòng)器固定在主體結(jié)構(gòu)上，再通過牽引繩索來控制中心執(zhí)行器，使得運(yùn)動(dòng)部件的體積、質(zhì)量大幅減少，負(fù)載質(zhì)量比顯著提升;（2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)的后置使運(yùn)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，減少了電氣元件的使用，既減少了建設(shè)成本，又提升了防塵和防水性能。

繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的有效載荷由多個(gè)驅(qū)動(dòng)器一起承擔(dān)，而執(zhí)行端質(zhì)量相比傳統(tǒng)機(jī)器人大幅度降低，所以繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人不但可以承擔(dān)大載荷的情況，也可以達(dá)到傳統(tǒng)機(jī)器人不能企及的運(yùn)動(dòng)速度以及加速度。在國外的相關(guān)研究中，繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行最高速度可達(dá)13m/s，最大加速度可達(dá)43m/s。相較之下，參考國內(nèi)相關(guān)研究，傳統(tǒng)堆垛機(jī)器人即使空載時(shí)能達(dá)到的速度也小于2.7m/s。

繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的中心執(zhí)行機(jī)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)由繩索相連接，這使得其工作空間的延展性大大增強(qiáng)。例如現(xiàn)在足球賽事直播當(dāng)中經(jīng)常使用的攝像機(jī)器人Skycam就是繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的一種，其尺寸可以覆蓋一個(gè)足球場(chǎng)。

2繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在智能立庫中應(yīng)用可行性

在第1節(jié)對(duì)智能立庫庫區(qū)堆垛機(jī)和繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的現(xiàn)狀分析中可以得知，完成庫區(qū)貨物搬運(yùn)對(duì)堆垛機(jī)的功能需求與繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的功能有極大的重合度。顯而易見，繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完全可以滿足現(xiàn)有的智能立庫庫區(qū)搬運(yùn)要求。以下從幾個(gè)方面來分析繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在智能立庫中運(yùn)用的可行性。

（1）智能立庫庫內(nèi)搬運(yùn)貨物只要求搬運(yùn)機(jī)器人在3個(gè)自由度上運(yùn)行，運(yùn)行邏輯簡(jiǎn)單，適合繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。一個(gè)貨物（電能表或者互感器）從智能立庫貨架上被搬運(yùn)到輸送線體上，只需要搬運(yùn)機(jī)構(gòu)完成在3個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，分別是巷道中的水平運(yùn)動(dòng)、在巷道中的垂直運(yùn)動(dòng)、以及垂直于巷道的伸縮運(yùn)動(dòng)。即不需要考慮3個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這就使得搬運(yùn)過程中對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)能力要求大大降低。從運(yùn)動(dòng)方式上來說，繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人來完成這個(gè)搬運(yùn)任務(wù)完全可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，一方面可以發(fā)揮繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，另一方面又可以避免繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)控制困難、容易崩潰的缺點(diǎn)。如果能把繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)用在智能立庫的搬運(yùn)中，可以完成對(duì)貨物的快速、安全、高質(zhì)量地運(yùn)輸。

（2）立庫工作空間很大，剛好和繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的工作特性相符合。前面提到過，隨著智能電網(wǎng)的大力推進(jìn)，電能表的檢定量與日俱增，對(duì)立庫存儲(chǔ)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(zhǎng)。因此，對(duì)堆垛機(jī)在巨大空間的工作能力需求也就越來越高。而繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)是由繩索相連接，其空間延展性極高。當(dāng)工作空間逐漸增大時(shí)，理論上只需要保證繩索的材質(zhì)與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠承受執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)荷，就可以通過增加繩索的長(zhǎng)度來增加機(jī)器人的工作空間范圍。在適應(yīng)較大工作空間這方面，相比于傳統(tǒng)的堆垛機(jī)，繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人不需要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化，減少了建設(shè)難度以及制造成本，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)再一次得到了充分體現(xiàn)。

（3）搬運(yùn)的貨物（電能表）質(zhì)量相對(duì)較小，一般立庫對(duì)所需搬運(yùn)貨物的要求只需要達(dá)到100kg以上。憑借著繩索材料質(zhì)量的巨大提升，繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完全可以穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)貨物搬運(yùn)。隨著應(yīng)用材料科技的飛速發(fā)展，各種不同材質(zhì)的原材料都可以應(yīng)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(qiáng)度纖維、碳纖維等材料時(shí)，繩索的強(qiáng)度極高，能承受的拉力上限也遠(yuǎn)大于智能立庫中貨物搬運(yùn)的要求。所以，繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完全可以出色地完成立庫的貨物搬運(yùn)任務(wù)。

（4）繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人能耗相對(duì)較小。第1節(jié)提到，繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是后置在主體結(jié)構(gòu)的支柱上的，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)只有執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過繩索與主體結(jié)構(gòu)上的電機(jī)相連接，整體結(jié)構(gòu)輕量化、簡(jiǎn)單化，負(fù)載質(zhì)量較傳統(tǒng)堆垛機(jī)大大提升，搬運(yùn)單位質(zhì)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，在搬運(yùn)貨物時(shí)，在驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)上，繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人相比傳統(tǒng)機(jī)器人節(jié)省了大量的能量。

（5）繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人安全系數(shù)相比于傳統(tǒng)堆垛機(jī)器人較高。因?yàn)閭鹘y(tǒng)機(jī)器人質(zhì)量體積大、運(yùn)動(dòng)慣高、缺乏柔順性，人機(jī)交互的安全性能也因此大打折扣，對(duì)于后期的維護(hù)造成了較大困難。同時(shí)，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上有很多電器元件，傳統(tǒng)堆垛機(jī)器人對(duì)工作環(huán)境的要求和主體結(jié)構(gòu)建設(shè)的要求都比較高，這就提高了建設(shè)成本和加大了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。如果使用繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人來代替?zhèn)鹘y(tǒng)堆垛機(jī)器人，相信這些問題都會(huì)迎刃而解，使得智能立庫的貨物搬運(yùn)得到簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、普適的解決方案。

（6）繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)之所以可以高速移動(dòng)，加快產(chǎn)能，得益于繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的優(yōu)秀結(jié)構(gòu)：運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)只有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過繩索與多組驅(qū)動(dòng)器連接，機(jī)器人在運(yùn)行的過程中可以把載荷較為均勻地分布在不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，提升貨物搬運(yùn)的穩(wěn)定性。還可以憑借運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輕量化達(dá)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(shí)，提升產(chǎn)能，滿足日漸增長(zhǎng)的智能電表檢測(cè)需求。

盡管如此，繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人也有一定的局限性。繩索是柔性材質(zhì)，只能承受拉力而不能承受壓力。這就要求更高的運(yùn)動(dòng)控制邏輯，以保證運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)位置的準(zhǔn)確性，使其不會(huì)因?yàn)槔K索的形變而偏離預(yù)設(shè)的目標(biāo)地點(diǎn)。不過隨著對(duì)繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的研究越來越深入，相關(guān)的控制算法也逐漸成熟，這個(gè)問題已經(jīng)有很多可行的解決方案，繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在立庫儲(chǔ)存領(lǐng)域應(yīng)用也日漸深入。

3結(jié)束語

隨著繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和相關(guān)設(shè)備研究發(fā)展不斷創(chuàng)新與進(jìn)步，繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能等特點(diǎn)相對(duì)于其他形式的機(jī)器人日漸明顯。另一方面，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和電力智能電網(wǎng)建設(shè)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)對(duì)計(jì)量設(shè)備集中存儲(chǔ)提出了越來越高的要求，這使得繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在智能立庫中的運(yùn)用有著巨大的挖掘潛力。結(jié)合本文對(duì)智能立庫堆垛機(jī)現(xiàn)狀與繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的性能結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用情況的分析，可以看出繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在智能立庫應(yīng)用是完全可行的。隨著這個(gè)領(lǐng)域逐漸深入的研究，繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人大量應(yīng)用于立庫存儲(chǔ)系統(tǒng)只是時(shí)間問題。