重物搬運(yùn)裝置

◎宋雨詩 王元澤 王輝 嚴(yán)杉 劉青

前言

在半世紀(jì)以前，貨物的運(yùn)輸過程就是人力裝車，道路運(yùn)輸，然后人力卸貨。人們?cè)谄綍r(shí)的汽車貨物裝卸動(dòng)作中，效率低，易損壞貨物，以及在貨物運(yùn)輸過程中，貨物的搖晃、碰撞等等對(duì)貨物造成損傷，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)于運(yùn)輸行業(yè)來說，裝卸貨物增加了人力成本，在生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)的過程中，運(yùn)輸環(huán)節(jié)急需跟上自動(dòng)化的步伐，進(jìn)行有效升級(jí)。本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了車載貨物自動(dòng)裝卸，具體來說是一種貨物的裝卸保護(hù)裝置，人們?cè)谄綍r(shí)的汽車貨物裝卸動(dòng)作中，效率較低，易損壞貨物，以及在貨物運(yùn)輸過程中，貨物的搖晃、碰撞等等對(duì)貨物造成損傷，本項(xiàng)目致力于解決這些問題，在提高效率節(jié)省人力的同時(shí)，為貨物提供了更好的保護(hù)，同時(shí)具有良好的適應(yīng)性，可以裝卸不同的貨物，考慮到現(xiàn)有的貨車結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目可以方便的加載于現(xiàn)有汽車上，與運(yùn)輸行業(yè)相結(jié)合，大大的提高貨運(yùn)效率。

根據(jù)當(dāng)今智能搬運(yùn)裝置輔助設(shè)備研究現(xiàn)狀，分析國內(nèi)外重物搬運(yùn)設(shè)備存在人機(jī)交互性差和傳感檢測裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝精度要求高等問題，確定一種具有無操作手柄、傳感檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單、人機(jī)交互更強(qiáng)等特點(diǎn)的重物搬運(yùn)裝置設(shè)計(jì)方案。本論文設(shè)計(jì)重物搬運(yùn)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)物料搬運(yùn)過程中存在的物料擺動(dòng)問題進(jìn)行研究。通過對(duì)重物搬運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，分析仿真結(jié)果確定重物防擺動(dòng)控制方法。通過多次實(shí)驗(yàn)確定重物搬運(yùn)系統(tǒng)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)樣機(jī)對(duì)重物搬運(yùn)、定位等功能。

一、研究背景及意義

近年來，隨著科技水平的提高，機(jī)器人技術(shù)在現(xiàn)代化、自動(dòng)化工廠中被廣泛的應(yīng)用，代替工人從事體力繁重、重復(fù)、枯燥乏味、環(huán)境條件差的工作。機(jī)器人的出現(xiàn)很大程度上解放了生產(chǎn)力，但越來越?jīng)_擊著傳統(tǒng)制造業(yè)。以前對(duì)重物搬運(yùn)裝置，主要依靠工人徒手完成。長時(shí)間重復(fù)搬運(yùn)大于10kg 的物料，不僅會(huì)使工人身心俱疲、精神飽受摧殘，而且容易發(fā)生碰傷。隨著物料越來越重、體積越來越大，原始的徒手搬運(yùn)方式不能滿足時(shí)代需求，因此助力搬運(yùn)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。在工廠車間，起重搬運(yùn)的機(jī)械設(shè)備應(yīng)用廣泛，如天車、彈簧平衡器、電動(dòng)葫蘆等，這些設(shè)備的研制極大便利了我們的生產(chǎn)生活，但逐漸突顯現(xiàn)出諸多不足之處。傳統(tǒng)機(jī)器人體積大、缺少調(diào)速單元和傳感檢測保護(hù)裝置，工作時(shí)速度快、靈活性差，所以不允許操作工人靠近機(jī)器人作業(yè)空間。在搬運(yùn)大型零部件進(jìn)行裝配定位等工作時(shí)，由于受到機(jī)器人功能的限制，所以傳統(tǒng)搬運(yùn)設(shè)備只能完成一部分工作，剩下的工作只能靠工人來完成，這就導(dǎo)致了生產(chǎn)效率低、安全性差、定位不理想、可操作性不強(qiáng)等一系列問題。傳統(tǒng)的重物搬運(yùn)設(shè)備在人機(jī)工程學(xué)安全性方面具有積極的影響，具有搬運(yùn)物料的功能，但它缺少控制器單元，操作過程較為復(fù)雜，并且需要較大的操作力。為了提高傳統(tǒng)搬運(yùn)設(shè)備性能，解決操作不方便、人機(jī)交互性不強(qiáng)、定位精度差、生產(chǎn)效率低等問題，在過去的幾十年一些發(fā)達(dá)國家，如德國、美國、意大利、韓國等國家在重物搬運(yùn)領(lǐng)域進(jìn)行了研究，并取得了具有實(shí)用價(jià)值的研究成果，這些成果可以統(tǒng)稱為智能輔助設(shè)備IAD（Intelligent Assist Device）。智能輔助設(shè)備在傳統(tǒng)物料搬運(yùn)設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了智能傳感檢測裝置，在控制器的協(xié)調(diào)管理下，控制機(jī)械裝置為操作工人提供相應(yīng)的輔助工作，將物料搬運(yùn)至指定地點(diǎn)。智能輔助設(shè)備具有適用范圍廣、操作方便、運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)、安全穩(wěn)定等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代工廠中。智能輔助設(shè)備不僅能夠?qū)χ匚镞M(jìn)行搬運(yùn)，還能將重物定位在空間任意位置。在工廠生產(chǎn)線上需要搬運(yùn)物體時(shí)，尤其是搬運(yùn)體積大、質(zhì)量重的物體都可以使用。在生產(chǎn)線的整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，智能輔助設(shè)備都發(fā)揮著重要作用，其優(yōu)良的性能備受矚目。

二、國外研究現(xiàn)狀

在國外，智能輔助設(shè)備最早被應(yīng)用在汽車流水線上，用于解決汽車生產(chǎn)流水線上生產(chǎn)效率低、操作工人勞累以及安全性差等問題。在美國、意大利、德國、韓國等國的智能輔助設(shè)備生產(chǎn)廠商中，以美國的Stanley 公司最為著名，一直致力于智能輔助設(shè)備技術(shù)的研究。這種助力設(shè)備操作非常簡便，只需操作工人用手對(duì)重物施加外力，助力設(shè)備上的傳感檢測裝置檢測到信號(hào)變化，并將信號(hào)傳送給處理器。處理器接收并分析處理信號(hào)，將處理后的信號(hào)經(jīng)控制算法運(yùn)算，輸出可控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制信號(hào)，并將控制信號(hào)發(fā)送至智能輔助設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。當(dāng)輔助設(shè)備接收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分按照控制信號(hào)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將運(yùn)動(dòng)信息反饋給處理器，以便處理器對(duì)整體進(jìn)行控制。

基于上述這一原理，Stanley 公司設(shè)計(jì)的智能助力設(shè)備，主要由豎直升降裝置、傳感檢測裝置、二維水平隨動(dòng)裝置等幾部分組成。二維隨動(dòng)裝置主要由正交的導(dǎo)軌組成，每根導(dǎo)軌上各安裝一臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為隨動(dòng)小車在水平

方向移動(dòng)提供動(dòng)力。非接觸式角度傳感器安裝在升降裝置內(nèi)部，用于檢測繩索傾角，以便控制器分析判斷操作工人的操作意圖和重物運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。當(dāng)角度傳感器將繩索角度信息傳入控制器，控制器分析處理角度信息后發(fā)出命令，控制安裝在導(dǎo)軌上的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)小車在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。微操作力裝置安裝在繩索上，用于檢測重物在豎直方向的拉力信息?？刂破鹘邮詹⒎治隼π畔⒑?，通過控制算法輸出控制信號(hào)，將控制信號(hào)發(fā)送給豎直升降裝置，實(shí)現(xiàn)在豎直方向上提升或下降重物的目的。操作人員在水平方向或豎直方向上拖拽重物，就能實(shí)現(xiàn)輕松搬運(yùn)重物的功能。

研究智能輔助設(shè)備的其他公司，如意大利的Tecno Matic公司、美國的IngersollRand 公司、意大利的Liftronic 公司等，這些公司開發(fā)了多款智能輔助設(shè)備產(chǎn)品。這些產(chǎn)品根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，可將IAD 驅(qū)動(dòng)方式分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

總體來說，國外的智能輔助設(shè)備技術(shù)相對(duì)成熟，但一些輔助設(shè)備存在不足之處。操作人員使用具有操控手柄的助力設(shè)備時(shí)，需要手握操控手柄，但這樣會(huì)限制工人的操控空間范圍。當(dāng)搬運(yùn)一些體積較大的物料時(shí)，物料會(huì)遮擋操作工人的視線，容易發(fā)生磕碰和危險(xiǎn)。對(duì)于那些沒有操作手柄的助力設(shè)備，人機(jī)交互性差。操作人員無法改變助力設(shè)備參數(shù)以適合不同工作的需求。一些智能輔助設(shè)備的傳感器直接串接在繩索上，導(dǎo)致起停重物時(shí)的沖擊、機(jī)械振動(dòng)等容易對(duì)傳感器造成破壞。除此之外，為傳感器提供電源和輸出信號(hào)的彈簧線，可能纏繞在障礙物上存在安全隱患。

三、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國工業(yè)起步較晚，發(fā)展相對(duì)落后。工廠中傳統(tǒng)的重物搬運(yùn)輔助設(shè)備存在的問題越來越突出，不能很好的滿足現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)需求。智能輔助設(shè)備的各方面的優(yōu)勢(shì)日益突出，但國外智能輔助設(shè)備價(jià)格昂貴。國內(nèi)在2000 年以后開始進(jìn)行研究智能輔助技術(shù)，像哈爾濱工程大學(xué)、長沙理工大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、南昌大學(xué)等科研院校的科研團(tuán)隊(duì)、學(xué)者和一些自動(dòng)化企業(yè)單位相繼對(duì)智能輔助技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了一些研究成果。在2005 年，哈爾濱工程大學(xué)成功研制出一種新型關(guān)節(jié)式智能輔助設(shè)備樣機(jī)，這款樣機(jī)具有人機(jī)合作強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)精度高、提升能力大等特點(diǎn)，這種人機(jī)合作智能輔助設(shè)備具有三個(gè)回轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)移動(dòng)自由度，能實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的提升、下降、水平搬運(yùn)及定位等功能。

在國外技術(shù)封鎖、國內(nèi)工廠急需先進(jìn)智能輔助設(shè)備的背景下，國內(nèi)一些高校和研究機(jī)構(gòu)，還有許多機(jī)械制造的企業(yè)研發(fā)助力設(shè)備。北京遠(yuǎn)藤科技，廈門大科機(jī)械、香港富井機(jī)器人，上海海文自動(dòng)化，江蘇昱博自動(dòng)化設(shè)備等多個(gè)公司都在拓展自己的市場。在輔助設(shè)備的平面運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方面，國內(nèi)的很多制造業(yè)廠家進(jìn)行了卓有成效的研究。海康機(jī)器人公司應(yīng)用人工智能、圖像識(shí)別等技術(shù)助力智慧物流領(lǐng)域。吳中迪迦機(jī)電設(shè)備公司研制開發(fā)平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，助力物料搬運(yùn)領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)線上使用較多的平面運(yùn)動(dòng)直角坐標(biāo)系機(jī)器人。

江蘇昱博設(shè)備有限公司，是一家主要研制智能裝備的高新技術(shù)企業(yè)。該公司研發(fā)和生產(chǎn)制造了各類助力機(jī)械手、非標(biāo)自動(dòng)化等助力設(shè)備。該公司研發(fā)多種輔助設(shè)備，如翻轉(zhuǎn)助力機(jī)器人、真空搬運(yùn)機(jī)器人、立柱式多關(guān)節(jié)型機(jī)器人、軟索伺服助力機(jī)器人、伺服氣動(dòng)助力機(jī)器人等。這些助力設(shè)備應(yīng)用力的平衡原理，實(shí)現(xiàn)了工人只需要用手拖拽重物或操控手柄，就可以把重物輕松的搬運(yùn)至空間中任何位置的功能。國內(nèi)還有許多其他研發(fā)智能助力機(jī)械手的公司。

綜上所述，我國對(duì)智能輔助設(shè)備技術(shù)的研究取得了一些成果，但目前國內(nèi)科研院所研制的先進(jìn)輔助設(shè)備與國外的還有差距。許多研究成果只是對(duì)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研究，只能用于演示和實(shí)驗(yàn)。并且價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易維護(hù)，與推廣應(yīng)用到實(shí)際工廠中去還有一段距離。而企業(yè)單位研制的一些輔助設(shè)備存在人機(jī)交互性不強(qiáng)的不足，大多僅限于用操作手柄來控制物料的上下運(yùn)動(dòng)。通過機(jī)械臂關(guān)節(jié)或滑軌在工人施加手推力下，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料在水平方向上運(yùn)動(dòng)。部分輔助設(shè)備在懸浮模式下，能實(shí)現(xiàn)用手推拉工件使其在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)的功能。本項(xiàng)目打算在運(yùn)輸貨物方面加入智能輔助系統(tǒng)，致力于在提高效率節(jié)省人力的同時(shí)，為貨物提供了更好的保護(hù)，同時(shí)具有良好的適應(yīng)性，可以裝卸不同的貨物，考慮到現(xiàn)有的貨車結(jié)構(gòu)，可以方便的加載于現(xiàn)有汽車上，與運(yùn)輸行業(yè)相結(jié)合，大大的提高貨運(yùn)效率。

四、裝置的功能需求

對(duì)于當(dāng)前的運(yùn)輸行業(yè)來說，裝卸貨物增加了大量的人力成本，在平時(shí)的汽車貨物裝卸動(dòng)作中，效率較低，并且易損壞貨物，在生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)過程中，運(yùn)輸環(huán)節(jié)急需跟上自動(dòng)化的步伐，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種重物搬運(yùn)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，可以加載于現(xiàn)有的汽車之上，來實(shí)現(xiàn)車載貨物的自動(dòng)裝卸，解決貨物運(yùn)輸過程中的搖晃碰撞對(duì)貨物造成的損傷，在節(jié)省人力的同時(shí)，為貨物提供了更好的保護(hù)，避免了人工失誤產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

基于以上的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種由動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、控制部分和工作部分四部分組成的重物搬運(yùn)裝置。動(dòng)力部分包括電機(jī)組作為動(dòng)力輸出，控制部分完成對(duì)電機(jī)組的控制，包括電機(jī)的通斷、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。傳動(dòng)部分將電機(jī)的輸出由高轉(zhuǎn)速低力矩轉(zhuǎn)為低轉(zhuǎn)速大力矩，使電機(jī)能提升更大的重量。工作部分應(yīng)包括貨物的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)和保護(hù)機(jī)構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)貨柜的滑動(dòng)，貨物的提升以及緩震保護(hù)功能。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)功能、優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的設(shè)備能夠方便的組裝于現(xiàn)有的貨運(yùn)車上，優(yōu)化貨物運(yùn)輸過程。

五、裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

重物搬運(yùn)裝置，主要由外罩殼、移動(dòng)架、電機(jī)柜、吊帶和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)五部分組成。

1.外罩殼：在運(yùn)輸過程中保護(hù)發(fā)電機(jī)，應(yīng)為一側(cè)開口的箱體結(jié)構(gòu)，外罩殼內(nèi)設(shè)置有限位結(jié)構(gòu)，外罩殼的上端應(yīng)設(shè)置有抽屜導(dǎo)軌，移動(dòng)架安裝于所述抽屜導(dǎo)軌上，可沿抽屜導(dǎo)軌內(nèi)外滑動(dòng)，移動(dòng)架的下方安裝有電機(jī)柜；

2.移動(dòng)架：通過電機(jī)帶動(dòng)，沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)和收放吊帶實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的滑出和升降；

3.電機(jī)柜：限制被提升貨物的位置；

4.吊帶：應(yīng)設(shè)置于移動(dòng)架的下方與吊帶繞輪相連接，用于提升貨物，以及貨物緩震；

5.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)系統(tǒng)和手動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)雙系統(tǒng)并行控制，提高系統(tǒng)可靠性。

重物搬運(yùn)裝置的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

六、結(jié)論

論文是在相關(guān)智能輔助設(shè)備技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)今實(shí)際運(yùn)輸行業(yè)中重物搬運(yùn)設(shè)備存在的一些問題和智能輔助裝置技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種人機(jī)交互更強(qiáng)、操作簡便的智能輔助車載運(yùn)輸設(shè)備。論文吸收和借鑒了相關(guān)研究成果，針對(duì)其中存在的問題進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了重物搬運(yùn)裝置的動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、控制部分和工作部分，驗(yàn)證了重物搬運(yùn)總，裝置的可行性。

通過采用全新的技術(shù)方案，考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展性，新型的重物搬運(yùn)裝置能夠方便地加載于現(xiàn)有的貨運(yùn)汽車上，利用創(chuàng)新機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大化傳動(dòng)效率，提升扭矩，節(jié)約耗能的同時(shí)能夠裝卸更重的貨物，提高了貨物搬運(yùn)的效率，大量地節(jié)約了人力成本，避免了人工失誤所產(chǎn)生的危險(xiǎn)。該裝置有電機(jī)和手動(dòng)兩種動(dòng)力選擇，增加了裝置的可靠程度，并且增加了安全裝置，防止因?yàn)橹亓κ固嵘龣C(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生危險(xiǎn)。