一種抓取、存儲(chǔ)和放置一體化貨運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

蘇垌錕，朱毓正，陳佳鴻，蔡佳鴻，蔣雨岐，汪朋飛

一種抓取、存儲(chǔ)和放置一體化貨運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

蘇垌錕，朱毓正，陳佳鴻，蔡佳鴻，蔣雨岐，汪朋飛*

（深圳大學(xué) 機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東 深圳 518060）

針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)智能搬運(yùn)機(jī)器人需求的急劇增長(zhǎng)情況，設(shè)計(jì)了一款抓取、存儲(chǔ)和放置一體化的小型智能貨運(yùn)機(jī)器人，該機(jī)器人主要由麥克納姆輪底盤、抬升機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)和夾爪等四部分組成，具備在地面全向移動(dòng)的能力，可以實(shí)現(xiàn)一次抓取多個(gè)和放置多個(gè)貨物的操作。貨運(yùn)機(jī)器人以STM32作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物準(zhǔn)確定位和抓取功能。通過理論校核分析和實(shí)物樣機(jī)驗(yàn)證，表明該貨運(yùn)機(jī)器人滿足設(shè)計(jì)需求，能夠大幅提高貨運(yùn)效率，操作簡(jiǎn)單，具備較好的推廣價(jià)值和市場(chǎng)應(yīng)用前景。

貨運(yùn)機(jī)器人；抓取機(jī)構(gòu)；平移機(jī)構(gòu)；抬升機(jī)構(gòu)

近年來(lái)，隨著倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)的快速發(fā)展以及新冠疫情的影響，機(jī)器人在倉(cāng)庫(kù)、超市、居民小區(qū)和餐飲店等搬運(yùn)場(chǎng)所得到大規(guī)模應(yīng)用。使用機(jī)器人不僅降低搬運(yùn)人員的工作強(qiáng)度，提高搬運(yùn)效率，減少完全隱患，而且可實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人，顯著降低企業(yè)用工成本[1-2]。

倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)常見機(jī)器人分為貨運(yùn)機(jī)器人、拆碼垛機(jī)器人、分揀機(jī)器人和自動(dòng)引導(dǎo)車（Automated Guided Vehicle，AGV）等。其中，貨運(yùn)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)還處于發(fā)展起步階段[3]，存在以下不足：AGV、貨運(yùn)機(jī)器人和碼垛機(jī)器人之間無(wú)法相互兼容，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、碼垛和自動(dòng)導(dǎo)向的機(jī)器人較少；搬運(yùn)和碼垛機(jī)器人自動(dòng)化程度不高，且多為固定式，需與其它機(jī)器配合才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離搬運(yùn)和存儲(chǔ)；部分貨運(yùn)機(jī)器人價(jià)格昂貴[4]，限制其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

搬運(yùn)機(jī)器人底盤和抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為研究的熱點(diǎn)[5-8]。王志秦等[5]設(shè)計(jì)了一種基于六自由度機(jī)械臂的履帶式搬運(yùn)機(jī)器人，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)物體可以準(zhǔn)確定位和抓取。袁詩(shī)宸[6]設(shè)計(jì)了一種基于簡(jiǎn)易機(jī)械手的履帶式搬運(yùn)碼垛機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的物品夾持和搬運(yùn)工作。上述搬運(yùn)機(jī)器人存在夾持效果欠佳、自動(dòng)化程度偏低和運(yùn)行效率不高等不足之處。

本文提出了一種夾取、存儲(chǔ)和放置一體化的小型貨運(yùn)機(jī)器人，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)貨物搬運(yùn)、碼垛和自動(dòng)化控制功能，搬運(yùn)效率高，具備一定的推廣價(jià)值和市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 需求分析

首先，對(duì)搬運(yùn)效率要求高；其次，需要運(yùn)行穩(wěn)定，且能適應(yīng)多種不同場(chǎng)合，并具備避障能力；最后，由于常見儲(chǔ)物柜和快遞柜為多層框架結(jié)構(gòu)，所以要配備多維運(yùn)動(dòng)能力的夾取機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一次取多個(gè)和一次放多個(gè)貨物的需求。本貨運(yùn)機(jī)器人針對(duì)一款常用儲(chǔ)物箱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造，儲(chǔ)物箱的整體三維尺寸為220 mm×130 mm×100 mm，儲(chǔ)物箱的蓋子通過扣合結(jié)構(gòu)與箱體扣合。

1.2 機(jī)器人總體方案

機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案主要包括麥克納姆輪底盤、二軸夾爪、存儲(chǔ)空間和并聯(lián)雙夾爪。圖1為機(jī)器人的功能樹：麥克納姆輪底盤用來(lái)提供全向移動(dòng)的能力，增強(qiáng)機(jī)器人在地面運(yùn)動(dòng)的靈活性；二軸夾爪和存儲(chǔ)空間用來(lái)實(shí)現(xiàn)碼垛和多層放置的功能，為順利夾取貨物，夾爪需要上下升降和前后伸展的移動(dòng)自由度，夾取貨物后將其放置于指定的存儲(chǔ)空間；并聯(lián)雙夾爪主要用于提高單次搬運(yùn)的效率，實(shí)現(xiàn)一次取多個(gè)和放多個(gè)貨物的操作，通過增加單次夾取的貨物數(shù)量來(lái)提高整體的運(yùn)輸效率。

圖1 機(jī)器人功能樹

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

貨運(yùn)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，以機(jī)器人左右方向?yàn)檩S，前后方向?yàn)檩S，垂直方向?yàn)檩S，建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的空間坐標(biāo)系。

1.麥克納姆輪底盤；2.儲(chǔ)物箱；3.抬升機(jī)構(gòu)；4.夾爪；5.平移機(jī)構(gòu)。

2.1 麥克納姆輪底盤

如圖3所示，貨運(yùn)機(jī)器人底盤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案為四個(gè)麥克納姆輪作為獨(dú)立輪組安裝在底盤的四個(gè)角來(lái)提供移動(dòng)支撐。通過四個(gè)獨(dú)立的RoboMaster 3508減速電機(jī)來(lái)控制麥克納姆輪的轉(zhuǎn)向，進(jìn)而通過四個(gè)滾輪上不同的受力分解，根據(jù)運(yùn)動(dòng)合成原理實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全向移動(dòng)。

1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)；2.底盤框架；3.麥克納姆輪。

2.2 二軸夾爪

二軸夾爪需要兩個(gè)移動(dòng)自由度，分別設(shè)計(jì)抬升機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。

平移機(jī)構(gòu)由同步帶及帶輪、抽屜滑軌和平移框架等組成，如圖4所示。平移框架由碳管和板料連接構(gòu)成，同步帶與兩個(gè)帶輪安裝在中間的縱向碳管上，為平移機(jī)構(gòu)提供前后（軸）平移的能力。兩個(gè)抽屜滑軌固定在兩側(cè)的縱向碳管上，對(duì)框架的軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)向和限位。

1.抽屜滑軌；2.同步帶；3.平移機(jī)構(gòu)框架。

抬升機(jī)構(gòu)由同步帶及帶輪、直線滑軌和抬升框架等組成，如圖5所示。抬升機(jī)構(gòu)與夾爪利用四個(gè)同步帶進(jìn)行傳動(dòng)，使用直線滑軌滑塊進(jìn)行直線限位。平移機(jī)構(gòu)整體安裝在四條同步帶和四個(gè)直線滑軌的滑塊上，能夠自由的上下（軸）移動(dòng)，完成抬升功能。

2.3 并聯(lián)雙夾爪

為降低控制難度和機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度、減少夾爪自重，設(shè)計(jì)了一款基于扭簧合頁(yè)的并聯(lián)雙夾爪，如圖6所示。使用扭簧合頁(yè)作為鉸鏈連接平移框架和吊鉤部分，扭簧可使夾爪保持必要的張合力。吊鉤部分采用弧形結(jié)構(gòu)，使貨物可以順暢的將扭簧合頁(yè)撐開，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)夾取的功能。使用時(shí)，將夾爪移動(dòng)至儲(chǔ)物箱正上方，使夾爪向下運(yùn)動(dòng)直至夾具框架接觸到儲(chǔ)物箱，儲(chǔ)物箱撐開夾爪并被扣住，完成夾取動(dòng)作。為了提高運(yùn)輸效率，采用并聯(lián)雙夾爪的設(shè)計(jì)，安裝左右兩個(gè)夾爪，實(shí)現(xiàn)同時(shí)夾取兩個(gè)貨物的效果。

1.直線滑軌；2.同步帶；3.抬升電機(jī)；4.抬升框架。

1.夾具框架；2.吊鉤；3.扭簧合頁(yè)。

3 設(shè)計(jì)校核

貨運(yùn)機(jī)器人主要考慮貨物搬運(yùn)能力，因此夾具部分結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。針對(duì)機(jī)器人的抬升機(jī)構(gòu)和夾具部分進(jìn)行計(jì)算，使用有限元分析進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3.1 夾具框架與吊鉤強(qiáng)度校核

在夾持過程中夾具框架和吊鉤需要有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。首先，夾具框架發(fā)生嚴(yán)重變形會(huì)給抬升機(jī)構(gòu)帶來(lái)附加彎矩、增大抬升時(shí)的摩擦系數(shù)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致抬升框架卡死。其次，吊鉤夾取儲(chǔ)物箱時(shí)承受儲(chǔ)物箱的全部重力，若強(qiáng)度不足將會(huì)導(dǎo)致吊鉤在夾取過程中發(fā)生斷裂，損壞貨物。因此為確保整體結(jié)構(gòu)的可靠性，使用ANSYS軟件對(duì)夾具框架和吊鉤（材料為聚乳酸，Polylactic Acid，PLA）進(jìn)行強(qiáng)度校核。分別將夾具框架和吊鉤的三維模型導(dǎo)入ANSYS，施加邊界條件和載荷，設(shè)置迭代終止條件為結(jié)果相差5%以內(nèi)，進(jìn)行有限元分析，得到等效應(yīng)力云圖和全位移云圖如圖7和圖8所示。夾具框架最大應(yīng)力為27.93 MPa，出現(xiàn)在框架和滑軌連接的碳纖維管上；吊鉤最大應(yīng)力為0.17 MPa，出現(xiàn)在吊鉤和夾爪的連接處，均遠(yuǎn)小于碳纖維材料的抗拉極限強(qiáng)度3518 MPa和PLA打印件的抗拉極限強(qiáng)度58.9 MPa[9-10]，故強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足使用要求。

圖7 夾具框架的等效應(yīng)力云圖和全位移云圖

圖8 吊鉤的等效應(yīng)力云圖和全位移云圖

3.2 抬升機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇與校核

在夾爪運(yùn)動(dòng)至最遠(yuǎn)端的極端狀態(tài)時(shí)，平移機(jī)構(gòu)、夾爪及儲(chǔ)物箱的重力通過同步帶壓板傳遞到同步帶上，即為同步帶的有效拉力，如圖9所示。機(jī)器人的夾具設(shè)計(jì)載重5 kg（兩個(gè)夾具各2.5 kg），平移夾爪機(jī)構(gòu)總重3.5 kg，機(jī)構(gòu)重心位于右側(cè)同步帶支點(diǎn)右方145 mm處?？蓪C(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)外伸梁，如圖10所示，其中＝49 N、＝34.3 N，求得支反力F1＝123.1 N、F2＝-39.81 N，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，初選RoboMaster 2310電機(jī)作為抬升電機(jī)。

圖9 實(shí)物裝置受力圖

圖10 平移夾爪機(jī)構(gòu)受力分析簡(jiǎn)圖

兩個(gè)鉸支座的電機(jī)和同步輪型號(hào)一致，選擇右側(cè)的同步帶進(jìn)行分析。抬升電機(jī)采用位置閉環(huán)控制，通過PID算法[11]計(jì)算得電機(jī)轉(zhuǎn)速為3.39 r/s，同步輪直徑是27.8 mm，可計(jì)算出同步帶的帶速＝0.29 m/s。F由兩條同步帶分擔(dān)，故有效拉力F＝61.55 N。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[13]，計(jì)算同步帶傳遞功率和工作扭矩[12]為：

式中：P為計(jì)算功率，W；K為工況系數(shù)，工作過程中有振動(dòng)，故取K＝1.2；T為計(jì)算扭矩，N·m；為同步輪半徑，m。

計(jì)算得：P＝21.88 W、T＝0.8555 N·m。

電機(jī)的減速比為1:36，故電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為7322 r/min，根據(jù)電機(jī)功率特性曲線[14]可知，電機(jī)最大功率max＝280 W、最大扭矩max＝0.55 N·m，經(jīng)減速后的扭矩為19.8 N·m，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)扭矩0.8555 N·m，滿足使用要求。

電機(jī)實(shí)際功率[13]為：

式中：為電機(jī)效率，根據(jù)電機(jī)的功率特性曲線可得效率＝55%。

計(jì)算得：＝39.78 W，小于電機(jī)的最大功率范圍，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[13]，該電機(jī)可作為機(jī)器人的抬升電機(jī)。

3.3 同步帶型號(hào)與帶寬選擇

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，抬升同步帶輪的轉(zhuǎn)速為203 r/min，傳遞功率≤39.78 W。平移同步帶輪的轉(zhuǎn)速和抬升同步帶輪相同，由于平移采用抽屜滑軌作為直線移動(dòng)副，阻力較小，故傳遞的功率可以忽略不計(jì)，根據(jù)圓弧齒同步帶選型圖[14]，同步帶的型號(hào)應(yīng)為3M型同步帶，根據(jù)最小齒數(shù)和尺寸限制，抬升、平移的主、從動(dòng)輪均選用3M30齒的同步輪。

計(jì)算抬升同步輪的帶寬[13]為：

式中：b為設(shè)計(jì)帶寬，mm；b0為3M同步帶的基準(zhǔn)寬度，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[13]得b0＝6 mm；K為圓弧齒帶長(zhǎng)系數(shù)，抬升同步帶節(jié)線長(zhǎng)為1155 mm時(shí)選擇K＝1.2[13]；K為小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，小帶輪的嚙合齒數(shù)為15時(shí)K＝1[13]；0為基準(zhǔn)額定功率，此時(shí)0＝30 W[13]。

計(jì)算得：b≥7.118 mm。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[13]，計(jì)算結(jié)果在選型范圍內(nèi)，符合條件。對(duì)計(jì)算值進(jìn)行圓整，圓整后的帶寬為9 mm，故機(jī)器人抬升機(jī)構(gòu)選用的同步帶帶寬為9 mm。平移所使用的同步帶傳遞功率較小，為方便采購(gòu)，選用統(tǒng)一型號(hào)和尺寸的同步帶輪。

4 控制程序設(shè)計(jì)

貨運(yùn)機(jī)器人選擇STM32作為主控制器，采用嵌入式C語(yǔ)言在Keil MDK5平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物精確定位和抓取功能。圖11為貨運(yùn)機(jī)器人的主程序流程圖。上電后，首先進(jìn)行機(jī)器人的復(fù)位，保證機(jī)器人處于初始位置，之后進(jìn)行自檢，檢測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)是否正常。復(fù)位和自檢成功后，進(jìn)行取貨任務(wù)，通過遙控器控制機(jī)器人移動(dòng)到第一個(gè)貨物的大概位置，接著進(jìn)行手動(dòng)對(duì)位，并執(zhí)行一次自動(dòng)抓取收納動(dòng)作，再通過編碼器自動(dòng)移動(dòng)到下一個(gè)貨物的大概位置，繼續(xù)手動(dòng)對(duì)位和自動(dòng)抓取，重復(fù)流程至全部貨物抓取結(jié)束。取貨完成后，進(jìn)入放貨任務(wù)，首先對(duì)貨架進(jìn)行一次手動(dòng)對(duì)位，然后用編碼器輔助完成全自動(dòng)的放貨動(dòng)作。

圖11 貨運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)流程圖

5 實(shí)物測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證理論分析和仿真研究的正確性，本研究搭建貨運(yùn)機(jī)器人實(shí)物進(jìn)行可行性測(cè)試，圖12為貨運(yùn)機(jī)器人實(shí)物裝置。

5.1 取貨與放貨實(shí)驗(yàn)

為準(zhǔn)確模擬貨運(yùn)機(jī)器人工作情況，搭建場(chǎng)地進(jìn)行取貨和放貨測(cè)試。取貨實(shí)驗(yàn)中，儲(chǔ)物箱放入2.5 kg物品，六個(gè)儲(chǔ)物箱水平放置，儲(chǔ)物箱間距與夾具間距一致、為250 mm，記錄取完所有箱子所需時(shí)間如表1所示，取貨平均耗時(shí)71.5 s、平均每箱耗時(shí)11.9 s。放置實(shí)驗(yàn)中，選擇一個(gè)3列6格、整體尺寸1110 mm×370 mm×750 mm的儲(chǔ)物柜作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，記錄機(jī)器人將六個(gè)箱子完全放入儲(chǔ)物柜所需時(shí)間如表1所示，放貨平均耗時(shí)48.2 s、平均每箱8.3 s。

圖12 貨運(yùn)機(jī)器人實(shí)物圖

表1 取貨和放貨時(shí)間統(tǒng)計(jì)

5.2 運(yùn)動(dòng)能力實(shí)驗(yàn)

使機(jī)器人處于空載狀態(tài)，分別測(cè)定其直線運(yùn)動(dòng)和橫向平移運(yùn)動(dòng)3 m的耗時(shí)，統(tǒng)計(jì)平均耗時(shí)來(lái)計(jì)算機(jī)器人的運(yùn)行速度，測(cè)試結(jié)果如表2所示，直線運(yùn)動(dòng)平均速度為0.56 m/s、橫向平移平均速度為0.37 m/s。

表2 運(yùn)動(dòng)速度統(tǒng)計(jì)

5.3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與改進(jìn)

其他測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。測(cè)試中機(jī)器人能滿足設(shè)計(jì)需求，平穩(wěn)取放貨物，并進(jìn)行全向移動(dòng)。操作難度適中，新手只需經(jīng)過1 h訓(xùn)練即可靈活操作機(jī)器人取放貨物。

表3 貨運(yùn)機(jī)器人測(cè)試數(shù)據(jù)

為了提升貨運(yùn)機(jī)器人的實(shí)用價(jià)值，提出以下幾種優(yōu)化改進(jìn)方案：

（1）通過視覺識(shí)別和增加傳感器的方式提高自動(dòng)化程度，如使用超聲波和顏色識(shí)別傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)位和夾??；

（2）增加循跡功能和路徑規(guī)劃，提高搬運(yùn)效率；

（3）增大整車空間，增強(qiáng)運(yùn)輸能力，來(lái)達(dá)到更高的單次運(yùn)輸效率。

6 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)出一種抓取、存儲(chǔ)和放置一體化小型智能貨運(yùn)機(jī)器人，該機(jī)器人主要由底盤機(jī)構(gòu)、抬升機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)和夾爪等四部分組成。以麥克納姆輪為輪組的底盤賦予了整個(gè)機(jī)器人全向移動(dòng)的能力，以同步帶為傳動(dòng)方案的抬升機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)和夾爪機(jī)構(gòu)，使得貨運(yùn)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)多層碼垛的工作，并聯(lián)的雙夾爪為貨運(yùn)機(jī)器人提供了一次抓取多箱和一次放置多箱貨物的能力。該機(jī)器人能同時(shí)實(shí)現(xiàn)貨物搬運(yùn)、碼垛和自動(dòng)化控制功能，搬運(yùn)效率高，具備較好的推廣價(jià)值和市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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Design of an Integrated Freight Robot for Grasping, Storing and Placing

SU Tongkun，ZHU Yuzheng，CHEN Jiahong，CAI Jiahong，JIANG Yuqi，WANG Pengfei

(College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060,China)

Aiming at the extensive demanding for the intelligent delivery robots in warehousing and logistics industry, a small intelligent freight robot with integrated grasp, storage and placement is designed. The robot is mainly composed of a McNamm wheel chassis, a lifting mechanism, a translation mechanism and a gripper. It can move in all directions on the ground and, particularly, it can grasp and place multiple goods at the same time. The robot uses STM32 as the main control chip to achieve accurate positioning and grasping of goods. According to theoretical analysis and physical prototype test, it clearly indicates that the freight robot satisfies the design requirements with high efficiency and easy operation. Therefore, it has preferable promotion value and market application prospects.

freight robot；grasp mechanism；translation mechanism；lifting mechanism

TP242

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.07.007

1006-0316 (2023) 07-0044-07

2022-10-08

深圳大學(xué)聚徒教學(xué)項(xiàng)目（202208）

蘇垌錕（2000－），男，廣東汕頭人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化，E-mail：124235606@qq.com。*通訊作者：汪朋飛（1983－），男，湖北天門人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與摩擦學(xué)，E-mail：wangpf@szu.edu.cn。