仓储物流搬运机器人的设计与分析

目前，随着人类生产力的进一步发展和生活水平的不断提高，物流运输越来越成为生活中不可或缺的部分[1]。在电子商务和互联网技术蓬勃发展的今天，不论是日常消费购物，还是货物的定点发送，物流运输都是必不可少的一个环节。但是，物流运输量的井喷式发展，使得物流业的工作人员的工作量也随之增加[2]。想要从根本上解决这一问题，在增加工作人员数量的同时，将物流运输由传统的人工搬运由机器人代替，是一条非常可行的途径[3]。随着《中国制造2025》规划的进一步实施，自动化、智能化技术在各行各业都取得了令人瞩目的成就，这其中也包括在物流领域[4]。为了使物流运输能够准确、高效，越来越多的物流公司开始将自动化设备应用到物流分拣、搬运中来。同时，2016年12月在江苏省召开的《世界智能制造合作发展高峰论坛》中，国家工信部明确表示将自动化仓储作为中国制造业智能化转型的重要任务之一来实施[5]。传统物流分拣模式中，由人工搬运、分拣物流件，耗时时间长、效率低下，工人劳动强度大，且存在一定的安全隐患。同时，在如此高强度的劳动条件和对快速分拣的要求下，负责分拣的工作人员难免忙中出错[6]。如此，很难满足目前电子物流行业中种类多、批量少的行业特征。再则，目前新生劳动力对分拣物流这样工作内容单一、强度大的工作普遍不感兴趣，而之前的劳动力逐渐老去，加深了该领域发展的瓶颈。如何能打破目前的行业现状，自动化、智能化的物流设备是一条非常理性的选择[7]。通过仓储物流搬运机器人来代替人工分拣、搬运作业，可以解放生产力、提高劳动效率。

本文所设计的仓储物流搬运机器人是一种用于物流件分拣、搬运、运输的机器。传统的搬运机器人，多为叉车式、牵引式等，车体体积大，运行占地面积宽，很难适应要求越来越高的现代物流[8]。而且，传统的搬运机器人很多需要铺设专门的辅助导引带，使得运行范围受导引带的限制，且后期仓库调整较困难，不能很好地适应现代仓库的物流环境[9]。仓储物流搬运机器人是以目前物流系统为基础，以先进的科学理论和现代科学技术为支撑的物流分拣、运输设备。其能够实时感知周边环境并作出相应的分析处理，将所运输的物流件经识别后分拣出来，由控制系统对机器人进行路径选择和规划，将设备运输到指定位置[10]。本文所设计的仓储物流搬运机器人可有效降低物流分拣搬运的成本，降低工作人员的劳动强度，使现代物流系统向着更加高效、精准的方向发展，具有很高的研究价值和社会社会效益。如图1所示为所设计仓储物流搬运机器人的三维结构图。

仓储物流搬运机器人主要由机器人底盘、搬运机械臂、爪子、携带传感器等构成。

机器人底盘结构的主体部分，主要用来支撑和运输机器人整体结构。由于仓储物流搬运机器人的主要任务是分拣和搬运物流件，因此要求机器人的底盘强度高、可靠性好，同时尽可能地降低重量，减轻驱动系统的负担而降低能耗[11]。所以，本文所设计仓储物流搬运机器人的底盘采用铝合金钢板制成。机器人底盘如图2所示。

仓储物流搬运机器人采取镶嵌式设计。机器人的驱动装置、定位导航装置、控制系统、机器人总控制、路径规划系统等皆镶嵌于机器人底盘上，驱动机器人运行的能源安装在机器人底板上的电池安装盒内，仓储物流搬运机器人的执行机构为搬运机械臂，安装在底板上方的悬臂固定台上[12]。机器人采用四轮驱动的方式。目前，该类机器人主要有两轮式驱动和四轮式驱动的方式，有极少数载重较大的机器人采用六轮式驱动。两轮式驱动的机器人分为前轮驱动和后轮式驱动，这两种机器人共同的特点是设计简单、能耗较低，但是控制难度大、精度低，不能满足本文所设计仓储物流搬运机器人的精度要求。故本设计选择采用四轮驱动的方式，四个驱动轮皆由伺服电机直接驱动，控制系统直接控制电机的启停，以及其转速和转矩[13]。

当仓储物流搬运机器人将上一物流件投放到指定地点返回后，由机器人总控系统发出指令，并控制机器人底盘上四个驱动轮的启停和转速、转矩，使机器人以适当的角度到达指定位置。此时，机器人停止在原位固定不动，机器人的机械臂开始工作，将物流件夹取后再次运输到指定位置。故而，要求机械臂具有适当的自由度，且要保证其具有足够的刚度和强度，机器臂的伸缩和旋转要准确和高效[13]。为此，所设计机器人机械臂如图3所示。

所设计机械臂整体安装在底盘上的悬臂固定台上，由内置舵机驱动悬臂围绕固定台旋转。机械臂的小臂安装在悬臂底盘上，由舵机驱动其沿着两根圆柱形导轨做直线运动，最大行程为230mm。机械臂小臂末端安装有悬臂腕关节，手抓由内置舵机驱动其做俯仰运动。

仓储物流搬运机器人的爪子主要负责当机器人到达指定位置、悬臂到达理想姿态后，爪子将待运输物流件夹取起来，并牢牢地夹住直到机器人到达指定位置后，再将爪子松开。所设计仓储物流搬运机器人的爪子如图4所示。

如图所示，机器人的爪子由两个大小和结构完全相同半圆弧夹取机构组成，其末端由两个完全相同的齿轮机构驱动其旋转。故而，爪子在张合时能够保证其左右结构对称，所夹物流件所受夹持力大小相同。为了使一组齿轮在转动时不发生干涉现象，采用单边驱动的设计方式，即一个为主动轮，另一个为从动轮。

机器人的机械臂结构由三个旋转运动和一个直线运动所组成。在工作过程中机器人会与环境之间产生相互作用的力矩和力。机器人各关节上的舵机能够提供机械臂转动或者直线移动的力矩，通过机械臂末端的爪子，以完成搬运工作，各关节能够安全稳定地运行，是机器人控制机械臂的基础。所以，保证各关节静力学强度的稳定至关重要。本文所设计机器人的机械臂由四个关节构成，假设第i杆所对应的关节i与第i+1杆所对应的关节i+1相连，则可建立两个坐标系{i-1}和{i}。

定义以下变量：fi-1,i及ni-1,i为i-1杆通过关节i作用在i杆上的力和力矩；fi,i+1及ni,i+1为i杆通过关节i+1作用在i+1杆上的力和力矩；-fi,i+1及-ni,i+1为i+1杆通过关节i+1作用在i杆上的反作用力和反作用力矩；fn,n+1及nn,n+1为机械臂末端爪子对物流件的作用力和作用力矩；-fn,n+1及-nn,n+1为物流件对机械臂末端爪子的作用力和作用力矩；F0,1及n0,1为机器人底盘固定座对悬臂底盘的作用力和力矩；mig为第i杆的重量。

所以，机器人机械臂各连杆静力学平衡的条件为其各连杆合力和合力矩皆为零。故而可列方程式：

其中，ri-1,i为坐标系{i}的原点相对于坐标系{i-1}的位置矢量；ri,Ci为质心相对于坐标系{i}的位置矢量。

根据机器人所运输的物流件的质量和机械臂上各连杆的尺寸，即可有机械臂末端的爪子依次逆推，计算求得各连杆所受的力和力矩[14]。

所设计仓储物流搬运机器人的额定荷载重量为20kg，即物流件对机械臂末端的爪子的反作用力约为200N。机械臂底盘支座长度为330mm，采用厚为4.5mm的有机玻璃制成。小臂滑轨支座与机械臂底盘支座之间由铜柱支撑连接。小臂和爪子，以及驱动舵机等零部件总重为137N。由所设计机器人模型可求得，当机械臂夹取20kg的物流件，小臂到达小臂最前端时，根据静力学平衡可求得悬臂底盘支座所受作用力为：前端为向下231N，后端为向下183N。根据机器人实际受力情况，将上述受力值施加于机器人机械臂底盘支座上得等效应力云图，如图5所示；等效应变云图，如图6所示；等效变形云图，如图7所示。

由应力云图和应变云图可知，该机器人机械臂底盘支座的最大应力和最大应变皆发生在固定台的前侧，最大应力为2.66×108N/m2，最大应变为1.64×10-3mm/mm。最大变形发生在机械臂底盘支座的最前端，最大变形量为9.8mm。皆满足机器人运行的强度要求。为了进一步提高仓储物流搬运机器人的稳定性，在后续制造中应在机械臂底盘支座上添加加强筋。在上述对机械臂底盘支座仿真分析的基础上，对其进行拓扑优化分析，对底盘、光轴支座、立柱支撑等体积进行优化，作出合理预测并给出生产建议。寻找子不影响悬臂底盘运行时强度和稳定性要求的可去除面积，从而进一步降低机器人制作成本和机器运行能耗。拓扑优化计算结果如图8所示。

由分析可知，底盘支座的固定住安装环周围为可去除面积。但是固定住安装环侧面需安装其他零件，做装配使用。若刻意去除则将直接增加加工成本。综合分析认为,底盘支座的固定住安装环在毛坯选择时允许有少量缺陷。根据上述对仓储物流搬运机器人的机构设计和仿真计算，对机器人进行样机制作，图9为所制作仓储物流搬运机器人的样机，图10为机器人搬运物流件的试验图。由图可知，机器人结构变形小，悬臂的刚度满足预定要求，其运行稳定性在理想的范围内。

本文设计了一款简洁方便、控制容易、安全性高的仓储物流搬运机器人。主要研究了其底盘结构、搬运机械臂、爪子等机构。根据机器人所运输物流件的质量和机械臂上各连杆的尺寸，对机械臂末端的爪子依次逆推，计算求得悬臂底盘所受的力和力矩，其前端为向下231N，后端为向下183N。

运用有限元法求得悬臂支架的等效应力云图、等效应变云图和变形云图，最大应力为2.66×108N/mm2，最大应变为1.64×10-3mm/mm。对机器人进行了样机制作，其结构变形小，悬臂的刚度满足预定要求，其运行稳定性在理想的范围内。