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仓储物流搬运机械人的设计与剖析

来源：本站 | 宣布日期：2023-02-25

目前，随着人类生产力的进一步生长和生活水平的不绝提高，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生长的今天，岂论是日常消费购物，照旧货物的定点发送，物流运输都是必不可少的一个环节。可是，物流运输量的井喷式生长，使得物流业的事情人员的事情量也随之增加[2]。想要从基础上解决这一问题，在增加事情人员数量的同时，将物流运输由古板的人工搬运由机械人取代，是一条非�？尚械耐揪�[3]。随着《中国制造2025》计划的进一步实施，自动化、智能化技术在各行各业都取得了令人瞩目的成绩，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《世界智能制造相助生长岑岭论坛》中，国家工信部明确体现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]。古板物流分拣模式中，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，且保存一定的宁静隐患。同时，在如此高强度的劳动条件和对快速分拣的要求下，卖力分拣的事情人员难免忙中蜕化[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事情内容简单、强度大的事情普遍不感兴趣，而之前的劳动力逐渐老去，加深了该领域生长的瓶颈。如何能突破目前的行业现状，自动化、智能化的物流设备是一条很是理性的选择[7]。通过仓储物流搬运机械人来取代人工分拣、搬运作业，可以解放生产力、提高劳动效率。

1 仓储物流搬运机械人的结构组成及原理

本文所设计的仓储物流搬运机械人是一种用于物流件分拣、搬运、运输的机械。古板的搬运机械人，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]。并且，古板的搬运机械人许多需要铺设专门的辅助扶引带，使得运行规模受扶引带的限制，且后期货仓调解较困难，不可很好地适应现代货仓的物流情况[9]。仓储物流搬运机械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情况并作出相应的剖析处理，将所运输的物流件经识别后分拣出来，由控制系统对机械人进行路径选择和计划，将设备运输到指定位置[10]。本文所设计的仓储物流搬运机械人可有效降低物流分拣搬运的本钱，降低事情人员的劳动强度，使现代物流系统向着越发高效、精准的偏向生长，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械人的三维结构图。

图1 机械人三维结构

仓储物流搬运机械人主要由机械人底盘、搬运机械臂、爪子、携带传感器等组成。

1.1 机械人底盘设计

机械人底盘结构的主体部分，主要用来支撑和运输机械人整体结构。由于仓储物流搬运机械人的主要任务是分拣和搬运物流件，因此要求机械人的底盘强度高、可靠性好，同时尽可能地降低重量，减轻驱动系统的担负而降低能耗[11]。所以，本文所设计仓储物流搬运机械人的底盘接纳铝合金钢板制成�；等说着倘缤�2所示。

图2 机械人底盘示结构

仓储物流搬运机械人接纳镶嵌式设计�；等说那爸谩⒍ㄎ坏己阶爸谩⒖刂葡低场⒒等俗芸刂啤⒙肪都苹低车冉韵馇队诨等说着躺�，驱动机械人运行的能源装置在机械人底板上的电池装置盒内，仓储物流搬运机械人的执行机构为搬运机械臂，装置在底板上方的悬臂牢固台上[12]�；等私幽伤穆智姆椒�。目前，该类机械人主要有两轮式驱动和四轮式驱动的方法，有少少数载重较大的机械人接纳六轮式驱动。两轮式驱动的机械人分为前轮驱动和后轮式驱动，这两种机械人配合的特点是设计简单、能耗较低，可是控制难度大、精度低，不可满足本文所设计仓储物流搬运机械人的精度要求。故本设计选择接纳四轮驱动的方法，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]。

1.2 机械人机械臂设计

当仓储物流搬运机械人将上一物流件投放到指定所在返回后，由机械人总控系统发出指令，并控制机械人底盘上四个驱动轮的启停和转速、转矩，使机械人以适当的角度抵达指定位置。此时，机械人停止在原位牢固不动，机械人的机械臂开始事情，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，且要包管其具有足够的刚度和强度，机械臂的伸缩和旋转要准确和高效[13]。为此，所设计机械人机械臂如图3所示。

图3 机械人机械臂结构

所设计机械臂整体装置在底盘上的悬臂牢固台上，由内置舵机驱动悬臂围绕牢固台旋转�；当鄣男”圩爸迷谛鄣着躺�，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�；当坌”勰┒俗爸糜行弁笫嗯�，手抓由内置舵机驱动其做俯仰运动。

1.3 机械人手爪设计

仓储物流搬运机械人的爪子主要卖力当机械人抵达指定位置、悬臂抵达理想姿态后，爪子将待运输物流件夹取起来，并牢牢地夹住直到机械人抵达指定位置后，再将爪子松开。所设计仓储物流搬运机械人的爪子如图4所示。

图4 机械人爪子

如图所示，机械人的爪子由两个巨细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，爪子在张适时能够包管其左右结构对称，所夹物流件所受夹持力巨细相同。为了使一组齿轮在转动时不爆发干预现象，接纳单边驱动的设计方法，即一个为主动轮，另一个为从动轮。

2 仓储物流搬运机械人强度剖析

机械人的机械臂结构由三个旋转运动和一个直线运动所组成。在事情历程中机械人会与情况之间爆发相互作用的力矩和力�；等烁魇嗯ι系亩嫘阅芄惶峁┗当圩蛘咧毕咭贫牧�，通过机械臂末端的爪子，以完成搬运事情，各枢纽能够宁静稳定地运行，是机械人控制机械臂的基础。所以，包管各枢纽静力学强度的稳定至关重要。本文所设计机械人的机械臂由四个枢纽组成，假设第i杆所对应的枢纽i与第i+1杆所对应的枢纽i+1相连，则可建立两个坐标系{i-1}和{i}。

界说以下变量：fi-1,i及ni-1,i为i-1杆通过枢纽i作用在i杆上的力和力矩；fi,i+1及ni,i+1为i杆通过枢纽i+1作用在i+1杆上的力和力矩；-fi,i+1及-ni,i+1为i+1杆通过枢纽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为机械人底盘牢固座对悬臂底盘的作用力和力矩；mig为第i杆的重量。

所以，机械人机械臂各连杆静力学平衡的条件为其各连杆协力和协力矩皆为零。故而可列方程式：

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

凭据机械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，盘算求得各连杆所受的力和力矩[14]。

3 仓储物流搬运机械仿真剖析

所设计仓储物流搬运机械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�；当鄣着讨ёざ任�330mm，接纳厚为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。由所设计机械人模型可求得，当机械臂夹取20kg的物流件，小臂抵达小臂最前端时，凭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。凭据机械人实际受力情况，将上述受力值施加于机械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。

图5 等效应力云图

图6 等效应变云图

图7 等效变形云图

由应力云图和应变云图可知，该机械人机械臂底盘支座的最大应力和最大应变皆爆发在牢固台的前侧，最大应力为2.66×108N/m2，最大应变为1.64×10-3mm/mm。最大变形爆发在机械臂底盘支座的最前端，最大变形量为9.8mm。皆满足机械人运行的强度要求。为了进一步提高仓储物流搬运机械人的稳定性，在后续制造中应在机械臂底盘支座上添加增强筋。在上述对机械臂底盘支座仿真剖析的基础上，对其进行拓扑优化剖析，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，从而进一步降低机械人制作本钱和机械运行能耗。拓扑优化盘算结果如图8所示。

图8 拓扑优化结果

由剖析可知，底盘支座的牢固住装置环周围为可去除面积。可是牢固住装置环侧面需装置其他零件，做装配使用。若刻意去除则将直接增加加工本钱。综合剖析认为,底盘支座的牢固住装置环在毛坯选择时允许有少量缺陷。凭据上述对仓储物流搬运机械人的机构设计和仿真盘算，对机械人进行样机制作，图9为所制作仓储物流搬运机械人的样机，图10为机械人搬运物流件的试验图。由图可知，机械人结构变形小，悬臂的刚度满足预定要求，其运行稳定性在理想的规模内。