倉儲物流機器人移動平臺的設計*

肖猷坤，李榮泳，李沛輝，羅男生，羅鴻彬，勞振鵬

（東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞 523000）

0 前言

隨著＂中國制造2025＂規劃的提出，物流行業的運作效率、智能化程度越來越受到重視。傳統的物流作業模式由于存在勞動力成本高、安全性較差、效率低等問題，已經無法滿足物流行業快速發展的需求。為彌補傳統模式的不足，需要設計出一種運行效率高、運行平穩的倉儲物流機器人。調研發現，現有的倉儲物流機器人大多采用兩輪驅動、帶動萬向輪的動作模式[1]，采用托舉或抬升機構。然而，該動作模式使得機器人的運行效率低，如機器人由原來的運動方向改變為往左或右運動，耗時相對較長；采用托舉或抬升機構也有諸多問題：第一，對電動推桿的性能要求高，需要增加成本；第二，隨著時間累積，貨架的重壓使得電動推桿的疲勞強度下降；第三，托舉貨架時，托舉機構的支撐板與貨架之間是面與面的接觸方式，在搬運過程中會發生一定的滑移，導致貨架擺放歪斜，還會在一定程度上限制機器人搬運貨架的加、減速度。針對以上不足，本文提出一種倉儲物流機器人移動平臺的設計方案，并從運動學模型、三維模型和電機選型的角度闡述本方案的可行性。

1 建立移動平臺的運動學方程

本文設計了基于麥克納姆輪的全方位移動平臺，能夠實現前行、橫移、斜行、旋轉及其組合等運動方式[2]。麥克納姆輪是由瑞典工程師BengIlon于1973年發明的[3]，如圖1所示，麥克納姆輪由輪轂和安裝在輪轂外緣上與輪轂軸線呈一定角度的無動力輥子組成，無動力輥子不僅可繞輪轂軸公轉，也能在地面摩擦力作用下繞各自的支撐芯軸自轉，公轉與自轉的合運動速度與輪轂軸有一定的夾角（通常情況下θ=45°）[4]。

圖1 麥克納姆輪結構示意圖

本文所設計的物流機器人移動平臺的簡化模型如圖2所示，圖2中vir(1，2，3，4)∈R是接觸地面自由輥的切向速度向量，viω(1，2，3，4)∈R是輪子的旋轉速率，則viω=Rω×ωiω，其中Rω是輪子的半徑，ωiω是自由輥的速率。

圖2 全方位移動平臺車輪配置圖

建立方程式組：

聯立方程式（1）～（4）和（5）～（8）得到以下方程式：

聯立方程式（9）～（12）得到以下方程式：

式（13）-（15）中，θ1，θ2，θ3，θ4為四個輪子的速度，vx，vy，ωz為機器人的運行速度和旋轉速度[5]。由方程式（13）～（15）可知在實際操作中通過控制 4 個輪子不同的θ1，θ2，θ3，θ4，可以獲得機器人任意的運動速度和旋轉角度，能夠實現前行、橫移、斜行、旋轉及其組合等運動方式。以上的運動學模型分析，從理論上證實了本文所設計的倉儲物流機器人移動平臺具有全方位移動的優勢。

2 機械結構設計及控制電路設計

本文所設計的倉儲物流機器人移動平臺如圖3（a）、（b）所示，該平臺是一種基于麥克納姆輪的移動平臺，使用步進電機進行驅動。利用鋁合金具有質量輕、強度高、耐蝕性能好、成本低、易加工的優點[6]，選擇鋁合金作為車身的材料。為規避托舉或抬升機構所導致的問題，本文在移動平臺的中間位置設置了牽引機構，包括電動抬升桿、支撐板、牽引柱子，電動抬升桿動作時，帶動支撐板和牽引柱子，實現牽引式搬運貨架的效果，保證搬運的平穩性，有效降低錯誤率。如圖3（c）所示，在貨架的下方設置了與物流機器人相配套的輔助定位機構，是一種漏斗形的結構。本文把輔助定位機構設計為漏斗形，可以有效提高牽引機構與貨架的定位的便捷度。

本文以四軸運動控制卡作為核心控制器、以Arduino單片機為輔助處理器，共同組成下位機。上位機由PC機和應用程序組成，PC機通過路由器網絡連接運動控制卡，其中PC機主要負責信息流和數據流的管理，以及從運動控制卡讀取數據，并經過計算后將控制指令發送給運動控制卡。驅動器的方向、脈沖信號腳連接至運動控制卡，驅動器接收到運動控制卡發出的脈沖信號，通過內部的PWM電路控制直流步進電機的運轉，如此構成一個全方位移動的控制系統。該倉儲物流機器人移動平臺的控制系統的電路原理如圖3（d）所示。

總系統的運行原理如下：PC機發送控制指令至運動控制卡，進而從運動控制卡的信號引腳輸出低電平觸發繼電器，連接電動抬升桿的回路通電，電動抬升桿執行回降運動。機器人通過AGV傳感器識別磁導線沿導軌運動，當運動到兩直磁導線交叉處，RFID接收讀取交叉處RFID卡片的信息，機器人根據傳感器信息及上位機發送過來的目標倉庫信息判斷運動的方向，當機器人運動到磁導線末端時即為機器人所需到達的目標倉庫位置；PC機將控制指令發給運動控制卡輸出高電平觸發繼電器，連接電動抬升桿的回路通電，電動抬升桿執行上升運動。機器人通過機器人上方的牽引柱子從漏斗下方喇叭口插入，通過貨架的重力作用和漏斗結構將兩條牽引柱子引導到兩個漏斗結構中央圓管位置；當牽引柱子的頂端與角碼平齊時，從運動控制卡的信號引腳輸出低電平響應繼電器，回路斷電，電動抬升桿停止工作，進一步地，運動控制卡往步進電機驅動器輸出脈沖信號和方向信號，步進電機工作，機器人帶動貨架往下目標倉庫移動。到達目標倉庫后，再次從運動控制卡的信號引腳輸出高電平觸發繼電器，連接電動抬升桿的回路通電，電動抬升桿執行回降運動，機器人上方的牽引柱子從漏斗下方離開，機器人完成取貨工作，該過程中同時涉及由運動控制卡從串口（TX、RX）往Arduino單片機發送指令，輸出脈沖信號控制舵機旋轉，帶動攝像機工作，監視機器人工作狀態，如機器人上方的牽引柱子對漏斗口的正確定位。避障方面，使用超聲波檢測物體距離，根據音速實時算出四個方向上的障礙物距離，當某個方向上的測距值小于預設的避障有效距離值（有效距離值設定為20 cm），arduino單片機將通過串口通信（TX、RX）向運動控制卡發送避障指令，被運動控制卡的相關程序識別后，運動控制卡將輸出相應的脈沖信號和方向信號，控制機器人自動避開障礙物行走。

圖3 倉儲物流機器人移動平臺的結構及電路原理示意圖

3 電機選型計算

本文所設計的倉儲物流機器人移動平臺的車體本身重量m1=100 kg，最大負重m2=150 kg，最大移動速度v=0.5 m/s，驅動輪半徑r=152 mm。設最大加速度a=0.3 m/s2，取滑動摩擦系數μ=0.2，安全裕量k=2，機械傳動效率η=0.8，假設理想情況下，四個步進電機的機械特性曲線、功率曲線相同，小車正常工作時所需的總驅動功率為：

式中：F—合力；v—最大移動速度（m/s）；η—機械傳動效率。

本文采用四個步進電機進行驅動，但可能存在地面不平整的情況，所以假設為三個步進電機進行驅動，在考慮安全裕量的情況下，任意一個電機所需要的功率為：

P1=P/3×k

式中：k—安全裕量。

根據電機功率進一步計算電機轉矩[7]:

T=9 549×P1/n

式中：n—所需要的轉速。

所需最大轉矩，即摩擦力矩為：

Tm=fr=μ(m1+m2)gr

式中：f——靜摩檫力。

根據小車移動速度和驅動輪半徑，步進電機所需轉速為：n=60v/(2πr)

代入以上數據計算，得P=354 W，P1=236 W，n=600 r/min，T=3.8 N/m，Tm=37.24 N/m。根據以上計算，最終選擇型號為86HS11460A4JSC（1.8°6.0A）的步進電機。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2～3倍[8]，本文取靜力矩為3×Tm=111.72 N/m。計算減速比：3.8∶111.72=1∶29.4。

故本文選取與該步進電機配套的、且減速比1∶30的減速機。考慮到該電機頻繁動作，需要選擇運行平穩可靠的驅動器，因此選擇與該電機配套的高性能驅動器DM8060H。

圖4 樣機與測試環境圖

4 樣機組裝

按圖紙進行加工裝配，所得樣機如圖4所示。其主要技術指標如下：

（1） 最大外型尺寸：L800 mm×W780 mm×H200 mm， 自 重 100 kg，額定載重150 kg；

（2）最大行駛速度0.5 m/s，最大加速度0.3 m/s2；

（3）該移動平臺能夠實現前行、橫移、斜行、旋轉及其組合等運動方式，驅動方式為步進電機驅動；

（4）該移動平臺能實現零半徑轉彎；

（5）該移動平臺搬運貨架的方式是牽引式。

5 結語

本文所做工作與改進的效果如下：

（1）結合麥克納姆輪的技術原理，通過運動學分析，設計了一種倉儲物流機器人移動平臺，其靈活性高，具有全方位移動的優勢，相比現有的采用兩輪驅動、帶動萬向輪動作的倉儲物流機器人移動平臺，本移動平臺的搬運效率更高；

（2）從力學角度，對驅動該移動平臺的步進電機進行了選型計算，避免因錯誤選型而導致電機損壞、增加成本；

（3）設計了該小車搬運貨架的方式為牽引式，有效避免了托舉時出現推桿電機嚴重過載的現象，也有效避免了貨架與支撐板之間的面接觸可能產生的貨架滑移現象或貨架歪斜現象；

（4）設計了實用性強的輔助定位機構，可以有效提高牽引機構與貨架的定位的便捷度。

參考文獻：

［1］ Borenstein ， J.Control and Kinematic Design of Multi-Degree-of-Freedom Mobile Robots with Compliant Linkage ［J］.IEEE Transactionson Robotics and Auto?mation，2002，11（1）：21-35.

［2］張金玲，陳浩，張玄，等.一種智能物流車設計［J］.機械工程師，2016（07）：60-61.

［3］ Jefri Efendi Mohd Salih，Mohamed Rizon，Sazali Yaa?cob，et al.Designing Omni-Directional Mobile Robot with Mecanum Wheel［J］ .American Journal of Applied Sciences，2006，3（5）：1831-1835.

［4］ P.F.Muir， C.P.Neuman.Kinematic Modeling for Feed?back Control of an Omnidirectional Wheeled Mobile Robot［C］.Proceedings of the 1987 IEEE International Confer?ence On Robotics and Automation.New York， USA，1990：1772-1778.

［5］ J.PARK，K.SUDAE.Driving Control of Mobile Robot with Mecanum Wheel using Fuzzy Inference System［C］.International Conference on Control， Automation and Systems 2010Oct，2010，27（30）：2519-2523.

［6］顏艷.探究鋁合金材質在產品設計中的應用［D］.北京：北京理工大學，2015.

［7］羅成，黃海波，梅建偉，等.永磁同步電機3種速度調節方式的比較［J］.湖北汽車工業學院學報，2017（04）：71-74.

［8］唐治.機械零件反求建模測控平臺設計［D］.成都：西南交通大學，2007.