KIVA機器人解析

文/ Ben Einstein 編譯/ 石義民

當前，在無人機備受關注的同時，為倉庫配送中心提供動力的機器人系統更加引人注目。在地面運行的數以萬計的移動機器人已經投入運營，并正在運送包裹。這些系統最初是由位于波士頓的Kiva Systems公司構建的。筆者找到一臺老版本的Kiva機器人，打開它明亮的橙色外殼，展示內部絕妙的工程設計。本文分享了Kiva辛勤工作的成果。

亞馬遜倉庫中使用的Kiva機器人

一、背景

在類似亞馬遜和Staples這樣的大型電商公司配送中心內部，每天有大批人員步行數英里，將商品從貨架上撿出來并放在盒子里。該過程費用高、效率低下并且容易出錯。在Kiva出現之前，最先進的便捷工具是自行車。

在Webvan公司任職一段時間后，Kiva的創始人Mick Mountz意識到：如果可以將貨架移動到人面前，而不是人移動到貨架，那么揀貨效率將大大提高。Mick于2003年與Pete Wurman和Raあaello D'Andrea合作，創立了 Kiva Systems公司，從根本上改變了人和物品在倉庫中的移動方式。

Ki v a 開發的系統包含5 個關鍵部分：

（1）可移動且非常靈活的定制版Kiva貨架；

（2）地板上鋪設的二維碼網格；

（3）配有秤、激光和傳感器的智能包裝站；

（4）可迅速將貨架提升并在地板上移動的橙色機器人；

（5）最重要的部分：將所有硬件連接在一起的復雜而強大的軟件系統。

盡管所有這些都是令人驚嘆的，并且對于系統正常運行必不可少，但本文著重介紹在倉庫地板上運行的橙色機器人。

老版本KIVA機器人

圖1 托舉鑄件背面、鑄件局部

圖2 前殼內部紅外傳感器組、后殼頂部視圖

圖3 KIVA注塑罩殼

圖4 管式碰撞傳感器、紅外傳感器

二、構造與機構

原則上，Kiva 機器人非常簡單。它每隔40英寸就會讀取地板上鋪設的QR或Datamatrix二維碼，并從其大腦的云中接收行動指令。機器人到達貨架后，運用巧妙的舉升機構，自身旋轉以舉起一個滾珠絲杠機構，將貨架從地面抬起。

圖5 舉升驅動裝置俯視圖、升降電機減速器、舉升裝置中心視圖

圖6 機器人底部、定制的Kiva鑄造車輪

圖7 車體懸架、車體鑄造件、鑄件局部

圖8 U形銷連接、鑄造散熱片結構

機器人看起來很簡單，但需要考慮以下問題：貨架可以重達一千磅（注：1000磅=453.6千克），配送中心有幾萬個貨架，幾百個機器人和幾十個包裝站。一次微小的碰撞或貨架跌落可能造成數千美元的損失。這可不是玩具機器人。

機器人外殼的每一側都有一組紅外傳感器和一個用于檢測和避免碰撞的氣壓避障裝置。還有一個充電口（Kiva能自動停靠并自主充電）和一系列LED狀態指示燈。另外一個主要部分是可以將貨架抬離地面X形升降機構。

機器人有三個獨立的運動部分：兩個驅動輪和一個用于貨架舉升的馬達。舉升馬達旋轉的同時，兩個驅動輪都反向旋轉，因此在機器人旋轉時，升降機構和貨架顯得靜止。這樣減少了驅動組件的數量，并避免了復雜的液壓或剪式舉升機構。

升降機的頂部是一個大型鋁鑄件（圖1），同時，機器人的主要大型結構部件都是鑄鋁材質的。所有鑄件由319通用合金制成。每個零件都經過一系列鑄造之后的精加工，比如精加工面和螺紋孔。類似的工藝在汽車發動機缸體，液壓執行器等許多高質量的鋁制零件上常常會被采用。

每個紅外傳感器都內置濾波器邏輯，并通過串行總線進行通信。從圖2上，可以看到無線控制模塊以及舉升馬達和大齒輪。在機器人的后部，有四個鉛酸電池和大電流電線。

前后兩個罩殼均由ABS真空注塑成型（圖3）。用于制造這些零件的真空成型機和CNC設備都非常大。這部分非常復雜并且價格昂貴。

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機器人前后面為曲面，在整個曲面上研制全長的碰撞傳感器難度極大，Kiva工程師提出了一種簡單的，具有成本效益的解決方案。他們利用乙烯管/橡膠管連接簡單的壓力傳感器（圖4），一旦檢測到壓力變化，機器人就會停止所有運動。右圖中的黑色部件用于接收壓力數據，并連接所有的紅外傳感器，然后整體連接至主控制器。

舉升機構采用定制的滾珠絲杠，這是最復雜、最昂貴的組件，滾珠絲杠外部與標準的尼龍小齒輪和驅動電機連接（圖5）。電機由Pittman（Ametek）制造，具有27 in-lbs的扭矩和近1Kw的失速功率。直角雙向減速機由日本Brother制造，可在72rpm的轉速下以25：1的減速比處理407 in-lbs的扭矩。這款電機和減速機的組合單價約為1000美元（批量可能更低）。

卸下升降器和電子設備后，可以將機器人翻轉過來，以更好地查看傳動系統（圖5，主邏輯板隱藏在鋼板面板下方）。背面有相同的兩個電動機和變速箱，定制的鑄造Kiva車輪（圖6），可能是為了保證在混凝土地板上具有極高的耐久性。兩端是兩對雙輪式360度旋轉腳輪。這樣的傳動系統支持原地回轉。

主體部分由三個鑄鋁部件組成（圖7），它們通過簡單的U型夾銷連接在一起，從而實現了簡單、被動的雙重懸架運動。它們都采用319鋁合金材質，并且在鑄造后進行了機械加工。隨著產量的增加，Kiva的工程師可能會轉向使用帶有鋼具的低壓鋁模具成型。注意右下方前鑄件頂部的散熱片（圖8）：電機控制器的大型晶體管靠在這些散熱片的背面，以實現最大的散熱效率，這是個很精巧的設計。

圖9 電池連接、充電口、充電口局部

圖10 頂部攝像頭、底部攝像頭

圖11 主邏輯板連接器、卸下的主邏輯板、通信模塊和天線

圖12 舉升滾珠絲杠側視圖、局部視圖

三、電子元件

即使Kiva機器人自身幾乎沒有決策權（它的動作都由云中的服務器控制），但機器人在舉升和控制數千磅商品的過程中需要一些非常正式的電子設備。

該系統由四個串聯的12v，28Ah鉛酸電池供電（48v DC，見圖9）。其中兩個電池還在支架下方安裝了定制的熱感應器，以確保它們不會過熱。當電量不足時，機器人會脫機返回充電站充電。充電端口的設計允許在接口配合過程中的較大偏移。

Kiva系統的主要組成之一是裝在升降機構內部的雙攝像頭成像模塊。一個攝像頭向下掃描地面，識別倉庫地板上的二維碼。另一個攝像頭向上掃描貨架底部。每個攝像頭有6個嵌入的紅色LED燈提供照明，像機器人的其余部分一樣，所有部件都是定制的（圖10）。圖像處理板在兩個成像器之間，上面裝有ADI ADSP-BF548 多媒體處理器，該處理器通過高速串行進行二維碼檢測并傳遞結果。

主邏輯板將所有部件連在一起（圖11）。電機控制電路由48V電池供電，獨立的電源濾波軌為邏輯/通信/ CPU供電。三相無刷電機的驅動器是完全定制的，由隱藏在子板下方的Lattice LFXP6C FPGA控制芯片驅動。這三個驅動器電路都各有一個電流傳感器、6個全橋配置的大電流FET（通過車體結構冷卻）、電機旋轉編碼器的輸入以及大型的4針連接器。

子板通過協調無線模塊、成像單元、急停、紅外/壓力傳感器、電源管理和電機驅動器來匯總系統功能。該MCU是32位飛思卡爾MPC5123，具有400MHz時鐘，可能運行PowerPC Linux（在裸機上）。這兩個以太網端口連接到無線模塊和固件閃爍/外部硬線連接，但是它們由Mircel KSZ8993切換。

整個機器人上唯一現成的電路是通信模塊：Soekris Engineering Net4526路由器，該路由器具有雙天線配置的單個Winstron NeWeb CM9無線模塊，并通過以太網連接到主邏輯板。

四、奇妙的舉升部件

這一代Kiva機器人有許多引人入勝且執行出色的方面，其中一個突出的部分是舉升機構（圖12）。這部分機構承擔了Kiva繁重的舉升任務。它必須能夠支撐一千磅的負載，同時要求升降的時候完全平行于地面，滾珠絲杠可以完美的滿足這樣的要求。大多數滾珠絲杠的直徑為1英寸或2英寸，而這里采用的直徑為11英寸（注：11英寸=279mm），并且是空心的。

滾珠絲杠的內外殼體是鋁合金材質，并且像底盤的主要部件一樣，在制造過程中需要進行幾次輔助機械加工。這兩部分都涂有特氟龍浸漬的陽極氧化膜，這種處理方式很少見，但是在提供潤滑性和防銹性方面做得很好。內圈（“滾珠螺母”）裝有一個注塑成型的滾珠返回機構，該機構可以回收尼龍/聚甲醛滾珠。在實際的旋轉提升過程中，外圈（“螺釘”）與內側的滾珠軸承以及外側的小齒輪接合。

由于結構的復雜性，難以準確估算舉升機構的成本，根據零件尺寸、后處理、涂層、耐用性的要求和非凡的裝配工藝，筆者估計價格在1000美元左右。

五、結論

誠然，本文介紹的內容，是整體解決方案中的一小部分，不過是非常重要的一部分。

在硬件初創領域，我們花大量時間思考和討論日常生活中的消費機器人，如可以烹飪食物、安排會議時間、給地板打掃衛生的機器人等。不過目前來看，像Kiva這樣的機器人已經對我們的日常生活產生了更大的影響。隨著電子商務的不斷發展，Kiva這樣的技術將成為改變倉庫和配送中心的驅動力，而這對于滿足我們的突破性愿望至關重要。Kiva是為數不多的幾家將復雜的硬件和軟件巧妙地集成到一個無縫解決方案中的公司之一，并且該公司構建了一個可以顯著改變我們購買、銷售和生活方式的系統。