一種重載移載機(jī)器人的設(shè)計開發(fā)

陳成華

一種重載移載機(jī)器人的設(shè)計開發(fā)

陳成華

（廈門航天思爾特機(jī)器人系統(tǒng)股份公司，福建 廈門 361021）

針對現(xiàn)有移載式機(jī)器人載重方面的問題，設(shè)計一種重載移載機(jī)器人，能夠高效、準(zhǔn)確、靈活完成物料搬運(yùn)，滿足現(xiàn)代物流對于長距離大負(fù)載的需求。該機(jī)器人基于現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接，運(yùn)用人工智能進(jìn)行管理運(yùn)行和統(tǒng)一調(diào)度。介紹了該設(shè)計原理及系統(tǒng)構(gòu)成情況，不僅能提高工作效率，還能提升智能化水平，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

重載移載機(jī)器人；系統(tǒng)設(shè)計；性能；應(yīng)用效果

當(dāng)前中國正在實(shí)施“中國制造2025”戰(zhàn)略，以實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的工業(yè)化和智能化。在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域，對于移載機(jī)器人，特別是重型裝備行業(yè)在轉(zhuǎn)型生產(chǎn)方面對重型移載機(jī)器人有迫切的需求。目前市場上常見的移載式機(jī)器人主要有AGV（即自動導(dǎo)航搬運(yùn)車）小車，該車是由舵輪驅(qū)動，在重載貨物環(huán)境下存在一些問題，比如啟動時由于負(fù)載大并且舵輪摩擦地面導(dǎo)致啟動扭矩很大、在重載情況下舵輪磨損大以及使用雙舵輪驅(qū)動存在地面不平整時會有驅(qū)動打滑等情況。而6軸式機(jī)器人也存在負(fù)載低，工作范圍有限等問題，不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)對物流系統(tǒng)長距離大負(fù)載的要求。因此，設(shè)計開發(fā)一款重載移載機(jī)器人對于解決目前工業(yè)生產(chǎn)重載不足問題有著重要意義。

1 重載移載機(jī)器人的設(shè)計

1.1 工作原理

該重載移載機(jī)器人運(yùn)行原理主要是，通過四組浮動式麥克納姆輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動重載移載機(jī)器人做全方位運(yùn)動，萬向腳輪也起到支撐小車及物料質(zhì)量的作用。車身為鋼結(jié)構(gòu)件，主要提供支架系統(tǒng)和工件的承載。升降機(jī)構(gòu)采用液壓升降機(jī)構(gòu)能夠承載30 t的負(fù)載，升降行程400 mm，通過升降實(shí)現(xiàn)工件的取放。

1.2 重載移載機(jī)器人結(jié)構(gòu)構(gòu)成

本設(shè)計是一種重載移載機(jī)器人，專門用于工業(yè)貨物運(yùn)輸。該機(jī)器人由承載機(jī)構(gòu)（車架、升降機(jī)構(gòu)、工作臺）、驅(qū)動機(jī)構(gòu)（4組麥克納姆輪伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)）、安全保護(hù)裝置（非接觸和接觸雙重保護(hù)）、供電系統(tǒng)（電池、智能充電裝置）、引導(dǎo)系統(tǒng)（磁導(dǎo)航裝置、導(dǎo)航磁條、地標(biāo)）、電氣控制（PLC控制）、鈑金外罩等組成。主要結(jié)構(gòu)部件是麥克納姆輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)，具體如圖1和圖2所示。

1.3 性能特點(diǎn)

1.3.1 載重能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣

該重載移載機(jī)器人負(fù)載能力大，最大可達(dá)30 t，而普通6軸機(jī)器人負(fù)載能力一般不超過1 t，而且工作半徑小。適用于建筑行業(yè)、石油裝備行業(yè)、工程機(jī)械行業(yè)、食品行業(yè)及重工行業(yè)等。

1—麥克納姆輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)；2—車架；3—三色警示燈；4—充電接觸板；5—液壓升降機(jī)構(gòu)；6—導(dǎo)向機(jī)構(gòu)； 7—工作臺；8—安全感應(yīng)裝置；9—外罩。

10—萬向腳輪；11—蓄電池；12—液壓站；13—RFID地標(biāo)傳感器；14—控制柜；15—磁導(dǎo)航傳感器。

1.3.2 全方位驅(qū)動，智能化高

該重載移載機(jī)器人采用全方位驅(qū)動方式，具有可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、側(cè)移、旋轉(zhuǎn)等全方位行走，以及將物料自動輸送到生產(chǎn)線中的各個工位等優(yōu)點(diǎn)。

1.3.3 工作高效，全自動運(yùn)行

該重載移載機(jī)器人可以高效、準(zhǔn)確、靈活地完成物料的搬運(yùn)任務(wù)，并且可由多臺組成柔性的物流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物流自動化，配合6軸機(jī)器人完成生產(chǎn)線自動生產(chǎn)，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率和降低成本的目的。

2 靜力學(xué)特征分析

在設(shè)計研發(fā)機(jī)器人階段，對其進(jìn)行靜力學(xué)分析是必不可少的步驟。通過靜力學(xué)分析，可以得到機(jī)器人在外力（力矩）作用下的應(yīng)力、應(yīng)變及位移分布，根據(jù)分析結(jié)果能夠清楚地了解設(shè)計中存在的缺陷及結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，并據(jù)此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。本文借助機(jī)械仿真設(shè)計軟件Autodesk Inventor 工具，對該重載移載機(jī)器人的主要構(gòu)件和整機(jī)典型位姿進(jìn)行了靜力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果對部分零件機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到了整機(jī)在最大載荷情況下工作空間內(nèi)的靜剛度分布特性，并進(jìn)一步優(yōu)化，最終達(dá)到提高其整機(jī)剛度、位置精度和動力學(xué)性能的目的。

本文對重載移載機(jī)器人主要構(gòu)件和整機(jī)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，并根據(jù)結(jié)果做出結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到如下結(jié)論：可顯著提高其靜剛度；機(jī)器人的靜剛度隨其在工作空間內(nèi)的不同位姿而發(fā)生變化，在最遠(yuǎn)端附近靜剛度最小，最近端附近靜剛度最大；綜合考慮節(jié)省材料和重載移載機(jī)器人末端位移最小。

3 子系統(tǒng)設(shè)計分析

3.1 控制系統(tǒng)

重載移載機(jī)器人控制系統(tǒng)包括車載控制器和中央控制器兩部分，兩部分之間通過通訊系統(tǒng)通訊。中央控制器負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、路徑規(guī)劃和交通控制。車載控制器負(fù)責(zé)完成移載機(jī)器人的任務(wù)執(zhí)行、運(yùn)動、導(dǎo)航、傳感器、充電、安全等方面的控制。

3.2 導(dǎo)引系統(tǒng)

車架底部的磁導(dǎo)航傳感器檢測貼在地面的磁條，使其沿著磁條行駛。磁導(dǎo)航傳感器采用多路采樣點(diǎn)輸出，當(dāng)采樣點(diǎn)的位置出現(xiàn)偏移會自動作出調(diào)整，確保沿導(dǎo)航磁條前行。定位精度約±10 mm。機(jī)器人底部的RFID地標(biāo)傳感器識別鋪設(shè)在地面的地標(biāo)信息，可以獲取當(dāng)前機(jī)器人的位置坐標(biāo)，同時根據(jù)程序指令實(shí)施啟動、停止、拐彎等動作。

3.3 安全系統(tǒng)

安全感應(yīng)裝置實(shí)時檢測前方是否有障礙物，起到防撞作用。移載機(jī)器人采用雙重安全保護(hù)，障礙物接觸到接觸式傳感器時，機(jī)器人立即停止。

3.4 供電系統(tǒng)

蓄電池為重載移載機(jī)器人提供動力源，當(dāng)電量低于設(shè)定值，小車自動行走至充電區(qū)域，由智能充電站給蓄電池在線充電。

4 應(yīng)用效果分析

新開發(fā)的重載移載機(jī)器人運(yùn)用于工廠的貨物運(yùn)輸后，在增加載重、節(jié)約成本、靈活運(yùn)用等方面取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，提高了工作效率。

減少相應(yīng)的設(shè)備投資，降低成本。每套新設(shè)計的重載移載機(jī)器人造成本約100萬，載重量30 t。而同規(guī)格的沈陽新松品牌的重載AGV小車普通移載機(jī)器人在市場上每套則約150萬元，載重30 t。該項目使用的5套直接為公司節(jié)省設(shè)備采購成本250萬元。

改善了工人勞動強(qiáng)度與操作環(huán)境。新設(shè)計的重載移載機(jī)器人實(shí)現(xiàn)整線各個工位物料的自動運(yùn)載，降低人員的參與程度，改善了工人勞動強(qiáng)度和操作環(huán)境。

降低了人工成本，緩解招工難的問題。高度自動化智能化的重載移載機(jī)器人，全過程實(shí)現(xiàn)自動工作，大大減少了工作人員，而且載重大、距離遠(yuǎn)，提高了效率，降低了成本。

優(yōu)化現(xiàn)場物流管理，減少了占地面積和運(yùn)轉(zhuǎn)料框，緩解生產(chǎn)車間場地緊張問題，使焊接物流順暢，生產(chǎn)工位件價值流明確化，提高生產(chǎn)管理水平。

響應(yīng)公司向工業(yè)自動化方向推進(jìn)的號召，提高公司產(chǎn)品工藝水平和質(zhì)量，提高公司產(chǎn)品核心競爭力，最終提升企業(yè)技術(shù)水平。

5 結(jié)語

重載移載機(jī)器人應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)后取得了預(yù)期的效果，大大提升了生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量，提高了工作效率，而且長距離的運(yùn)輸有助于降低成本。技術(shù)開發(fā)工作也促進(jìn)了公司自主研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，推動公司生產(chǎn)自動化智能化水平的提高。當(dāng)前工業(yè)科技巡視發(fā)展，智能機(jī)器人廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，需要進(jìn)一步提高生產(chǎn)的自動化，逐步替代有安全風(fēng)險且重復(fù)簡單的人工，從而提升企業(yè)勞動生產(chǎn)率，降低工作風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)企業(yè)發(fā)展與效益雙提升。

［1］楊瑋，曹巨江.弧面凸輪機(jī)械手腰身運(yùn)動傳動裝置的研制與開發(fā)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008（4）：114-116.

［2］陸地，任龍，王勝.按壓檢測機(jī)械手的設(shè)計及研究［J］.制造業(yè)自動化，2016，38（1）：42-45.

2095－6835（2020）20－0098－02

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.042

陳成華（1982—），男，福建建甌人，本科，中級職稱，研究方向為AGV自動移載小車。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕