智能物料搬運機器人結構設計

張余龍 邱夏東 胡曉靖 田祖祎

【摘? 要】針對小型輕型物料搬運的市場需求，一款智能物料搬運機器人被設計出來。論文主要討論了其機械結構部分的設計，包括總體布局、底座、車輪及機械手等，并建立三維模型和物理樣機。樣機試行過程中，運行平穩，物料不易脫落，表明設計方案可行，可為物料搬運機器人的結構設計提供參考。

【Abstract】In view of the market demand of small and light material handling， an intelligent material handling robot is designed. The paper mainly discusses the design of its mechanical structure， including the overall layout， the base， the wheel and the manipulator， and establishes the three dimensional model and physical prototype. During the trial run of the prototype， the operation is stable and the materials are not easy to fall off， which shows that the design scheme is feasible and can provide reference for the structural design of material handling robot.

【關鍵詞】物料搬運機器人;麥克納姆輪;機械手

【Keywords】material handling robot; Mecanum wheel; manipulator

【中圖分類號】TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）08-0185-02

1 引言

智能搬運機器人是指以嵌入式為控制基礎，由電池提供能源，具備移動載物、自動導航、安全保護、路徑規劃等功能的無人搬運車[1]。智能搬運機器的設計與生產，集合了材料、機械、微處理器、智能算法等多個領域，涉及廣泛的科學技術應用[2]。隨著人類社會需求的發展，人力成本的上升，智能搬運機器人在日常的生活和工作領域起到越來越重要的作用。

在商業和物流活動中，小型和輕型的物料在數量方面占據的份額最大[3]。因此，搬運機器人的相關研究一直受到業界重視。首臺搬運機器人由Barret公司于20世紀50年代研制成功[4]。隨著伺服驅動技術的成熟和計算機的普及，促進了控制系統技術的進步，不同類型的搬運機器人開始出現在市場上。1968年誕生了首臺智能機器人，其具備自主感知和行為規劃等功能。21世紀，搬運機器人向專業化、智能化、集成化的方向發展。如圖1所示的MiR200機器人集成多重功能，最高負載可達200kg，并安裝定制不同模塊，如貨架、舉升裝置、傳送帶甚至是協作機器人手臂來實現不同任務需求，并且可以識別障礙，規劃路徑，實現自主安全運行。

國內搬運機器人的發展雖稍晚于國外，但產品及相關研究成果豐富。20世紀80年代，很多研究院所和高校開始研究搬運機器人，相繼研制出功能各異的搬運機器人。1991年，新松機器人公司和沈陽自動化研究所研發的搬運機器人系統用于汽車裝配線。2018年，米克力美成功研發了無軌導航搬運機器人DZ-80，應用于物流自動化搬運系統中，如圖2所示。總體而言，國外的搬運機器人研究起步早，技術成熟;國內搬運機器人產業也在蓬勃發展，潛力巨大，應用前景廣泛。

本文提出了一款智能物料搬運機器人，主要討論其機械結構部分的設計，主要包括底座、車輪、物料抓取機械手及總體布局等。

2 智能物料搬運機器人的主要零部件設計

2.1 底座

底座是搬運小車的主要支撐部件，為提高小車運行時的平穩性，需保證底座具有足夠的剛度，考慮到能效比，要求底座質量較小，故底座材料選用雙層形亞克力板，設計為長方形結構有利于小車多向運動的穩定性、空間足夠布置芯片、電路與機械抓手等其他零部件。底座設計簡圖如圖3所示。

2.2 車輪

控制物料搬運小車穩定運動的難點在于機械臂較長，在行駛過程中機械臂會一直抓取著物料，若地面有輕微的不平整或者小車的動作幅度較大，都易導致小車重心的變化，從而增大物料脫落的可能性。選用4個麥克納姆輪，可實現全方位的移動，能避免小車進行轉向、掉頭等大運作時發生傾倒。麥克納姆輪的三維模型與實物如圖4所示。

麥克納姆輪不同的安裝方式對小車的運動也有不同的影響，采用圖5所示的安裝方式，可以實現前后左右方向的平移，同時能使小車實現順時針與逆時針的旋轉運動。

麥克納姆輪工作時，通過四輪之間的速度差來改變小車的速度和行進方向，小車車身紅外傳感器反饋路徑信息，通過紅外傳感器的值可以確定小車車身在路線上的情況，再結合麥克納姆輪的運動學分析，計算小車各個輪胎的速度，控制小車循跡。當四個驅動輪同時向前或向后運動時，小車可實現向前或向后運動;當輪1和輪3向前運動，輪2和輪4向后運動時，小車向左平移;當輪1和輪3向后運動，輪2和輪4向前運動時，小車向右平移。

當小車沿著X軸平移時：V1=-VxV2=+VxV3=-VyV4=+Vy （1）

當小車沿著Y軸平移時：V1=VyV2=VyV3=VyV4=Vy? （2）

當小車做定軸旋轉運動時：V1=+ω（a+b）V2=-ω（a+b）V3=-ω（a+b）V4=+ω（a+b） （3）

式中：Vx：小車X軸方向移動速度，以X軸正方向為正;Vy：小車Y軸方向移動速度，以Y軸正方向為正;ω：小車沿幾何中心定軸旋轉角速度，以逆時針方向為正;V1：輪1轉速;V2：輪2轉速;V3：輪3轉速;V4：輪4轉速;a：底座長度;b：底座寬度。

2.3 抓取機械手

2.3.1 機械臂

機械臂是搬運小車的核心部位，通過機械臂的運動，小車可以在無需移動的情況下，抓取不同位置的物料。采用五軸關節型機械臂，機械臂各關節的運動均為轉動副，分別由五臺舵機控制，舵機之間由四個U形架連接整合。U形架為鏤空設計且其材質為鋁合金，在保證機械臂剛度的同時可以減輕機械臂重量，減少機械臂在運動時產生的轉動慣量，使小車在移動過程中更加平穩。U形架兩側增加一個滑動副，通過調整其相對位置而改變機械臂長度，使機械臂活動更加靈活，加大工作范圍。

2.3.2 機械爪

機械爪由機械手指、傳動裝置、驅動裝置組成，機械爪由一個舵機驅動，通過齒輪傳動控制機械手指張開和閉合，機械手指與齒輪為分體式結構，通過螺栓連接固定，便于依據物料形狀拆卸更換機械手指，使機械手指與物料緊密貼合，使抓取更加穩定。

3 物料搬運小車的總體布局

物料搬運小車的硬件部分，主要有機械爪、五個機械臂舵機、六只U形架、一個云臺與云臺舵機、四只麥克納姆輪、四個灰度傳感器、一個攝像頭以及主控面板與底座，其總體布局如圖6所示，物理樣機圖如圖7所示。物理樣機結構緊湊，運動平穩，在實際運行過程中，未發生物料脫落現象。

4 結語

本文對物料搬運小車的機械結構進行了分析，主要包括底座、車輪、物料抓取機械手及總體布局等。物理樣機可平穩實現直線運動、轉向、加減速等功能，表明設計方案可行。

【參考文獻】

【1】繆志強.? 自主移動機器人運動控制與協調方法研究[D].長沙：湖南大學，2016.

【2】孫智超.? 基于 ROS 的室內輪式自主運輸機器人解決方案[D].成都：西南交通大學，2017.

【3】段立峰.電子商務物流廢棄包裹對環境污染的影響研究[J].環境科學與管理，2020，45（09）：94-98.

【4】 Townsend， William. The Barrett Hand grasper-programmable flexible part handling and assembly[J]. Industrial Robot An International Journal，2000，27（3）：181-188.