仓储物流机器人移动平台的设计*

肖猷坤，李荣泳，李沛辉，罗男生，罗鸿彬，劳振鹏

（东莞理工学院机械工程学院，广东东莞 523000）

0 前言

随着＂中国制造2025＂规划的提出，物流行业的运作效率、智能化程度越来越受到重视。传统的物流作业模式由于存在劳动力成本高、安全性较差、效率低等问题，已经无法满足物流行业快速发展的需求。为弥补传统模式的不足，需要设计出一种运行效率高、运行平稳的仓储物流机器人。调研发现，现有的仓储物流机器人大多采用两轮驱动、带动万向轮的动作模式[1]，采用托举或抬升机构。然而，该动作模式使得机器人的运行效率低，如机器人由原来的运动方向改变为往左或右运动，耗时相对较长；采用托举或抬升机构也有诸多问题：第一，对电动推杆的性能要求高，需要增加成本；第二，随着时间累积，货架的重压使得电动推杆的疲劳强度下降；第三，托举货架时，托举机构的支撑板与货架之间是面与面的接触方式，在搬运过程中会发生一定的滑移，导致货架摆放歪斜，还会在一定程度上限制机器人搬运货架的加、减速度。针对以上不足，本文提出一种仓储物流机器人移动平台的设计方案，并从运动学模型、三维模型和电机选型的角度阐述本方案的可行性。

1 建立移动平台的运动学方程

本文设计了基于麦克纳姆轮的全方位移动平台，能够实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式[2]。麦克纳姆轮是由瑞典工程师BengIlon于1973年发明的[3]，如图1所示，麦克纳姆轮由轮毂和安装在轮毂外缘上与轮毂轴线呈一定角度的无动力辊子组成，无动力辊子不仅可绕轮毂轴公转，也能在地面摩擦力作用下绕各自的支撑芯轴自转，公转与自转的合运动速度与轮毂轴有一定的夹角（通常情况下θ=45°）[4]。

图1 麦克纳姆轮结构示意图

本文所设计的物流机器人移动平台的简化模型如图2所示，图2中vir(1，2，3，4)∈R是接触地面自由辊的切向速度向量，viω(1，2，3，4)∈R是轮子的旋转速率，则viω=Rω×ωiω，其中Rω是轮子的半径，ωiω是自由辊的速率。

图2 全方位移动平台车轮配置图

建立方程式组：

联立方程式（1）～（4）和（5）～（8）得到以下方程式：

联立方程式（9）～（12）得到以下方程式：

式（13）-（15）中，θ1，θ2，θ3，θ4为四个轮子的速度，vx，vy，ωz为机器人的运行速度和旋转速度[5]。由方程式（13）～（15）可知在实际操作中通过控制 4 个轮子不同的θ1，θ2，θ3，θ4，可以获得机器人任意的运动速度和旋转角度，能够实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。以上的运动学模型分析，从理论上证实了本文所设计的仓储物流机器人移动平台具有全方位移动的优势。

2 机械结构设计及控制电路设计

本文所设计的仓储物流机器人移动平台如图3（a）、（b）所示，该平台是一种基于麦克纳姆轮的移动平台，使用步进电机进行驱动。利用铝合金具有质量轻、强度高、耐蚀性能好、成本低、易加工的优点[6]，选择铝合金作为车身的材料。为规避托举或抬升机构所导致的问题，本文在移动平台的中间位置设置了牵引机构，包括电动抬升杆、支撑板、牵引柱子，电动抬升杆动作时，带动支撑板和牵引柱子，实现牵引式搬运货架的效果，保证搬运的平稳性，有效降低错误率。如图3（c）所示，在货架的下方设置了与物流机器人相配套的辅助定位机构，是一种漏斗形的结构。本文把辅助定位机构设计为漏斗形，可以有效提高牵引机构与货架的定位的便捷度。

本文以四轴运动控制卡作为核心控制器、以Arduino单片机为辅助处理器，共同组成下位机。上位机由PC机和应用程序组成，PC机通过路由器网络连接运动控制卡，其中PC机主要负责信息流和数据流的管理，以及从运动控制卡读取数据，并经过计算后将控制指令发送给运动控制卡。驱动器的方向、脉冲信号脚连接至运动控制卡，驱动器接收到运动控制卡发出的脉冲信号，通过内部的PWM电路控制直流步进电机的运转，如此构成一个全方位移动的控制系统。该仓储物流机器人移动平台的控制系统的电路原理如图3（d）所示。

总系统的运行原理如下：PC机发送控制指令至运动控制卡，进而从运动控制卡的信号引脚输出低电平触发继电器，连接电动抬升杆的回路通电，电动抬升杆执行回降运动。机器人通过AGV传感器识别磁导线沿导轨运动，当运动到两直磁导线交叉处，RFID接收读取交叉处RFID卡片的信息，机器人根据传感器信息及上位机发送过来的目标仓库信息判断运动的方向，当机器人运动到磁导线末端时即为机器人所需到达的目标仓库位置；PC机将控制指令发给运动控制卡输出高电平触发继电器，连接电动抬升杆的回路通电，电动抬升杆执行上升运动。机器人通过机器人上方的牵引柱子从漏斗下方喇叭口插入，通过货架的重力作用和漏斗结构将两条牵引柱子引导到两个漏斗结构中央圆管位置；当牵引柱子的顶端与角码平齐时，从运动控制卡的信号引脚输出低电平响应继电器，回路断电，电动抬升杆停止工作，进一步地，运动控制卡往步进电机驱动器输出脉冲信号和方向信号，步进电机工作，机器人带动货架往下目标仓库移动。到达目标仓库后，再次从运动控制卡的信号引脚输出高电平触发继电器，连接电动抬升杆的回路通电，电动抬升杆执行回降运动，机器人上方的牵引柱子从漏斗下方离开，机器人完成取货工作，该过程中同时涉及由运动控制卡从串口（TX、RX）往Arduino单片机发送指令，输出脉冲信号控制舵机旋转，带动摄像机工作，监视机器人工作状态，如机器人上方的牵引柱子对漏斗口的正确定位。避障方面，使用超声波检测物体距离，根据音速实时算出四个方向上的障碍物距离，当某个方向上的测距值小于预设的避障有效距离值（有效距离值设定为20 cm），arduino单片机将通过串口通信（TX、RX）向运动控制卡发送避障指令，被运动控制卡的相关程序识别后，运动控制卡将输出相应的脉冲信号和方向信号，控制机器人自动避开障碍物行走。

图3 仓储物流机器人移动平台的结构及电路原理示意图

3 电机选型计算

本文所设计的仓储物流机器人移动平台的车体本身重量m1=100 kg，最大负重m2=150 kg，最大移动速度v=0.5 m/s，驱动轮半径r=152 mm。设最大加速度a=0.3 m/s2，取滑动摩擦系数μ=0.2，安全裕量k=2，机械传动效率η=0.8，假设理想情况下，四个步进电机的机械特性曲线、功率曲线相同，小车正常工作时所需的总驱动功率为：

式中：F—合力；v—最大移动速度（m/s）；η—机械传动效率。

本文采用四个步进电机进行驱动，但可能存在地面不平整的情况，所以假设为三个步进电机进行驱动，在考虑安全裕量的情况下，任意一个电机所需要的功率为：

P1=P/3×k

式中：k—安全裕量。

根据电机功率进一步计算电机转矩[7]:

T=9 549×P1/n

式中：n—所需要的转速。

所需最大转矩，即摩擦力矩为：

Tm=fr=μ(m1+m2)gr

式中：f——静摩檫力。

根据小车移动速度和驱动轮半径，步进电机所需转速为：n=60v/(2πr)

代入以上数据计算，得P=354 W，P1=236 W，n=600 r/min，T=3.8 N/m，Tm=37.24 N/m。根据以上计算，最终选择型号为86HS11460A4JSC（1.8°6.0A）的步进电机。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2～3倍[8]，本文取静力矩为3×Tm=111.72 N/m。计算减速比：3.8∶111.72=1∶29.4。

故本文选取与该步进电机配套的、且减速比1∶30的减速机。考虑到该电机频繁动作，需要选择运行平稳可靠的驱动器，因此选择与该电机配套的高性能驱动器DM8060H。

图4 样机与测试环境图

4 样机组装

按图纸进行加工装配，所得样机如图4所示。其主要技术指标如下：

（1） 最大外型尺寸：L800 mm×W780 mm×H200 mm， 自 重 100 kg，额定载重150 kg；

（2）最大行驶速度0.5 m/s，最大加速度0.3 m/s2；

（3）该移动平台能够实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，驱动方式为步进电机驱动；

（4）该移动平台能实现零半径转弯；

（5）该移动平台搬运货架的方式是牵引式。

5 结语

本文所做工作与改进的效果如下：

（1）结合麦克纳姆轮的技术原理，通过运动学分析，设计了一种仓储物流机器人移动平台，其灵活性高，具有全方位移动的优势，相比现有的采用两轮驱动、带动万向轮动作的仓储物流机器人移动平台，本移动平台的搬运效率更高；

（2）从力学角度，对驱动该移动平台的步进电机进行了选型计算，避免因错误选型而导致电机损坏、增加成本；

（3）设计了该小车搬运货架的方式为牵引式，有效避免了托举时出现推杆电机严重过载的现象，也有效避免了货架与支撑板之间的面接触可能产生的货架滑移现象或货架歪斜现象；

（4）设计了实用性强的辅助定位机构，可以有效提高牵引机构与货架的定位的便捷度。

参考文献：

［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］张金玲，陈浩，张玄，等.一种智能物流车设计［J］.机械工程师，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］颜艳.探究铝合金材质在产品设计中的应用［D］.北京：北京理工大学，2015.

［7］罗成，黄海波，梅建伟，等.永磁同步电机3种速度调节方式的比较［J］.湖北汽车工业学院学报，2017（04）：71-74.

［8］唐治.机械零件反求建模测控平台设计［D］.成都：西南交通大学，2007.