重物搬运装置

◎宋雨诗 王元泽 王辉 严杉 刘青

前言

在半世纪以前，货物的运输过程就是人力装车，道路运输，然后人力卸货。人们在平时的汽车货物装卸动作中，效率低，易损坏货物，以及在货物运输过程中，货物的摇晃、碰撞等等对货物造成损伤，造成大量的经济损失，对于运输行业来说，装卸货物增加了人力成本，在生产线进行自动化升级的过程中，运输环节急需跟上自动化的步伐，进行有效升级。本项目实现了车载货物自动装卸，具体来说是一种货物的装卸保护装置，人们在平时的汽车货物装卸动作中，效率较低，易损坏货物，以及在货物运输过程中，货物的摇晃、碰撞等等对货物造成损伤，本项目致力于解决这些问题，在提高效率节省人力的同时，为货物提供了更好的保护，同时具有良好的适应性，可以装卸不同的货物，考虑到现有的货车结构，本项目可以方便的加载于现有汽车上，与运输行业相结合，大大的提高货运效率。

根据当今智能搬运装置辅助设备研究现状，分析国内外重物搬运设备存在人机交互性差和传感检测装置结构复杂、安装精度要求高等问题，确定一种具有无操作手柄、传感检测装置结构简单、人机交互更强等特点的重物搬运装置设计方案。本论文设计重物搬运装置的机械结构，并建立数学模型，对系统物料搬运过程中存在的物料摆动问题进行研究。通过对重物搬运系统进行运动学和动力学仿真，分析仿真结果确定重物防摆动控制方法。通过多次实验确定重物搬运系统的参数，实现样机对重物搬运、定位等功能。

一、研究背景及意义

近年来，随着科技水平的提高，机器人技术在现代化、自动化工厂中被广泛的应用，代替工人从事体力繁重、重复、枯燥乏味、环境条件差的工作。机器人的出现很大程度上解放了生产力，但越来越冲击着传统制造业。以前对重物搬运装置，主要依靠工人徒手完成。长时间重复搬运大于10kg 的物料，不仅会使工人身心俱疲、精神饱受摧残，而且容易发生碰伤。随着物料越来越重、体积越来越大，原始的徒手搬运方式不能满足时代需求，因此助力搬运设备应运而生。在工厂车间，起重搬运的机械设备应用广泛，如天车、弹簧平衡器、电动葫芦等，这些设备的研制极大便利了我们的生产生活，但逐渐突显现出诸多不足之处。传统机器人体积大、缺少调速单元和传感检测保护装置，工作时速度快、灵活性差，所以不允许操作工人靠近机器人作业空间。在搬运大型零部件进行装配定位等工作时，由于受到机器人功能的限制，所以传统搬运设备只能完成一部分工作，剩下的工作只能靠工人来完成，这就导致了生产效率低、安全性差、定位不理想、可操作性不强等一系列问题。传统的重物搬运设备在人机工程学安全性方面具有积极的影响，具有搬运物料的功能，但它缺少控制器单元，操作过程较为复杂，并且需要较大的操作力。为了提高传统搬运设备性能，解决操作不方便、人机交互性不强、定位精度差、生产效率低等问题，在过去的几十年一些发达国家，如德国、美国、意大利、韩国等国家在重物搬运领域进行了研究，并取得了具有实用价值的研究成果，这些成果可以统称为智能辅助设备IAD（Intelligent Assist Device）。智能辅助设备在传统物料搬运设备的基础上增加了智能传感检测装置，在控制器的协调管理下，控制机械装置为操作工人提供相应的辅助工作，将物料搬运至指定地点。智能辅助设备具有适用范围广、操作方便、运动精准、安全稳定等特点，被广泛应用在现代工厂中。智能辅助设备不仅能够对重物进行搬运，还能将重物定位在空间任意位置。在工厂生产线上需要搬运物体时，尤其是搬运体积大、质量重的物体都可以使用。在生产线的整个生产环节，智能辅助设备都发挥着重要作用，其优良的性能备受瞩目。

二、国外研究现状

在国外，智能辅助设备最早被应用在汽车流水线上，用于解决汽车生产流水线上生产效率低、操作工人劳累以及安全性差等问题。在美国、意大利、德国、韩国等国的智能辅助设备生产厂商中，以美国的Stanley 公司最为著名，一直致力于智能辅助设备技术的研究。这种助力设备操作非常简便，只需操作工人用手对重物施加外力，助力设备上的传感检测装置检测到信号变化，并将信号传送给处理器。处理器接收并分析处理信号，将处理后的信号经控制算法运算，输出可控制电机运转的控制信号，并将控制信号发送至智能辅助设备机械结构系统。当辅助设备接收到驱动信号后，机械结构部分按照控制信号运动，同时将运动信息反馈给处理器，以便处理器对整体进行控制。

基于上述这一原理，Stanley 公司设计的智能助力设备，主要由竖直升降装置、传感检测装置、二维水平随动装置等几部分组成。二维随动装置主要由正交的导轨组成，每根导轨上各安装一台伺服驱动电机，为随动小车在水平

方向移动提供动力。非接触式角度传感器安装在升降装置内部，用于检测绳索倾角，以便控制器分析判断操作工人的操作意图和重物运动趋势。当角度传感器将绳索角度信息传入控制器，控制器分析处理角度信息后发出命令，控制安装在导轨上的电机，实现随动小车在导轨上运动。微操作力装置安装在绳索上，用于检测重物在竖直方向的拉力信息。控制器接收并分析拉力信息后，通过控制算法输出控制信号，将控制信号发送给竖直升降装置，实现在竖直方向上提升或下降重物的目的。操作人员在水平方向或竖直方向上拖拽重物，就能实现轻松搬运重物的功能。

研究智能辅助设备的其他公司，如意大利的Tecno Matic公司、美国的IngersollRand 公司、意大利的Liftronic 公司等，这些公司开发了多款智能辅助设备产品。这些产品根据驱动方式的不同，可将IAD 驱动方式分为液压、气动和电动驱动。

总体来说，国外的智能辅助设备技术相对成熟，但一些辅助设备存在不足之处。操作人员使用具有操控手柄的助力设备时，需要手握操控手柄，但这样会限制工人的操控空间范围。当搬运一些体积较大的物料时，物料会遮挡操作工人的视线，容易发生磕碰和危险。对于那些没有操作手柄的助力设备，人机交互性差。操作人员无法改变助力设备参数以适合不同工作的需求。一些智能辅助设备的传感器直接串接在绳索上，导致起停重物时的冲击、机械振动等容易对传感器造成破坏。除此之外，为传感器提供电源和输出信号的弹簧线，可能缠绕在障碍物上存在安全隐患。

三、国内研究现状

我国工业起步较晚，发展相对落后。工厂中传统的重物搬运辅助设备存在的问题越来越突出，不能很好的满足现代化工厂生产需求。智能辅助设备的各方面的优势日益突出，但国外智能辅助设备价格昂贵。国内在2000 年以后开始进行研究智能辅助技术，像哈尔滨工程大学、长沙理工大学、哈尔滨理工大学、南昌大学等科研院校的科研团队、学者和一些自动化企业单位相继对智能辅助技术进行研究，并取得了一些研究成果。在2005 年，哈尔滨工程大学成功研制出一种新型关节式智能辅助设备样机，这款样机具有人机合作强、运动精度高、提升能力大等特点，这种人机合作智能辅助设备具有三个回转自由度和一个移动自由度，能实现对物料的提升、下降、水平搬运及定位等功能。

在国外技术封锁、国内工厂急需先进智能辅助设备的背景下，国内一些高校和研究机构，还有许多机械制造的企业研发助力设备。北京远藤科技，厦门大科机械、香港富井机器人，上海海文自动化，江苏昱博自动化设备等多个公司都在拓展自己的市场。在辅助设备的平面运动系统方面，国内的很多制造业厂家进行了卓有成效的研究。海康机器人公司应用人工智能、图像识别等技术助力智慧物流领域。吴中迪迦机电设备公司研制开发平面运动机构，助力物料搬运领域。在工业生产线上使用较多的平面运动直角坐标系机器人。

江苏昱博设备有限公司，是一家主要研制智能装备的高新技术企业。该公司研发和生产制造了各类助力机械手、非标自动化等助力设备。该公司研发多种辅助设备，如翻转助力机器人、真空搬运机器人、立柱式多关节型机器人、软索伺服助力机器人、伺服气动助力机器人等。这些助力设备应用力的平衡原理，实现了工人只需要用手拖拽重物或操控手柄，就可以把重物轻松的搬运至空间中任何位置的功能。国内还有许多其他研发智能助力机械手的公司。

综上所述，我国对智能辅助设备技术的研究取得了一些成果，但目前国内科研院所研制的先进辅助设备与国外的还有差距。许多研究成果只是对关键技术与实验样机研究，只能用于演示和实验。并且价格昂贵、结构复杂不易维护，与推广应用到实际工厂中去还有一段距离。而企业单位研制的一些辅助设备存在人机交互性不强的不足，大多仅限于用操作手柄来控制物料的上下运动。通过机械臂关节或滑轨在工人施加手推力下，实现对物料在水平方向上运动。部分辅助设备在悬浮模式下，能实现用手推拉工件使其在竖直方向上的运动的功能。本项目打算在运输货物方面加入智能辅助系统，致力于在提高效率节省人力的同时，为货物提供了更好的保护，同时具有良好的适应性，可以装卸不同的货物，考虑到现有的货车结构，可以方便的加载于现有汽车上，与运输行业相结合，大大的提高货运效率。

四、装置的功能需求

对于当前的运输行业来说，装卸货物增加了大量的人力成本，在平时的汽车货物装卸动作中，效率较低，并且易损坏货物，在生产线进行自动化升级过程中，运输环节急需跟上自动化的步伐，针对现有技术的不足，提供一种重物搬运装置，该装置结构简单，可以加载于现有的汽车之上，来实现车载货物的自动装卸，解决货物运输过程中的摇晃碰撞对货物造成的损伤，在节省人力的同时，为货物提供了更好的保护，避免了人工失误产生的危险。

基于以上的要求，我们设计了一种由动力部分、传动部分、控制部分和工作部分四部分组成的重物搬运装置。动力部分包括电机组作为动力输出，控制部分完成对电机组的控制，包括电机的通断、正转反转。传动部分将电机的输出由高转速低力矩转为低转速大力矩，使电机能提升更大的重量。工作部分应包括货物的滑动机构、提升机构和保护机构，分别实现货柜的滑动，货物的提升以及缓震保护功能。最终目标是实现功能、优化结构后的设备能够方便的组装于现有的货运车上，优化货物运输过程。

五、装置的结构设计

重物搬运装置，主要由外罩壳、移动架、电机柜、吊带和驱动系统五部分组成。

1.外罩壳：在运输过程中保护发电机，应为一侧开口的箱体结构，外罩壳内设置有限位结构，外罩壳的上端应设置有抽屉导轨，移动架安装于所述抽屉导轨上，可沿抽屉导轨内外滑动，移动架的下方安装有电机柜；

2.移动架：通过电机带动，沿导轨运动和收放吊带实现发电机的滑出和升降；

3.电机柜：限制被提升货物的位置；

4.吊带：应设置于移动架的下方与吊带绕轮相连接，用于提升货物，以及货物缓震；

5.驱动系统：驱动系统应包括传动机构、电动系统和手动系统。实现双系统并行控制，提高系统可靠性。

重物搬运装置的结构图如下图所示。

六、结论

论文是在相关智能辅助设备技术研究的基础上，结合当今实际运输行业中重物搬运设备存在的一些问题和智能辅助装置技术发展现状，设计了一种人机交互更强、操作简便的智能辅助车载运输设备。论文吸收和借鉴了相关研究成果，针对其中存在的问题进行了改进，设计了重物搬运装置的动力部分、传动部分、控制部分和工作部分，验证了重物搬运总，装置的可行性。

通过采用全新的技术方案，考虑到系统的扩展性，新型的重物搬运装置能够方便地加载于现有的货运汽车上，利用创新机械结构设计，最大化传动效率，提升扭矩，节约耗能的同时能够装卸更重的货物，提高了货物搬运的效率，大量地节约了人力成本，避免了人工失误所产生的危险。该装置有电机和手动两种动力选择，增加了装置的可靠程度，并且增加了安全装置，防止因为重力使提升机反转产生危险。