PAGE30PAGE30智能倉儲機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析摘要在人工智能、5G、VR、AR、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等時代的高新技術(shù)交叉發(fā)展之下，物流這個領(lǐng)域正不斷地向著越來越智能化邁進。倉儲系統(tǒng)作為中轉(zhuǎn)暫放的基礎(chǔ)性作用，是現(xiàn)代物流系統(tǒng)中最為重要的一個環(huán)節(jié)，而若把這種智能化技術(shù)充分應用到倉儲以及物料的輸送工作中，就可以很好地改善和提高物流的運行工作效率。其中智能倉儲機器人的廣泛應用就已經(jīng)大大改善和提高了倉庫中貨物的流通效率，但傳統(tǒng)的智能倉儲機器人由于分類繁多、自由度少且不夠靈活，導致貨物周轉(zhuǎn)效率低下，成本升高，所以現(xiàn)在亟待研發(fā)一款新型的智能倉儲機器人解決現(xiàn)有的問題。本文分析了現(xiàn)有的倉儲機器人的結(jié)構(gòu)與應用，以一種常見的多層倉儲貨架為研究對象，預設(shè)計一款新型智能倉儲機器人。此款機器人主體結(jié)構(gòu)分為取貨結(jié)構(gòu)、攀爬結(jié)構(gòu)和動力源三部分，其中取貨結(jié)構(gòu)由三段式貨叉與剪叉式上升機構(gòu)組成，攀爬機構(gòu)由磁吸式導軌和導向輪組成。此款機器人的功能結(jié)合了堆垛機的取放貨物功能和AGV的輸送貨物功能，且可在貨架導軌上自由爬行，大大提高貨物的出入庫的效率，減少了物流成本。關(guān)鍵詞：智能倉儲機器人，物流，攀爬機器人，剪叉式目錄TOC\o"1-3"\h\u30048第1章緒論 53194111.1研究背景與意義 5365201.1.1智能倉儲簡介 5383791.1.2智能倉儲發(fā)展遇到的問題 54206821.1.3智能倉儲機器人簡介 54275911.2國內(nèi)外智能倉儲機器人研究狀況 57254111.2.1國外智能倉儲機器人設(shè)計研究現(xiàn)狀 5714471.2.2國內(nèi)智能倉儲機器人研究現(xiàn)狀 5775231.3本論文研究內(nèi)容與研究方法 58197481.3.1擬解決的問題 58158601.3.2研究內(nèi)容 5831869第2章智能倉儲機器人的總體設(shè)計 4967612.1智能倉儲的基本條件 49201602.2智能倉儲機器人的主要參數(shù)的確定 50305522.3智能倉儲機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 5073972.3.1取放貨物結(jié)構(gòu)設(shè)計 51157922.3.2攀爬貨架運動機構(gòu)設(shè)計 5363162.3.3地面行走機構(gòu)設(shè)計 56149912.3.4總控源設(shè)計 57152522.4本章小結(jié) 5718154第3章智能倉儲機器人的計算分析 49292863.1取放貨物機構(gòu)計算 49239143.1.1三段式貨叉計算 4946413.1.2剪叉式升降平臺計算 5361813.2攀爬運動機構(gòu)計算 57306133.3地面行走機構(gòu)設(shè)計計算 60315853.4本章小結(jié) 613586第四章智能倉儲機器人的有限元分析 62184974.1有限元法、ANSYSWorkbench和SolidworkSimulation軟件介紹 6278284.2智能倉儲機器人的結(jié)構(gòu)模型的簡化與建模 63148754.3三段式貨叉的有限元分析 65171394.3.1三段式貨叉的靜力學分析 65104124.3.2貨叉的模態(tài)分析 66161954.4剪叉式升降平臺的有限元分析 6983774.5本章小結(jié) 702455第五章智能倉儲機器人設(shè)計展示 72287815.1取放貨物機構(gòu)展示 72153755.2攀爬貨架運動機構(gòu)展示 74274965.3地面行走機構(gòu)展示 75119145.4貨架展示 7566085.5智能倉儲機器人總體展示 773645.6設(shè)備工作演示 7914333第六章總結(jié)與展望 81202386.1結(jié)論 8142866.2展望 8120851參考文獻 82第1章緒論1.1研究背景與意義1.1.1智能倉儲簡介智能倉儲[1]是一種新型的物流倉儲模式，該模式在人工智能背景下，結(jié)合了先進技術(shù)和最佳實踐方案[2]，實現(xiàn)貨物的自動儲存、運輸和交付。智能倉儲系統(tǒng)是由立體貨架、堆垛機、自動傳輸機、叉車等自動化設(shè)備，以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID、智能化倉庫調(diào)度管理技術(shù)和大數(shù)據(jù)、云平臺等智能平臺組成[3]。通過先進的裝備和信息技術(shù)的組合，能夠?qū)崿F(xiàn)貨物的自動錄入、查詢，從而提高倉庫作業(yè)的準確率和效率，降低庫存，提升企業(yè)的運營水平[4]。智能倉儲系統(tǒng)對貨架的優(yōu)化使用，合理分配，可大大提升倉儲貨架的使用率。同時，由于操作效率的提高，物流成本下降，更一步促進倉儲物流產(chǎn)業(yè)鏈智能化、數(shù)字化水平的提高，從而帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。而智能倉儲調(diào)配和管理系統(tǒng)的運用，極大地保證了數(shù)據(jù)參數(shù)在貨物倉庫管理各個環(huán)節(jié)間的傳遞的速度和傳遞的準確性，使得真實的數(shù)據(jù)被企業(yè)和工廠及時準確地掌握，會引導企業(yè)和工廠及時優(yōu)化生產(chǎn)進度、調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)拍，保持合理的庫存量。如圖1-1圖1SEQ圖\*ARABIC\s11智能倉儲流程圖1980-2010年，傳統(tǒng)倉儲物流的形式開始影響著我國的倉儲，倉儲中常用的設(shè)備有叉車、托盤和輸送帶，其優(yōu)點在于輸送貨物便捷、物體位移量大，而缺點在于人力成本大、輸送效率低。2011-2014年左右，我國處于自動化時代，代表設(shè)備有AGV+自動化立體倉庫，優(yōu)點在于高效+節(jié)省人力，而缺點在于成本較高、投入大。二十一世紀10年代中期，我國邁進了智能化時代，倉儲的模式和設(shè)備發(fā)生了巨大改變，倉儲管理系統(tǒng)+倉儲物流機器人等新型技術(shù)和設(shè)備加入了倉儲大家庭，提高了貨物周轉(zhuǎn)與運輸效率、可以反哺生產(chǎn)。二十世紀50年代末，世界上第一座自動化立體倉庫在美國建成，其余發(fā)達國家，例如德國和日本也緊隨著美國的腳步，依靠本國發(fā)達完整的工業(yè)體系也逐漸研制和建造了各自的智能倉庫。整體來看，倉儲能力直接反映了國家整體實力，尤其是工業(yè)能力。發(fā)達國家倉庫的設(shè)備機械化率遠遠超出世界的平均水平，其中大約有3%以上的倉儲實現(xiàn)了智能分揀操作和自動入庫操作，并調(diào)整優(yōu)化了原有人工工位，使得大約10%的倉儲實現(xiàn)了機械化的分揀，同時為了減少人工成本的投入，采用了傳送帶輸送的模式。得益于較高的信息化管理水平，北美國家大約有總數(shù)77%的倉庫使用了倉儲管理系統(tǒng)。在亞洲，雖然日本的物流行業(yè)起步比美國晚，對于智能倉儲的研究起步也晚，但其仍然領(lǐng)先于其他國家。日本國內(nèi)的許多專業(yè)物流公司對智能倉儲管理系統(tǒng)表示了認可，并在行業(yè)內(nèi)進行大力推廣。近年來，日本企業(yè)物流成本占產(chǎn)品銷售額的比重維持在5%左右，而同時期美國企業(yè)平均比重數(shù)據(jù)為7.87%。日本過去幾十年在智能物流倉儲方面取得的成就值得其他國家學習[5]。如表1-1圖1-1智能倉儲發(fā)展階段表發(fā)展階段階段特點人工倉儲人工實現(xiàn)、成本低、效率低機械化倉儲人工使用機械設(shè)備存取貨物，整體效率進一步提升自動化倉儲自動化技術(shù)及系統(tǒng)普及，有著極高的協(xié)調(diào)性、一體化及信息自動化集成自動化倉儲各系統(tǒng)有效集成構(gòu)成有機的整體智能自動化倉儲定量與定性相結(jié)合自動化控制和管理1.1.2智能倉儲發(fā)展遇到的問題智能倉儲中，物流作業(yè)又是重中之重。據(jù)統(tǒng)計，在產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中，大約90%的時間是被物流過程所消耗，物流成本也大約占到了產(chǎn)品加工制造總成本的10%[6]，因此可得物流作業(yè)對企業(yè)的生產(chǎn)效益影響很大。智能立體倉庫最核心的部分就是對貨品進行入庫保存和出庫運輸?shù)牟僮?，從而保障企業(yè)高效的生產(chǎn)經(jīng)營活動。但由于智能立體庫中往往需存放種類繁雜，數(shù)量龐大的貨品，因此倉儲作業(yè)的第一步是對貨位進行規(guī)劃，以防運行過程中搬運設(shè)備擁堵或者作業(yè)斷線等問題出現(xiàn)；同時在智能立體倉庫作業(yè)調(diào)度過程中，貨品出入庫作業(yè)調(diào)度運行花費時間多，費用大約占整個運營費用65%[7]，可見貨品出入庫調(diào)度作業(yè)成了影響倉儲效率的主要因素之一，因此在做到不積壓資金的情況下，減少存儲和出入庫作業(yè)過程中耗費的總時間，優(yōu)化智能立體倉庫搬運設(shè)備運行路線和貨位分配從而提高企業(yè)運作效率，使用機器人代替人工，降低倉儲環(huán)節(jié)成本，使企業(yè)利潤最大化。1.1.3智能倉儲機器人簡介具有較強重復性、較大勞動強度、擁有一定危險性的勞動工作都可交給智能機器人去完成，各式各樣的機器人也出現(xiàn)在了智能倉儲中[8]。目前，智能倉儲中的裝卸搬運與包裝碼垛的兩個環(huán)節(jié)作業(yè)主要交給機器人完成[9]。相關(guān)機械與傳送帶相結(jié)合構(gòu)成了第一代機器人，它的出現(xiàn)加快了倉儲物流由人力工作向設(shè)備自動化作業(yè)模式的轉(zhuǎn)變步伐。經(jīng)過一定的技術(shù)升級后，以自動導引車（AGV）為代表的第二代智能機器人在倉儲物流中發(fā)揮了重要的作用，自動導引車常用的導引方式有電磁和光學兩種，可以沿著預設(shè)的路徑行駛，同時實現(xiàn)搬運功能，作業(yè)效率大大提升，但是貨物分揀等工作還需要人工操作完成。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，特別是機器人技術(shù)的發(fā)展，在原有機器人的基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)上使用了自由度更高的機械手與機械臂，控制系統(tǒng)上使用了全新的視覺系統(tǒng)和智能系統(tǒng)，并且通過人機交互技術(shù)，與物流管理調(diào)度系統(tǒng)進行對接，提高了執(zhí)行效率，也加強了準確性。第三代機器人擁有著較高的的智能程度，人們發(fā)出訂單后，調(diào)度系統(tǒng)會立即派遣機器人移動到對應的貨架，將商品取下，然后將商品運輸?shù)较乱画h(huán)節(jié)。因為有較完善的自動導航功能加持在此類機器人上，使得機器人可自主在貨物區(qū)移動識別取放對應的貨物，并且能夠自助規(guī)劃最優(yōu)路線，在缺能時可自行充能，確保整個倉儲系統(tǒng)各部分流程工作的無縫銜接運行。二十世紀10年代中期，阿里研制的倉儲機器人——曹操，就在天貓超市天津倉庫中投入使用。這個機器人的主要性能參數(shù)有承重50公斤，速度2米/秒。通過其自身的超強定位能力，它會迅速規(guī)劃出最優(yōu)行駛路徑找到貨物，并取完貨物之后送到打包臺[10]?！靶”末端配送機器人是由菜鳥網(wǎng)絡(luò)設(shè)計研發(fā)的，其最大能承載約10～20個包裹。在接受訂單指令后，可自動計算選擇最優(yōu)配送路徑，將貨物運送到指定位置。據(jù)悉，小G的能力是基于多項關(guān)鍵技術(shù)，例如自主感知、智能識別、運動規(guī)劃等。用戶只需要使用手機發(fā)出服務需求，小G便自動計算選擇最優(yōu)配送路徑，將物品送到指定位置，并且用戶可通過電子掃描功能來簽收貨物。從其功能來看，小G已經(jīng)成為全球物流行業(yè)最先進的機器人之一。京東的最新一代智能倉儲中，擁有搬運機器人、碼垛機器人、出庫機器人和分揀機器人這四款機器人，它們互相協(xié)作，便能全自動完成倉儲任務。智能搬運機器人AGV的行駛速度能達到2m/s，最多能裝載三百公斤的貨物，得益于差速軌跡控制算法，AGV的運行更加平穩(wěn)，軌跡更加準確；SHUTTLE貨架穿梭車在貨架上移動，負責貨物的出入庫，它的吞吐量可達每小時一千六百箱，效率是傳統(tǒng)人工出入庫的十倍；DELTA型分揀機器人負責小件商品的分揀工作，最大負載為5公斤，可以更換不同的拾取器來滿足不同的分揀要求，其的分揀速度為1秒/次，遠遠大于現(xiàn)有人工分揀的效率。最后負責碼垛的六軸機器人，其最大負載為165公斤，每做一個單次的動作需要8到12秒，最大轉(zhuǎn)角速度為200°/s，最大臂展2.7米左右，和傳統(tǒng)的人工相比，可提高30%的運作效率[11]。如圖1-2,1-3,1-4,1-5圖12井松可升降智能倉儲機器人圖圖13京東集團打造的飛馬機器人系統(tǒng)圖圖14CartAGV圖圖15PickingAGV圖自從2012年Kivasystems公司的機器人項目被亞馬遜收購以來，全世界范圍開始關(guān)注他們提出的以新型智能倉儲機器人幫助完成倉庫揀選作業(yè)的方式。目前有超過15000個Kiva機器人在亞馬遜的幾十個倉庫里辛勤工作。亞馬遜因此也成為全球最高效的倉庫。例如亞馬遜位于美國馬薩諸塞州的物流運營中心，其中的200臺機器人每天的處理能力在10000個訂單商品之上，訂單的準確率能達到99.99%。Swisslog（瑞仕格）生產(chǎn)的機器人在二代倉儲物流機器人中屬于佼佼者，因為采用不同于貨架式儲存的三維的立方體網(wǎng)格架系統(tǒng)，此系統(tǒng)中特定的貨物被存放在特定的網(wǎng)格中，如果裝載所需要的貨物的箱子被其他箱子埋在了下面，機器人會把上面的箱子一個一個拿起來堆在旁邊，取到目標貨箱之后會重新把之前的貨箱再疊好。據(jù)此公司稱，其公司的機器人系統(tǒng)的處理量為每小時1000張訂單，效率比人工作業(yè)提高了3-4倍。硅谷機器人公司FetchRobotics生產(chǎn)的倉儲機器人Fetch和Freight在第三代倉儲機器人中名列前茅。Fetch和Freight需要配合起來一起使用，其中的Fetch機器人主要負責取放貨物的工作，F(xiàn)reight機器人主要負責運輸貨物的工作。Fetch相當于Kiva的升級版，F(xiàn)etch機器人可以根據(jù)訂單信息自動識別貨物的位置，并且計算出合適的路徑，自行在貨架間移動，取下所對應的貨物。該機器人可以實現(xiàn)自行充電，從而保證整個倉儲系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)無縫運行[12]。1.2國內(nèi)外智能倉儲機器人研究狀況1.2.1國外智能倉儲機器人設(shè)計研究現(xiàn)狀國外很早就開始研究對智能倉儲以及倉儲機器人，積累經(jīng)驗的同時也取得了不錯的成果。MaartenvanGeesta,BedirTekinerdogana,CagatayCatal[13]三位對倉儲的前世今生做了一個詳細的分析，并提出在工業(yè)4.0的大背景下，提出了第一個數(shù)字孿生倉儲。YevhenKharchenko[14]對倉儲機器人在移動和起重過程中產(chǎn)生的動態(tài)過程的數(shù)學模擬結(jié)果分析，得出了通過感應電動機的頻繁轉(zhuǎn)向，可以大大減少機械系統(tǒng)元件的動態(tài)載荷。KangchengJina,JieCaoa,b,DongqinShenb[15]對倉儲機器人軌跡智能識別算法進行了研究，通過求解雙曲方程獲取機器人的位置信息，對機器人定位中包含的諸多約束優(yōu)化問題進行優(yōu)化，并采用距離差法來減少影響。RaffaeleCarlia,SalvatoreDigiesib,MariagraziaDotolia,FrancescoFacchinib[16]對倉儲機器人的智能充電控制策略進行了研究，評估不同的獨立變量是如何以不確定性程度為特征的(例如，工作準備時間、電池充電容量、充電器效率等)會影響模型執(zhí)行的調(diào)度的性能。1.2.2國內(nèi)智能倉儲機器人研究現(xiàn)狀我國的自動化立體倉庫發(fā)展起步較晚，前期階段主要以引進吸收國外技術(shù)為主。近年來，隨著我國的經(jīng)濟水平和科技水平的提高，我國的立體倉庫發(fā)展得到了長足發(fā)展。陳謙[17]對現(xiàn)有的倉儲機器人分析，研發(fā)了倉儲機器人的庫區(qū)貨物自動調(diào)配定位系統(tǒng)，研究了輪式移動機器人的運動控制算法以及自動避障方法。通過對比分析現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)，提出了采用有軌尋跡運動與二維碼定位結(jié)合的定位方案，即采用紅外反射傳感器實現(xiàn)有軌尋跡運動，利用定位二維碼獲得準確的位置坐標，完成實時位置的更新；同時通過貨物的條形碼獲取貨物信息，實現(xiàn)貨物信息與定位位置信息的實時關(guān)聯(lián)，進而實現(xiàn)貨物的快速搜索定位；且在有軌尋跡運動過程中利用超聲波模塊實現(xiàn)機器人的有效避障。荊麗麗[18]以遼寧電力公司計量中心的智能倉儲及輸送系統(tǒng)為研究對象，提出了以自動化立體物流倉庫、專用巷道式堆垛機、智能型搬運/碼垛機器人、自動裝箱機器人為主體的新型倉儲系統(tǒng)。姜愛民[19]設(shè)計了一款由兩自由度滑臺、SCARA機械手和末端執(zhí)行器與控制系統(tǒng)組成的倉儲機器人，建立了SCARA機器人的運動學模型，同時進行機械手末端軌跡規(guī)劃。將軌跡規(guī)劃算法應用MATLAB編程進行了仿真，通過獲得的關(guān)節(jié)角位移曲線和末端位移曲線驗證了其運動學公式的正確性和軌跡規(guī)劃的效果，最后通過實物驗證了算法的可行性。王曉天[20]根據(jù)工業(yè)機械手可以將裝卸、搬運等工序?qū)崿F(xiàn)機械自動化這一優(yōu)勢，對機械手關(guān)鍵部分進行了詳細的設(shè)計與分析，同時分析在搬運工作時的活動范圍，以便于整個倉庫系統(tǒng)的其他部分相配合；最后應用Matlab軟件對機械手運動進行仿真分析，完成了設(shè)計。針對倉儲機器人的路徑規(guī)劃，李鵬濤[21]提出了基于AGV與RFID技術(shù)相結(jié)合的路徑規(guī)劃方案，王思琦和賈雪[22]利用ZigBee技術(shù)的近距離、低功耗以及測位精確，且信號傳輸不受視距的影響，將RFID和ZigBee相結(jié)合，設(shè)計出一種倉儲定位追蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人的快速、準確定位。針對倉儲機器人的控制方法，盧堯[23]和陳寧[24]都提出了以太網(wǎng)PEOFINET技術(shù)代替PROFIBUS總線，應用到智能倉儲人的自動控制系統(tǒng)中去。綜上所述，就智能倉儲機器人的設(shè)計和優(yōu)化來說，國內(nèi)外主要在以下幾個方面進行了研究：一是對智能倉儲機器人在倉儲中的作用進行研究。針對倉儲空間利用率低、物流成本高等問題，對機器人功能種類進行了更詳細劃分，且在存取貨物、碼垛、分揀、和運輸各個環(huán)節(jié)開展機器人代替人工的研究。二是對智能倉儲機器人的結(jié)構(gòu)方面進行研究和優(yōu)化。對于智能倉儲機器人來說，已不再是一代機器人功能單一的特點了，在末端執(zhí)行機構(gòu)中采用了多自由度且靈活的機械手來實現(xiàn)多功能的特點。三是對智能倉儲機器人系統(tǒng)控制方面大量的研究。主要包括路徑優(yōu)化的研究、機器人調(diào)度研究、貨物定位研究、自動識別研究等。1.3本論文研究內(nèi)容與研究方法1.3.1擬解決的問題智能倉儲機器人是智能倉儲系統(tǒng)中重要的組成部分，優(yōu)化設(shè)計機器人的結(jié)構(gòu)可以提高機器人的功能、工作效率和穩(wěn)定性。但國內(nèi)的倉儲機器人相對國外來說仍有不足之處，自動控制程度低，功能實現(xiàn)單一，結(jié)構(gòu)笨重，布局使用不合理，成本更高，運行不平穩(wěn)，效率低下，從而影響作業(yè)。1.3.2研究內(nèi)容本文以一種常見多層倉儲貨架作為研究對象，設(shè)計一款新型的智能倉儲機器人，對機器人的取物執(zhí)行機構(gòu)，行走機構(gòu)進行設(shè)計，并對各個部件的剛度等進行計算分析和原動件的選型，并對機器人在運行過程中的幾個特殊位置姿態(tài)采用有限元分析法進行靜力和模態(tài)分析。具體工作如下：（1）按照技術(shù)要求，確定倉儲貨架的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，利用solidworks2018設(shè)計繪制倉儲貨架的三維結(jié)構(gòu)。（2）參考現(xiàn)有的機器人取物執(zhí)行機構(gòu)和行走機構(gòu)，提出合適方案，計算相關(guān)受力數(shù)據(jù)，利用solidworks2018設(shè)計繪制機器人結(jié)構(gòu)。（3）為了了解機器人工作中的位置情況，選取幾個特殊位姿，采用solidworks2018中的simulation插件和ANSYS15.0分析軟件對機器人的結(jié)構(gòu)進行靜力和模態(tài)分析，根據(jù)受力分布云圖的結(jié)論，對相對應的零件與部件進行修改設(shè)計。（4）繪制總裝、部裝、零件的二維圖紙，利用solidworksVisualize2018制作機器人運動示意動畫。第2章智能倉儲機器人的總體設(shè)計2.1智能倉儲的基本條件本文以同濟大學浙江學院的智能制造產(chǎn)線中的自動化立體倉庫模塊進行分析研究，但是目前現(xiàn)有的機構(gòu)存在機構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、取放訂單貨品效率低下等問題，故以該自動化立體倉庫的現(xiàn)有貨架為研究母本，以現(xiàn)有堆垛機為對比對象，進行分析，設(shè)計一款全新的智能倉儲機器人。經(jīng)實地測量，得到該智能倉儲的基本技術(shù)要求如下：1）倉庫容量要求：我校該自動化立體倉庫采用雙層倉庫設(shè)計，前貨架放置已經(jīng)加工好的成品，后貨架放置原材料。前貨架貨位為4行6列的分布，貨位有24個；后貨架貨位為4行7列的分布，貨位有28個。2）托盤要求：托盤的種類繁多，我校的智能制造產(chǎn)線的產(chǎn)品相對工業(yè)產(chǎn)品來說質(zhì)量低、尺寸小，故對托盤的要求并不算高。根據(jù)我校智能產(chǎn)線的作業(yè)要求，本文采用平托盤，優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可以方便堆垛機進行貨物的存取。本文采用的平托盤尺寸為280mm×300mm，共有四個原材料位，托盤厚度為15mm，原材料深度為10mm。3）空間約束條件：該自動化立體倉庫的前貨架的長度應控制在3350mm，后貨架的長度應控制在3900mm，兩個貨架中間預留的縫隙應大于600mm，以便智能倉儲機器人在兩個貨架之間行動與取放貨物。4）自動化水平要求：該自動化立體倉儲系統(tǒng)應實現(xiàn)無人化、自動化操作，在倉儲管理系統(tǒng)完成下單操作后，智能倉儲機器人應即時完成出入庫等動作。貨架基本信息見下表2-1，圖2-1：表2-1貨架基本信息表項目長度/mm寬度/mm高度/mm質(zhì)量/kg總體貨架31404902510/單立柱25102020/單橫梁5201010/貨位520490550/貨物托盤300280151貨物27027027010圖2-1貨架基本尺寸圖2.2智能倉儲機器人的主要參數(shù)的確定經(jīng)過在同濟大學浙江學院實驗室的智能制造產(chǎn)線的實地測量，確定出智能倉儲機器人的外觀最大尺寸、所存儲貨物最大質(zhì)量、行走速度等參數(shù)，結(jié)合文獻資料和各類規(guī)范標準，確定機器人的主要參數(shù)如下表2-2：表2-2智能倉儲機器人主要性能參數(shù)指標參數(shù)機器人的外圍最大尺寸（長寬高）520mm×260mm×350mm貨叉伸出最大長度450mm貨叉伸縮速度1000mm/min貨叉起降速度800mm/min機器人地面行走速度3000mm/min機器人垂直攀爬速度1000mm/min有效載荷25kg2.3智能倉儲機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案智能倉儲機器人是現(xiàn)代智能倉儲中最重要的組成部分，它承擔著智能倉儲中貨物的出入庫、貨物的運送、貨物的分揀等重要工作。本文設(shè)計的新型智能倉儲機器人涵蓋了貨物出入庫和貨物運送兩大功能，所以在設(shè)計方向主要以貨物出入庫與運送為主，機器人的總體結(jié)構(gòu)包括了四部分：取放貨物部分、地面行走部分、攀爬貨架部分、總控源。四部分的位置如下圖2-2圖2-2智能倉儲機器人功能分布圖貨物出入庫方面，貨物需要從貨架上的貨位上取下放到機器人的貨位上或是從機器人的貨位上取下放回到貨架的貨位上，考慮到現(xiàn)有的貨架和貨位結(jié)構(gòu)為矩形結(jié)構(gòu)，所以采用X方向和Z方向獨立的機構(gòu)完成動作。貨物運送方面，當機器人攀爬貨架取貨物或者是載著貨物從貨架上下來的情況下，機器人是沿著貨架的立柱和橫梁攀爬，所以也采用Y方向和Z方向的獨立機構(gòu)完成運動，當機器人到達地面運送貨物時，考慮到倉儲環(huán)境的復雜性，需要更自由、更全向的運動行走機構(gòu)來完成運動。同時，為了保證智能倉儲機器人在取放貨物、運送貨物時的安全與穩(wěn)定，在設(shè)計時也應滿足以下要求：（1）應在滿足剛度、強度的要求下盡可能去減輕部件的質(zhì)量，以減小機器人在運動加速和減速時帶來的慣性沖擊，同時可以節(jié)約成本。（2）應具有一定的安全保護裝置，包括急停裝置、限位裝置、限速裝置等。2.3.1取放貨物結(jié)構(gòu)設(shè)計常見的取放貨物結(jié)構(gòu)有三種，分別為吊鉤、貨叉和機械手。吊鉤是一種附有鏈條或繩索的鉤環(huán)或掛鉤，常見于起重機械中，吊鉤的作用是將貨物吊起，從一個地方轉(zhuǎn)移到另外一個地方，吊鉤的使用需要搭配起重機械一起使用。吊鉤的使用一般在工廠、礦山、船舶碼頭等大型環(huán)境中，并不適合在本次的倉儲環(huán)境中使用。如圖2-3圖2-3吊鉤示意圖機械手的種類有很多，應用性也十分廣泛。機械手的性能與自由度息息相關(guān)，自由度越多，機械手的運動越復雜，相應避障能力也越好，但同時結(jié)構(gòu)會越復雜，控制起來的難度也會加大。機械手的靈活性十分適合在本次的倉儲環(huán)境中使用，但機械手的成本過高，控制難度過大，不易抓取重量重的貨物，所以不采用機械手作為取放貨物的結(jié)構(gòu)。如圖2-4圖2-4機械手示意圖貨叉常裝備于叉車上，完成倉庫當中的貨物出入庫的工作。貨叉自身具備前后伸縮的運動，再搭配提升平臺的升降運動，就可以把貨物從機器人貨位上運送至貨架的貨位放好或是從貨架的貨位上把貨物取出，這些過程中，貨物都是在貨叉上的，故貨叉經(jīng)常和可升降的載物臺一起出現(xiàn)。貨叉一般是由叉體、滑動單元和傳動機構(gòu)組成的。通過齒輪齒條傳動或者鏈條傳動。考慮到貨叉的通用性好、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟耐用等優(yōu)點，再參考目前同濟大學浙江學院試驗室的堆垛機采用的同樣為貨叉結(jié)構(gòu)，所以智能倉儲機器人的取放貨物機構(gòu)就采用貨叉結(jié)構(gòu)。如圖2-5圖2-5貨叉示意圖同時在設(shè)計貨叉時應考慮以下重點：1）貨叉的牢固性：貨叉的牢固性至關(guān)重要，如果設(shè)備不牢固可能會出現(xiàn)貨物滑落、機構(gòu)出現(xiàn)斷裂等意外狀況，故在設(shè)計時應考慮貨叉安裝的牢固性，只有保證牢固性，才能保證機構(gòu)的正常使用。2）貨叉的靈活性：堆垛機貨叉的最主要的作用是實現(xiàn)貨物的存放和拿取，但在長時間使用過程會出現(xiàn)生銹、滑動不流暢等情況。因此應使用合理的材料，并在使用過程中應合理潤滑機構(gòu)，才能保證機構(gòu)的正常運動。在傳動機構(gòu)上，本機構(gòu)選用絲桿與絲桿螺母為主、齒輪齒條為輔的設(shè)計來驅(qū)動貨叉機構(gòu)運動。絲桿與絲桿螺母相對鏈輪鏈條機構(gòu)來說占用空間更小、運動更穩(wěn)定、運動更易控制。絲桿與絲桿螺母安裝于中叉上，齒輪也安裝于中叉上，上齒條安裝于上叉，下齒條安裝于下叉。伸縮貨叉是通過滑軌連接上叉，上叉下端連接齒輪齒條機構(gòu)，由貨叉電機驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿轉(zhuǎn)動驅(qū)動絲桿螺母帶動中叉向前運動，此時位于中叉上的齒輪也會跟著轉(zhuǎn)動，帶動位于上叉上的齒條向前運動，從而帶動上叉運動。如圖2-6圖2-6貨叉運動示意圖同時，上貨叉與中貨叉、中貨叉與下貨叉之間由滑軌和滑塊配合完成相對運動?；壓突瑝K配合使用可以使貨叉的伸縮運動更加平穩(wěn)、流暢，且可以承受較大的負載，是貨叉機構(gòu)的重要組成部分。如圖2-7圖2-7滑軌滑塊示意圖因為此貨叉機構(gòu)只有X方向的一種運動，無法將貨物從貨架上抬起，所以需要一款可升降平臺配合使用。剪叉式升降平臺因為其結(jié)構(gòu)的特殊性，有著其余升降平臺沒有的優(yōu)點，例如結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、故障率低、運行可靠、安全高效、維護簡單方便等，所以其被廣泛應用于各行各業(yè)，物流行業(yè)中也經(jīng)常見到剪叉式升降平臺的身影，所以升降平臺采用的是剪叉式結(jié)構(gòu)，來完成Z方向的運動。如圖2-8圖2-8剪叉式升降平臺示意圖綜上，新型智能倉儲人的取放貨物結(jié)構(gòu)由三段式貨叉和剪叉式升降平臺構(gòu)成。2.3.2攀爬貨架運動機構(gòu)設(shè)計攀爬貨架運動機構(gòu)在設(shè)計時主要需要考慮以下三個方面：1）速度與機動性，需要機器人在垂直的墻面或者是貨架上面快速移動，快速定位，較高的移動速度與較強的定位能力能大大提高智能倉儲的效率；因為本機器人是在貨架上攀爬，貨架是平整的，所以不需要很強的越障能力。2）承載能力，在機器人爬貨架時，不僅僅要考慮自身的自重，還要考慮貨品加載在機器人身上的影響，所以機器人的尺寸、吸附和運動裝置都要滿足設(shè)計需求。3）可靠性與安全性，攀爬畢竟是離開地面工作的形式，會有掉落的風險，但這樣風險后果是嚴重的，一旦在工作中發(fā)生掉落情況，機器人和貨物可能同時損壞，所以機器人的攀爬貨架機構(gòu)需要保證足夠的吸附安全?，F(xiàn)有的攀爬方式有磁吸附式、仿生吸附式、靜電吸附式、正壓吸附式和負壓吸附式這五種，五種形式各有各的優(yōu)點與缺點，適用在不同的場合。磁吸附式是一種利用與導磁壁面間的吸附力吸附在壁面進行工作的方式?，F(xiàn)有的磁吸附式攀爬主要有磁足式攀爬、磁輪式攀爬、履帶式磁吸附攀爬。磁足式攀爬是靠磁足提供的吸附力吸附在壁面上,由于其磁足在攀爬時吸附力時而強時而弱，所以需要裝置調(diào)整其的吸附力,而電磁鐵經(jīng)常被使用在這種情況。磁足式攀爬的運動步法十分復雜，控制起來十分困難，且運動靈活性不好；磁輪式攀爬是靠磁輪與導磁壁面的吸附力吸附在壁面上，優(yōu)點是運動靈活性較好，但是由于磁輪于壁面的接觸面積小，所以磁能的利用率不高，負載能力較差；履帶式磁吸附攀爬是靠履帶式移動的，它有著很強的負載能力，但靈活性較差。如圖2-9圖2-9磁吸輪式攀爬機器人示意圖仿生吸附式是參考動物爬壁的行為方式，制造出相似的仿生纖毛，纖毛與壁面接觸，通過范德華力吸附。其優(yōu)點在于能耗小、噪音低，缺點在于仿生纖毛的制造難度大、且造價高昂、無法在倉儲中大規(guī)模使用。如圖2-10圖2-10仿生攀爬機器人示意圖靜電吸附式是利用靜電感應效應，通過電荷的庫侖力產(chǎn)生吸附效果。其優(yōu)點在于對壁面的材料要求性小，缺點在于一旦壁面有水或者潮濕，靜電吸附力就會急劇減小，導致裝置無法使用。如圖2-11圖2-11靜電吸附示意圖正壓吸附的原理是利用自身推進系統(tǒng)產(chǎn)生背離壁面的氣體的反作用力將裝置吸附在墻面上，與負壓相比較，正壓不會存在氣體泄露的問題，適應性強，但產(chǎn)生推力的裝置往往體積巨大，工作時也會發(fā)出很大的噪聲，導致工作效率低下。如圖2-12圖2-12正壓吸附機器人示意圖負壓吸附依靠真空泵等動力裝置將吸盤內(nèi)部的氣體抽出從而與外界大氣壓形成壓差吸附在墻面上的。其對于墻面的粗糙度要求較高，真空泵等在工作中會產(chǎn)生巨大噪音、消耗的能源也巨大，且在真空的環(huán)境中無法使用。如圖2-13圖2-13負壓吸附機器人示意圖攀爬機構(gòu)在設(shè)計時需要具備兩個最基本的功能：吸附功能和移動功能。這兩者是相互矛盾的，機器人的負載能力越強，其與壁面的吸附力也就越大，吸附能力越大，機器人在墻面的行動阻力也就越大，所以機器人的攀爬機構(gòu)在選擇時，壁面吸附能力與移動能力需要一個平衡。各攀爬機構(gòu)吸附方式比較，如下表2-3表2-3吸附方式比較表吸附方式適用場合優(yōu)點缺點磁力吸附永磁體導磁面吸附力大只適合導磁面電磁鐵仿生吸附干吸附光滑壁面無吸附噪聲，應用前景大對壁面的要求高、穩(wěn)定性不好濕吸附毛刺粗糙壁面負壓吸附真空泵光滑壁面吸附力大壁面要求高外接負壓源所有類型的壁面運動范圍小文丘里器噪聲大旋風模擬對運動機構(gòu)要求低吸附力小離心風扇吸附力適中噪聲大移動方式比較，如下表2-4表2-4移動方式比較表移動方式概要特點輪式配置多個電機分別帶動多個車輪運動行動能力強，控制簡單，吸附能力較差履帶式由電機驅(qū)動兩條或單條履帶推動機器人著壁面積大，體積大，結(jié)構(gòu)復雜腳式通過多個腳的反復吸附與脫離來移動移動困難，移動速度慢，負載與越障能力強綜上對于吸附方式和移動方式的對比，結(jié)合同濟大學浙江學院實驗室現(xiàn)有情況，選擇磁力吸附與輪式移動相結(jié)合構(gòu)成新型智能倉儲機器人的攀爬運動機構(gòu)。2.3.3地面行走機構(gòu)設(shè)計機器人在地面上行動運送貨物時，其本質(zhì)就是一輛自動導引運輸車（AGV）。為了適應低矮的自動導引小車能在場地中靈活運行，智能倉儲的地面一般都較平整，沒有很大的起伏，所以本智能倉儲機器人的地面行走機構(gòu)不采用履帶式和腳式結(jié)構(gòu)，采用運行速度快、靈活性好的輪式結(jié)構(gòu)。在地面循跡時，往往需要轉(zhuǎn)向。目前常用的方法有兩輪差速轉(zhuǎn)向、舵機轉(zhuǎn)向和使用全向輪。考慮到同濟大學浙江學院實驗室倉儲區(qū)空間小，本項目預設(shè)的能同時取放貨物的智能倉儲機器人的數(shù)目大于四臺，單個智能倉儲機器人的靈活性就會要求很高，需要能在狹小的空間內(nèi)進行調(diào)頭，所以將采用全向輪來完成這一動作。麥克納姆輪是一種常見的萬向輪。它的這種全方位移動方式是基于一個有許多位于機輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個機輪法向力上面。依靠各自機輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個合力矢量從而保證了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動，而不改變機輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多小棍子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時，各個小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運動靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個這種新型輪子進行組合，可以更靈活方便的實現(xiàn)全方位移動功能。并且麥克納姆輪在現(xiàn)代的智能倉儲中也已廣泛使用，非常適合在區(qū)域狹小的地方使用。綜上，智能倉儲機器人的地面行走機構(gòu)采用麥克納姆輪。如圖2-14圖2-14麥克納姆輪示意圖2.3.4總控源設(shè)計智能倉儲機器人采用電力驅(qū)動，所以需要能量源提供源源不斷的能量。常見的功能方式有兩種，一種為自身攜帶電線，電能通過電線源源不斷提供給機器；另外一種為自帶可充電電池。因為智能倉儲機器人需要在倉儲中靈活行動，自身攜帶電線會降低自己的行動半徑，所以采用自帶電池的方案，當電量低時，機器人可自行返回充電區(qū)域充電，不會干擾到其余設(shè)備的正常運作。2.4本章小結(jié)本章針對同濟大學浙江學院實驗室智能倉儲進行實地考察與測量，確定了智能倉儲機器人的主要性能參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)有工況，將智能倉儲機器人設(shè)計分為取放貨物部分、墻上行走部分、地面行走部分和總控源四部分；取放貨物部分采用三段式貨叉與剪叉式升降平臺，墻上行走部分采用磁力吸附與輪式移動，地面行走部分采用麥克納姆輪，總控源采用自帶可充電電池。第3章智能倉儲機器人的計算分析3.1取放貨物機構(gòu)計算3.1.1三段式貨叉計算根據(jù)貨物的尺寸為270mm×270mm×300mm，預設(shè)貨物是被安放在貨架的中心，可得貨物的最里端離貨架外側(cè)的距離為373.4mm，如圖3-1圖3-1貨物貨架示意圖預設(shè)上貨叉的長度為800mm、寬度為180mm、厚度為15mm，中貨叉的長度為600mm、寬度為180mm、厚度為15mm。如圖3-2圖3-2貨物貨架示意圖預設(shè)上貨叉與中貨叉有兩個支撐點A和B，A點離上貨叉左端200mm，B點在上貨叉的中心；中貨叉與下貨叉有兩個支撐點C和D，C點即為中貨叉最左端，D點為中貨叉的中心。如圖3-3圖3-3支撐點示意圖按照上文預設(shè)的情況下，可以推算出，當中貨叉與上貨叉伸出到各自的極限位置時，總貨叉可以伸出的長度為645mm，遠遠大于實際需要的373.4mm，所以預設(shè)的上中貨叉和各貨叉支點滿足條件。如圖3-4圖3-4貨叉極限位置示意圖當貨叉處于極限位置時，也可知貨物的中心點位于下貨叉右端點右端的372mm處。如圖3-5圖3-5貨叉與貨物位置示意圖根據(jù)以上信息，可求解貨叉在搬運貨物時的擾度。因為本文所采用的伸縮式貨叉為三段式貨叉，在計算時應分別考慮上叉、中叉、下叉的情況。簡圖如圖所示，其中W為貨物重力；I1、I2、I3（1）下叉：如圖所示，假設(shè)l3P1=Wl3當a≤M=P1bxl0?i1=i0?δ=i0x?0x當x=l0i0將式（3-5）代入式（3-3），x=l0時，傾角與i1δ1（2）中叉：如圖所示，貨叉被施加載荷W，在b的距離內(nèi)生成反力P1、P2，此時傾角為i2，撓度為δM=Pd2i=dδδ=?W當x=b時，δ=0，δ0i0將（3-12）代入式（3-10）中，此時傾斜角為：i2δ2如圖所示，將b段作為剛性，并將左端作為固定端，以此條件進行分析，假設(shè)施加載荷W后，在中叉產(chǎn)生的反力為P3、P4，在P3、P4的作用下，貨叉伸出端產(chǎn)生的撓度為δM=PP3=eδ=?0當x=lδ=?其次計算i4i=?0當x=li4δ4（3）上叉：如圖所示，施加載荷W后在上叉中d的距離內(nèi)產(chǎn)生的反力為P3、P4，在P3、P4的作用下，此時傾斜角為M=eWd2i=dδδ=?eW當x=d時，δ=0，δ0i0將式（3-25）代入式（3-23）中，當x=d時有：i5=?eWd因此在不考慮其他部件的變形的情況下，貨叉在伸縮動作時沿重力方向的形變量為：Δ=當倉庫中存儲貨物的深度為350mm時，總變形量的標準范圍為2~5mm。貨叉的原動件為步機電機帶動絲桿傳動，使得貨叉能伸縮，所以需要計算絲桿的傳動。取絲桿的大徑d=20mm，螺距P=10mm，導程S=10mm，線數(shù)n=1；取導向件的綜合摩擦系數(shù)為μ=0.02，移動物體的總質(zhì)量為m=30kg；進給絲桿的正效率n1=0.94，g=9.8；設(shè)切削力不考慮，得軸向負載Fa=μ×m×g=0.02×30×9.8=5.88得扭矩Ta=（Fa×S）/（2×π×n1）=9.96Nm根據(jù)扭矩Ta=9.96Nm，可選擇輸出力矩Ta’=12Nm的86步進電機。如圖3-6圖3-686步進電機示意圖3.1.2剪叉式升降平臺計算考慮到本剪叉式升降平臺的升起距離不用太大，只需將貨物稍微抬離貨位便可取下，所以不采用多級剪叉，采用單級剪叉結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、結(jié)實耐用。預設(shè)支撐架的長500mm、寬40mm、厚度5mm。裝配后的尺寸如圖3-7圖3-7支撐桿裝配示意圖由此可根據(jù)CAD，得出此剪叉機構(gòu)上升最高的距離和支撐架間得角度。如圖3-8圖3-8剪叉式最高位置示意圖在計算推桿推力和行程時，需要注意以下兩個方面：1）推桿的初位置末位置長度以及伸長量；2）機構(gòu)到達末位置時所需要的最小推力F；預設(shè)推桿的下支點位于AB的中點E處，上支點與D點重合，計算過程如下，如圖3-9，圖3-10圖3-9推桿初始位置示意圖AB=400mm,AD=98mm,∠ABD=14°，根據(jù)勾股定理可得：DE2=DA2+AE2，得DE=222.72mm圖3-10推桿末位置示意圖A’B=225mm，A’D’=330mm，∠A’BD’=56°，A’E=AB?BE=200mm，根據(jù)勾股定理可得：D綜上數(shù)據(jù)DE=222.72mm，D’E=385.88mm，可得推桿的推出距離為L=D’根據(jù)圖3.9與圖3.10所示，推桿在最初始位置推向最終位置時，推桿與水平位置的夾角是越來越大的，同時也可得推桿的負載是越來越小的，推桿所受到的最大負載在最初始位置。如圖3-11圖3-11推桿末位置受力示意圖AB=400mm,AD=98mm，EH=100mm，∠ABD=14°，∠AED=26°；機構(gòu)所受負載M=30kg，g=9.8，負載位置簡化為DE的中點；推桿的推力F是沿著推桿的方向，將F分解為沿X軸方向的Fx=F×根據(jù)受力平衡，可列出方程：Fy×AE=G×EH；根據(jù)推桿的伸長量L=163.16mm，推桿所需的最大推力為F=193.42N，來選擇推桿。如圖3-12圖3.12推桿示意圖因為在計算推桿行程時，取的是剪叉升降平臺能達到的最大位置，而最大位置已大大滿足智能倉儲機器人在貨架上抬升貨物的高度，考慮到在剪叉式升降平臺內(nèi)部安放推桿的空間問題，可適當減小推桿的行程來滿足裝配的空間問題。綜上，選擇推桿行程為150mm，推力為250N，電壓為24V的BJXL150推桿。3.2攀爬運動機構(gòu)計算根據(jù)上文分析，攀爬運動機構(gòu)選擇的是磁力吸附與輪式移動。方案設(shè)想整體由兩部分構(gòu)成，一部分為行動機構(gòu)，另一部分為吸附機構(gòu)。如圖3-13圖3-13攀爬運動機構(gòu)示意圖吸附機構(gòu)中，采用釹鐵硼磁鐵作為吸附介質(zhì)，如圖3-14，已知釹鐵硼磁鐵的本身磁力為自身重量的640倍。牌號為N38的釹鐵硼磁鐵的密度為ρ=7.5g/cm2。圖3-14釹鐵硼磁鐵示意圖已知智能倉儲機器人的總質(zhì)量為M1=25kg，最大負載為M2=25kg，接觸面摩擦系數(shù)μ=0.1，g=9.8。選取智能倉儲機器人最大負載情況下（取到貨物）時進行分析計算，可知靜止狀態(tài)下，機器人和貨物的總重G和磁鐵與接觸面提供的靜摩擦力f是平衡的，可列方程F×μ=f=G=M1+M2×g，可得F暫取釹鐵硼磁鐵提供的磁力為自身重量的600倍，根據(jù)V=M3600×ρ=111.11cm2，可得要提供足夠吸附力的話，是需要體積為V=111.11cm行動機構(gòu)中，在豎直的貨架立柱上安裝齒條，爬行機構(gòu)采用一對齒輪，通過齒輪與齒條相嚙合的方式，完成攀爬運動。如圖3-15圖3-15攀爬方式示意圖綜上，行動機構(gòu)中需要選定電機與齒輪齒條，下面先進行電機選型。電機選型選取智能倉儲機器人最大負載條件下計算，也就是取到貨物的情況。已知智能倉儲機器人的總質(zhì)量為M1=25kg，最大負載為M2=25kg，磁鐵吸附力Fc=5000N，接觸面摩擦系數(shù)μ=0.1，g=9.8。當裝置整體向上運動時，裝置的受力圖3-16圖3-16負載向上受力圖向上運動時，裝置所受的摩擦力f=Fc×根據(jù)受力圖，可列出平衡方程F=G+f=M1+M2綜上所述，選取兩臺110BYG350E型步進電機，其綜合參數(shù)如下表3-1。表3-1110BYG350E型步進電機參數(shù)表標準電機型號步距角（E）deg電機長度L/mm電流A保持力矩N·m電阻Ω電感mH轉(zhuǎn)動慣量kg·cm2重量kg110BYG350E1.21007.5241.222020.811根據(jù)已選好的110BYG350E型步進電機，可以計算齒輪與齒條，計算過程如下：（1）選定齒輪類型、精度等級、材料、齒數(shù)模數(shù)小齒輪模數(shù)取m=2，齒輪齒數(shù)為z=25，壓力角α=20°，采用7級精度，工作壽命5年（設(shè)每年工作250天），兩班制。由于小齒輪是與貨叉步進電機輸出軸相連，由110BYG350E步進電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性曲線可得出貨叉步進電機的轉(zhuǎn)速約為7200r/s時力矩最大，為4.5N·m?？晒浪悴竭M電機最大功率PmaxPmax=2πnT60主動小齒輪選用20MnCr5材料并經(jīng)滲碳淬火，齒條選用45鋼，表面硬度都在56HRC以上。（2）按齒面接觸強度設(shè)計：由文獻[]中式（10-11）試算小齒輪分度圓直徑，即：d1t≥2.3232eq\o\ac(○,1)試選載荷系數(shù)KHt=1.3。eq\o\ac(○,2)計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T1：T1=9.55×10eq\o\ac(○,3)由文獻[]中表（10-8）選取齒寬系數(shù)?d=0.5。eq\o\ac(○,4)由文獻[]中表（10-6）得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa1eq\o\ac(○,5)由文獻[]中圖（10-21c）查得查得小齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim1=600MPa，齒條的接觸疲勞強度極限σHlim2eq\o\ac(○,6)由文獻[]中式（10-15）計算應力循環(huán)次數(shù)：N1=60n由文獻[]中圖（10-19）取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1eq\o\ac(○,7)取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由文獻[]中式（10-14）得：σH1=小齒輪尺寸計算：eq\o\ac(○,8)根據(jù)式（3-42）計算小齒輪分度圓直徑d1t：d1t≥32Keq\o\ac(○,9)計算圓周速度v。v=πd1tn60×1000=π×52.480×7200eq\o\ac(○,10)計算齒寬b。b=?dd1t=0.5×52.480=26.24mmeq\o\ac(○,11)模數(shù)mt，齒高?及齒寬與齒高之比b?。mt=d1tz=?=2.25mt=2.25×2.099≈4.723b?=26.244.723eq\o\ac(○,12)計算載荷系數(shù)根據(jù)v=19.784m/s，7級精度，由文獻[]中圖（10-8）查得動載荷系數(shù)K由于為非硬齒面直齒圓柱齒輪，由文獻[]中表（10-3）查得KHα由文獻[]中表（10-2）查得使用系數(shù)KA由文獻[]中表（10-4）用插值法查得7級精度、小齒輪為懸臂布置時KHβ由b?=5.56，KHβ=1.230，查文獻[]中圖（10-13）查得K=KAKVeq\o\ac(○,13)按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由文獻[]中式（10-12）得：d1=d1t3eq\o\ac(○,14)計算模數(shù)mm=d1z=55.499（3）按齒根彎曲強度設(shè)計：由文獻[]中式（10-7）試算模數(shù)，即m≥32KT1?確定公式內(nèi)各計算數(shù)值:1由文獻[]中圖（10-20c）查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限σFE1=500MPa；齒條的彎曲強度極限σFE22由文獻[]中圖（10-18）取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=1.1，3取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由文獻[]中式（10-14）得：σF1=KFN1σσF2=KFN2σ4計算載荷系數(shù)KK=KAKV5由文獻[]中表（10-5）查得齒形系數(shù)YFa1=2.62，6由文獻[]中表（10-5）查得應力校正系數(shù)YSa1=1.59，7計算齒輪齒條的YFaYFa1YSa1σYFa2YSa2σ齒條的數(shù)值大。8根據(jù)式（3-55）計算模數(shù)m≥32K可由彎曲強度算得的模數(shù)并就近圓整為標準值m=4mm；按接觸強度算得的分度圓直徑d1≈55.499mz=d1m=經(jīng)過計算，驗證采用模數(shù)m=1，直徑d=25mm的齒輪符合要求。3.3地面行走機構(gòu)設(shè)計計算已知智能倉儲機器人的總質(zhì)量為M1=25kg，最大負載為M2=25kg，接觸面摩擦系數(shù)μ=0.1，g=9.8。根據(jù)方程f=G×μ=M1+M2×g×μ=49N，得出智能倉儲機器人在最大負載下，所受到的最大靜摩擦力為f選取直徑100mm，總最大負載能力60kg的不銹鋼麥克納姆輪。根據(jù)公式T=f×r÷4=1.225Nm，可知選用的電機的最小輸出扭矩得大于等于1.225Nm。綜上，選取CHR-GM37-550直流減速電機，電機參數(shù)如下表3-2。表3-2CHR-GM37-550直流減速電機參數(shù)表標準電機型號減速比空載電流mA空載轉(zhuǎn)速rpm額定轉(zhuǎn)矩N·m額定轉(zhuǎn)速rpm額定電流A堵死堵轉(zhuǎn)電流A功率WCHR-GM37-5501：50≤4501501.47105≤3.513.0213.4本章小結(jié)本章對取放貨物機構(gòu)、墻上行走機構(gòu)和地面行走機構(gòu)的傳動部分和原動件選型進行了分析計算，得到如下結(jié)論：取放貨物機構(gòu)中，三段式貨叉最大的伸出總距離為645mm，貨叉的總變形量的標準范圍為2~5mm；貨叉?zhèn)鲃硬捎玫碾姍C型號為86步進電機；取放貨物機構(gòu)中，剪叉式升降平臺的最大抬升量為232mm；所使用的電動推桿為行程150mm，推力為250N的直流電推桿；攀爬運動機構(gòu)中，選取釹鐵硼磁鐵作為吸附力的介質(zhì)，根據(jù)實際工況，需要體積為11.11cm2的N38釹鐵硼磁鐵；上墻主動電機選擇兩臺型號110BYG350E步進電機；齒輪的模數(shù)為2，壓力角為20°，齒數(shù)為40，齒條的模數(shù)為2，壓力角為20°；地面行走機構(gòu)中，選取直徑為100mm，總最大復雜能力為60kg的麥克納姆輪，選用四臺CHR-GM37-550直流減速電機。

第四章智能倉儲機器人的有限元分析4.1有限元法、ANSYSWorkbench和SolidworkSimulation軟件介紹有限元法是求解數(shù)理方程的一種計算方法，是一種解決工程中實際問題的一種數(shù)值計算工具。其基本原理是將物體劃分離散成有限個單元，并按照一定方式聯(lián)結(jié)組合，模擬或逼近原來的物體以此將一個連續(xù)無限自由度的問題簡化為一個離散有限自由度問題，利用含有未知變量的矩陣形式的代數(shù)或者微分方程組，對該方程組運用數(shù)值方法進行求解，從而解決實際問題?？傮w思想是“化整為零，化零為整”。有限元法進行靜力學分析需要以下過程，如圖4-1所示：圖4-1有限元法靜力學分析流程本文采用ANSYSWorkbench和SOLIDWORKSimulation兩款三維分析軟件進行有限元分析，兩款軟件擁有強大功能，在解決實際工程問題中得到很廣泛的應用，他們對機械結(jié)構(gòu)的分析的主要功能有：應力分析、變形分析、結(jié)構(gòu)固有特性及動態(tài)響應分析。軟件進行結(jié)構(gòu)靜力學分析的主要流程如圖4-2所示：圖4-2兩款軟件進行靜力學分析流程4.2智能倉儲機器人的結(jié)構(gòu)模型的簡化與建模智能倉儲機器人的取放貨物機構(gòu)是本項目的重要組成機構(gòu)。其中的三段式貨叉的剛度可影響智能倉儲機器人在取放貨物的精準度和運輸途中的穩(wěn)定性，因此需要對貨叉的撓度進行分析。支撐三段式貨叉的剪叉式升降平臺在抬升和下降、貨叉取放貨物的運動過程中，其受力情況較為復雜，較大的載荷和沖擊會使剪叉式升降平臺的支撐架和支撐軸產(chǎn)生變形，影響機器人在取放貨物時的定位精度，嚴重時甚至會發(fā)生貨物掉落等危險情況，因此需對剪叉式升降平臺進行靜力學分析及模態(tài)分析，從而確保機器人的取放貨物機構(gòu)在工作時的可靠、穩(wěn)定。智能倉儲機器人的整體結(jié)構(gòu)復雜，構(gòu)件繁多，如直接采用經(jīng)過solidworks設(shè)計好的機器人建模導入ANSYS軟件分析，雖然計算結(jié)果雖然準確但是計算任務量大，并且計算運行時間過長可能導致分析不能進行。為提高效率且讓有限元模型盡可能反應真實工程情況，本文對智能倉儲機器人取放貨物機構(gòu)的三段式貨叉和剪叉式升降平臺的結(jié)構(gòu)進行簡化。由于本文采用的貨叉為三段式貨叉，分為上叉、中叉和下叉，中叉與下叉間的傳動方式為絲桿與絲桿螺母，傳動方向與受力方向互相垂直，貨物等負載不會影響到絲桿與絲桿螺母，所以在簡化結(jié)構(gòu)中去除了絲桿與絲桿螺母；中叉與上叉間的傳動方式為齒輪齒條，主要受力支撐件為在中叉與上叉間的導軌與滑塊，故在簡化結(jié)構(gòu)中去掉了齒輪齒條機構(gòu)。上叉中叉之間，中叉下叉之間的支撐都是靠導軌與滑塊，導軌與滑塊的橫截面積為不規(guī)則形狀，所以在簡化結(jié)構(gòu)中將兩者的橫截面積簡化為了矩形。從貨叉工作情況看，貨叉在取貨物行程極限時剛度最差，產(chǎn)生撓度最大，故在簡化時把貨叉位置放在極限位置。剪叉式升降平臺的整體結(jié)構(gòu)較為復雜，在對平臺進行靜力學分析和模態(tài)分析，需對平臺整體進行以下簡化：（1）將平臺部分尺寸和重量較小的固定結(jié)構(gòu)零件進行簡化省略。（2）將平臺的支撐架進行簡化。（3）將平臺支撐架與支撐軸之間的臥式軸承座、支撐軸與支撐底座之間的立式軸承座簡化省略。（4）本次分析針對平臺處于全負載情況，且平臺處于極限位置。對三段式貨叉結(jié)構(gòu)和剪叉式升降平臺進行簡化要求設(shè)計后，需要準備用于分析的建模。進行有限元分析的結(jié)構(gòu)簡化主要有兩種辦法。一是在ANSYS軟件中直接建模，另外一個是利用外部三維軟件進行建模，在建模后把文件導出為ANSYS軟件可識別的格式。在ANSYS中直接建模的方法在實際應用中并不多見，原因為ANSYS的軟件建模存在操作繁瑣，建模困難，操作不方便，更改困難等缺點。故本文采用SolidWorks軟件進行簡化建模，在建模后把文件轉(zhuǎn)換為IGES格式導入到ANSYS軟件中，相比于用ANSYS軟件直接建模操作更加簡便，后期更改簡單。簡化后的三段式貨叉如圖4-3所示，簡化后的貨叉模型如圖4-4所示：圖4-3三段式貨叉的簡化模型圖4-4堆垛機貨叉的簡化模型4.3三段式貨叉的有限元分析4.3.1三段式貨叉的靜力學分析依據(jù)實際設(shè)計工況，使用ANSYS軟件分析，經(jīng)過以下步驟對貨叉進行靜力學分析。（1）定義材料屬性貨叉材料如表4-1所示：表4-1貨叉材料屬性參數(shù)名稱材質(zhì)密度（kg/m3）屈服強度（Pa）彈性模量（Pa）泊松比貨叉碳素結(jié)構(gòu)鋼78502.5×1082×10110.3（2）施加約束及載荷因為三段式貨叉是裝載在剪叉式平臺上，下叉相對于地面是不發(fā)生運動的，所以對貨叉下叉的下表面施加固定約束，使其保持固定不動的狀態(tài)?？紤]貨叉受力的特點，極限載荷下貨叉需承載25kg的載荷，故在貨叉上叉的上表面施加245N的力；因為在下貨叉的尾端安放了86步進電機等，所以簡化后在下貨叉尾端的上表面施加19.6N的力。（3）劃分網(wǎng)格導入貨叉模型后就可以將貨叉簡化模型進行網(wǎng)格劃分，由于本文貨叉結(jié)構(gòu)屬于規(guī)則結(jié)構(gòu)，所以采用自由劃分網(wǎng)格的方式即可，劃分后的網(wǎng)格如圖4-5所示：圖4-5三段式貨叉的網(wǎng)格劃分（4）有限元分析結(jié)果劃分網(wǎng)格后施加載荷和約束，進行運算后即可得到分析結(jié)果，應力分布云圖如圖4-6和圖4-7所示；位移形變圖如圖4-8所示。圖4-6三段式貨叉的應力分布云圖圖4-7三段式貨叉應力分布局部放大圖圖4-8三段式貨叉位移形變圖從圖4-6可以看出貨叉的應力集中位置在上叉與中叉的結(jié)合根部，結(jié)合實際建模可知貨叉上叉與中叉結(jié)合位置是滑塊與上貨叉的結(jié)合位置，最大應力值為2.7672Mpa，遠小于許用應力，故滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)合理。從位移形變圖可看出貨叉最大撓度為0.049895mm，遠小于貨叉撓度的要求，故滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)合理。4.3.2貨叉的模態(tài)分析三段式貨叉的振動特性會影響到機構(gòu)運行的穩(wěn)定性，本文對貨叉的模態(tài)分析采用和靜力學分析相同的幾何模型、網(wǎng)格劃分、材料設(shè)定、約束及載荷。對貨叉進行六階模態(tài)分析，模態(tài)分析的結(jié)果如表4-2所示，各階振型圖分別如圖4-9、4-10、4-11、4-12、4-13、4-14所示：表4-2貨叉各階振型頻率階次固有頻率（Hz）191.442264.893349.824400.365453.836603.83圖4-9三段式貨叉第一階振型一階分析圖中上貨叉的頂端向+Y方向擺動圖4-10三段式貨叉第二階振型二階分析圖中上貨叉的頂端向+Y方向輕微擺動，尾端向+Y方向較大擺動，中貨叉的頂端向+Y方向輕微擺動。圖4-11三段式貨叉第三階振型三階分析圖中上貨叉的頂端向-Y方向擺動，尾端向+Y方向擺動，整體已成波浪形；中貨叉的頂端向+Y方向較大擺動。圖4-12三段式貨叉第四階振型三階分析圖中上貨叉的頂端向+Y方向較大擺動，尾端向+Y方向輕微擺動，中貨叉的頂端向+Y方向輕微擺動。圖4-13三段式貨叉第五階振型五階分析圖中上貨叉的頂端左側(cè)向+Y方向較大擺動，頂端右側(cè)向-Y方向較大擺動，呈扭轉(zhuǎn)樣式。圖4-14三段式貨叉第六階振型六階分析圖中上貨叉的頂端向+Y方向較大擺動，中貨叉的頂端向+Y方向輕微擺動，兩者都成波浪狀，且發(fā)生了明顯的干涉。綜上的六階分析結(jié)果可得知，盡管在實際工作過程中很難產(chǎn)生高頻次的振動，不會產(chǎn)生上述振型所示效果，但必須注意避免三段式貨叉工作過程中產(chǎn)生高頻次振動，否則導致貨叉無法工作，貨物掉落等危險情況。4.4剪叉式升降平臺的有限元分析4.4.1機架的靜力學分析根據(jù)工況可得，剪叉式升降平臺在滿負載情況下并且平臺伸起到預設(shè)最高位置時的狀態(tài)為最危險狀態(tài)，因此本文針對平臺處于這種狀態(tài)下進行結(jié)構(gòu)的靜力學分析，使用SOLIDWORKSimulation軟件進行下列分析。（1）定義材料屬性本化簡后的平臺模型分為支撐架、支撐軸、支塊和上下支板四部分，四部分的材料都采用鑄造碳鋼，添加材料可在編輯模型時在材料庫中添加，鑄造碳鋼的屬性如下表4-3表4-3貨叉材料屬性參數(shù)名稱材質(zhì)密度（kg/m3）屈服強度（Pa）彈性模量（Pa）泊松比剪叉平臺鑄造碳鋼78002.48×1082×10110.32（2）施加載荷及約束從剪叉式升降平臺的工作狀態(tài)可知，在對其進行靜力學分析時，應對下支板和支塊添加固定約束，支撐軸與支塊之間添加鉸鏈約束，使整體保持靜止狀態(tài)。在完成對平臺約束后，對平臺上平面施加載荷，施加載荷的類型為壓力，根據(jù)公式P=F÷S=30×9.8÷0.08=3675N/m2，所以添加壓強P=3675N/m2的負載。（3）劃分網(wǎng)格考慮到剪叉式平臺的化簡模型要比三段式貨叉的化簡模型復雜，接觸也更復雜，所以在劃分網(wǎng)格時，選擇在劃分網(wǎng)格時，采用良好，結(jié)果如圖4-15所示：圖4-15剪叉式平臺網(wǎng)格劃分（4）有限元結(jié)果分析劃分網(wǎng)格后點擊運行此算例，即可得到計算結(jié)果，應力分布云圖如圖4-16所示；位移應變圖如圖4-17所示：圖4-16剪叉式升降平臺應力分布云圖圖4-17剪叉式升降平臺應變圖通過圖4-16可以看出剪叉式升降平臺的應力集中位置在支撐軸與支撐架的交匯處，最大值為6.976Mpa，遠小于許用應力，滿足設(shè)計要求。通過應變圖可看出平臺形變最大位置在上支撐板，最大形變量為0.2106mm，此變形量不會影響平臺在工作時的穩(wěn)定性，滿足設(shè)計要求。4.5本章小結(jié)本章使用ANSYSWorkbench和SOLIDWORKSimulation兩款分析軟件對取放貨物機構(gòu)的三段式貨叉和剪叉式升降平臺進行分析。應力應變方面，貨叉的應力集中位置在上叉與中叉的結(jié)合根部，即上叉與滑塊的結(jié)合部位，貨叉的應變最大在上叉的頂端，但應力與應變都小于計算值，符合要求，可知在設(shè)計三段式貨叉時，需要注意各叉的支撐位置和上叉的形變；剪叉式升降平臺的應力集中位置在支撐軸與支撐板的結(jié)合部位，應變最大也在支撐軸與支撐板的結(jié)合部位，所以在設(shè)計此平臺中，應著重注意這點。對比模態(tài)分析的結(jié)果可知，振動對機械結(jié)構(gòu)的運行穩(wěn)定性有著很大的影響，所以在實際工況中，需要盡量避免高頻次振動的發(fā)生。智能倉儲機器人設(shè)計展示5.1取放貨物機構(gòu)展示三段式貨叉見圖5-1，圖5-2，圖5-3圖5-1三段式貨叉正視圖圖5-2三段式貨叉左視圖圖5-3三段式貨叉?zhèn)纫晥D剪叉式升降平臺見圖5-4，圖5-5，圖5-6圖5-4剪叉式升降平臺正視圖圖5-5剪叉式升降平臺俯視圖圖5-6剪叉式升降平臺側(cè)視圖5.2攀爬貨架運動機構(gòu)展示攀爬貨架機構(gòu)見圖5-7，5-8，5-9圖5-7攀爬貨架機構(gòu)正視圖圖5-8攀爬貨架機構(gòu)仰視圖圖5-9攀爬貨架機構(gòu)側(cè)視圖5.3地面行走機構(gòu)展示麥克納姆輪見圖5-10圖5-10麥克納姆輪側(cè)視圖5.4貨架展示貨架見圖5-11，5-12，5-13圖5-11貨架正視圖圖5-12貨架左視圖圖5-13貨架側(cè)視圖5.5智能倉儲機器人總體展示智能倉儲機器人見圖5-14，5-15，5-16圖5-14機器人正視圖圖5-15機器人左視圖圖5-16機器人側(cè)視圖5.6設(shè)備工作演示設(shè)備工作演示見圖5-17，圖5-18，圖5-19圖5-17設(shè)備工作演示正視圖圖5-18設(shè)備工作演示左側(cè)視圖圖5-19設(shè)備工作演示右側(cè)視圖

總結(jié)與展望6.1結(jié)論本文是以同濟大學浙江學院智能產(chǎn)線中的智能倉儲模塊為研究對象，對現(xiàn)有貨架和堆垛機進行分析，設(shè)計出了本文的新型智能倉儲機器人。主要對取放貨物的機構(gòu)與機器人行動方式進行設(shè)計，最終對貨物種類繁多、貨架層數(shù)、倉儲空間狹小環(huán)境下的倉儲困難問題提出了自己的新型解決方案。本文的主要研究內(nèi)容包含以下幾個方面：以倉儲空間狹小，儲存空間寶貴為出發(fā)點，在保留原有貨架與貨架的間距之下，提出“一機管一列”的解決方案，就是以一臺新型智能倉儲機器人負責貨架一列貨物的方式。原有貨架為6列，同一時間只有一臺堆垛機在工作，且只能進行入庫或出庫兩者行動中的一者，但按照本文的方案，同一時間就有6臺“堆垛機”在工作，效率提升遠遠大于6倍。采用模塊化設(shè)計思路，將機器人的爬行上墻機構(gòu)獨立出來，這樣可以使得平常機器人利用剪叉式升降平臺能抬升到的貨位可直接取放貨物，當需要取放高貨位的貨物時，機器人的攀爬機構(gòu)吸附