一种重载移载机器人的设计开发

陈成华

一种重载移载机器人的设计开发

陈成华

（厦门航天思尔特机器人系统股份公司，福建 厦门 361021）

针对现有移载式机器人载重方面的问题，设计一种重载移载机器人，能够高效、准确、灵活完成物料搬运，满足现代物流对于长距离大负载的需求。该机器人基于现代工业设计，通过工业互联网连接，运用人工智能进行管理运行和统一调度。介绍了该设计原理及系统构成情况，不仅能提高工作效率，还能提升智能化水平，取得良好的经济效益。

重载移载机器人；系统设计；性能；应用效果

当前中国正在实施“中国制造2025”战略，以实现制造业的工业化和智能化。在工业生产制造领域，对于移载机器人，特别是重型装备行业在转型生产方面对重型移载机器人有迫切的需求。目前市场上常见的移载式机器人主要有AGV（即自动导航搬运车）小车，该车是由舵轮驱动，在重载货物环境下存在一些问题，比如启动时由于负载大并且舵轮摩擦地面导致启动扭矩很大、在重载情况下舵轮磨损大以及使用双舵轮驱动存在地面不平整时会有驱动打滑等情况。而6轴式机器人也存在负载低，工作范围有限等问题，不能满足现代制造业对物流系统长距离大负载的要求。因此，设计开发一款重载移载机器人对于解决目前工业生产重载不足问题有着重要意义。

1 重载移载机器人的设计

1.1 工作原理

该重载移载机器人运行原理主要是，通过四组浮动式麦克纳姆轮机构驱动重载移载机器人做全方位运动，万向脚轮也起到支撑小车及物料质量的作用。车身为钢结构件，主要提供支架系统和工件的承载。升降机构采用液压升降机构能够承载30 t的负载，升降行程400 mm，通过升降实现工件的取放。

1.2 重载移载机器人结构构成

本设计是一种重载移载机器人，专门用于工业货物运输。该机器人由承载机构（车架、升降机构、工作台）、驱动机构（4组麦克纳姆轮伺服驱动机构）、安全保护装置（非接触和接触双重保护）、供电系统（电池、智能充电装置）、引导系统（磁导航装置、导航磁条、地标）、电气控制（PLC控制）、钣金外罩等组成。主要结构部件是麦克纳姆轮驱动机构，具体如图1和图2所示。

1.3 性能特点

1.3.1 载重能力强，应用范围广

该重载移载机器人负载能力大，最大可达30 t，而普通6轴机器人负载能力一般不超过1 t，而且工作半径小。适用于建筑行业、石油装备行业、工程机械行业、食品行业及重工行业等。

1—麦克纳姆轮驱动机构；2—车架；3—三色警示灯；4—充电接触板；5—液压升降机构；6—导向机构； 7—工作台；8—安全感应装置；9—外罩。

10—万向脚轮；11—蓄电池；12—液压站；13—RFID地标传感器；14—控制柜；15—磁导航传感器。

1.3.2 全方位驱动，智能化高

该重载移载机器人采用全方位驱动方式，具有可实现前进、后退、侧移、旋转等全方位行走，以及将物料自动输送到生产线中的各个工位等优点。

1.3.3 工作高效，全自动运行

该重载移载机器人可以高效、准确、灵活地完成物料的搬运任务，并且可由多台组成柔性的物流系统，实现物流自动化，配合6轴机器人完成生产线自动生产，以达到提高生产效率和降低成本的目的。

2 静力学特征分析

在设计研发机器人阶段，对其进行静力学分析是必不可少的步骤。通过静力学分析，可以得到机器人在外力（力矩）作用下的应力、应变及位移分布，根据分析结果能够清楚地了解设计中存在的缺陷及结构中出现的薄弱环节，并据此进行优化设计。本文借助机械仿真设计软件Autodesk Inventor 工具，对该重载移载机器人的主要构件和整机典型位姿进行了静力学分析，根据分析结果对部分零件机械结构进行优化设计，得到了整机在最大载荷情况下工作空间内的静刚度分布特性，并进一步优化，最终达到提高其整机刚度、位置精度和动力学性能的目的。

本文对重载移载机器人主要构件和整机进行了静力学分析，并根据结果做出结构优化，得到如下结论：可显著提高其静刚度；机器人的静刚度随其在工作空间内的不同位姿而发生变化，在最远端附近静刚度最小，最近端附近静刚度最大；综合考虑节省材料和重载移载机器人末端位移最小。

3 子系统设计分析

3.1 控制系统

重载移载机器人控制系统包括车载控制器和中央控制器两部分，两部分之间通过通讯系统通讯。中央控制器负责任务调度、路径规划和交通控制。车载控制器负责完成移载机器人的任务执行、运动、导航、传感器、充电、安全等方面的控制。

3.2 导引系统

车架底部的磁导航传感器检测贴在地面的磁条，使其沿着磁条行驶。磁导航传感器采用多路采样点输出，当采样点的位置出现偏移会自动作出调整，确保沿导航磁条前行。定位精度约±10 mm。机器人底部的RFID地标传感器识别铺设在地面的地标信息，可以获取当前机器人的位置坐标，同时根据程序指令实施启动、停止、拐弯等动作。

3.3 安全系统

安全感应装置实时检测前方是否有障碍物，起到防撞作用。移载机器人采用双重安全保护，障碍物接触到接触式传感器时，机器人立即停止。

3.4 供电系统

蓄电池为重载移载机器人提供动力源，当电量低于设定值，小车自动行走至充电区域，由智能充电站给蓄电池在线充电。

4 应用效果分析

新开发的重载移载机器人运用于工厂的货物运输后，在增加载重、节约成本、灵活运用等方面取得了良好的经济效益，提高了工作效率。

减少相应的设备投资，降低成本。每套新设计的重载移载机器人造成本约100万，载重量30 t。而同规格的沈阳新松品牌的重载AGV小车普通移载机器人在市场上每套则约150万元，载重30 t。该项目使用的5套直接为公司节省设备采购成本250万元。

改善了工人劳动强度与操作环境。新设计的重载移载机器人实现整线各个工位物料的自动运载，降低人员的参与程度，改善了工人劳动强度和操作环境。

降低了人工成本，缓解招工难的问题。高度自动化智能化的重载移载机器人，全过程实现自动工作，大大减少了工作人员，而且载重大、距离远，提高了效率，降低了成本。

优化现场物流管理，减少了占地面积和运转料框，缓解生产车间场地紧张问题，使焊接物流顺畅，生产工位件价值流明确化，提高生产管理水平。

响应公司向工业自动化方向推进的号召，提高公司产品工艺水平和质量，提高公司产品核心竞争力，最终提升企业技术水平。

5 结语

重载移载机器人应用于工业生产后取得了预期的效果，大大提升了生产运输的质量，提高了工作效率，而且长距离的运输有助于降低成本。技术开发工作也促进了公司自主研发和技术创新，推动公司生产自动化智能化水平的提高。当前工业科技巡视发展，智能机器人广泛应用于生产领域，需要进一步提高生产的自动化，逐步替代有安全风险且重复简单的人工，从而提升企业劳动生产率，降低工作风险，实现企业发展与效益双提升。

［1］杨玮，曹巨江.弧面凸轮机械手腰身运动传动装置的研制与开发［J］.制造技术与机床，2008（4）：114-116.

［2］陆地，任龙，王胜.按压检测机械手的设计及研究［J］.制造业自动化，2016，38（1）：42-45.

2095－6835（2020）20－0098－02

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.042

陈成华（1982—），男，福建建瓯人，本科，中级职称，研究方向为AGV自动移载小车。

〔编辑：严丽琴〕