仓储机器人底的研究

文/杨建辉 蔡颖杰 周圣云

自亚马逊收购仓储机器人Kiva Systems开始，国内GEEK+、快仓、怡丰机器人、海康威视等公司相继推出了仓储机器人产品。仓储机器人主要应用于快递分拣行业，实现“人找货”到“货到人”的转变，有效提高货物的拣选效率和拣选准确率，目前在苏宁、唯品会、北方出版集团等公司得到应用。由于仓储机器人采用六轮底盘结构，其中两轮是驱动轮，其余四轮是万向从动脚轮，所以仓储机器人存在一个共性的问题，那就是驱动轮容易出现打滑。GB/T 20721-2006《自动导引车通用技术条件》中要求AGV行走路面起伏程度在1m2的范围内不超过3mm。而在项目实际实施过程中，AGV行走路面起伏程度一般都超过了3mm/m2，所以解决仓储机器人对地面的适应性问题尤为重要（地面起伏程度在8mm/m2也可以行走不打滑）。本文通过对驱动轮附着力的分析，提出了一种新的仓储机器人底盘，实现仓储机器人行走不打滑的目的。

一、现有仓储机器人底盘结构

现有仓储机器人底盘与卡内基梅隆大学的设计类似，底盘结构示意如图1。在仓储机器人底盘中间安装有两个差速驱动轮，四角各有一个万向轮。为了使AGV定位精度高，导航行走精度高，驱动轮必须接触地面并有足够的附着力。否则，驱动轮悬空或附着力小会出现驱动轮打滑，导致AGV跑偏。因而现有大多仓储机器人厂家采用驱动轮悬浮结构，如图2。

图1：仓储机器人底盘结构示意图

图2：驱动轮悬浮结构示意图

图3：驱动轮受力分析示意图

图4：新的仓储机器人底盘结构剖视图

从图2可知，驱动轮可绕绞点A上下转动，并通过另一端的弹簧力使驱动轮接触地面，以适应地面起伏，并提供足够的附着力。

二、现有驱动轮附着力分析

忽略驱动轮自重重量，对现有仓储机器人驱动轮受力分析如图3。

根据受力分析有：

式中： 为驱动轮的附着力； 为弹簧压力； 为A、C两点的水平投影距离； 为A、B两点的水平投影距离；为弹簧的刚度； 为弹簧的压缩量；为仓储机器人底盘空载时重量。

根据式（1）、（2）和（3）可得：

根据式（4）可知：当 和为定值时，弹簧压力不能太大，避免出现空载时把仓储机器人底盘上的其余万向轮悬空，导致仓储机器人行走出现不平稳现象；同时，由于地面不平的原因，会导致弹簧压缩量 变化，为了保证附着力受弹簧压缩量变化影响更小，弹簧刚度 不宜过大。

三、新的仓储机器人底盘结构

1.新的仓储机器人底盘结构介绍

新的仓储机器人底盘结构如图4，结构原理如图5。

与原有仓储机器人底盘相比，新的仓储机器人底盘由原来的一个整体底盘变成了上、下两块底盘。下底盘通过铰点E可绕上底盘转动。同时在上下底盘之间安装弹簧，实现上下底盘运动的缓冲。

2.新的仓储机器人底盘对地面适应性分析

图5：新的仓储机器人底盘结构原理图

图7：驱动轮上凸AGV底盘状态图

图8：仓储机器人底盘受力分析示意图

由于仓储机器人是六轮底盘结构，当AGV行走路面有起伏时，如果出现驱动轮悬空或附着力不够，就会出现AGV行走打滑。而新的仓储机器人底盘，由于采用上下底盘分层设计，可有效避免驱动轮悬空或附着力不够，同时也可避免万向脚轮悬空，保证AGV行驶平稳。如图6，地面不平使万向轮下凹时，下底盘绕铰点E向下转动，可确保上底盘驱动轮紧贴地面不会打滑；同理，地面不平使万向轮上凸时，下底盘绕铰点E向上转动，可确保上底盘驱动轮紧贴地面不会打滑；图7中，地面不平使驱动轮上凸时，上底盘向上转动，可确保上底盘驱动轮紧贴地面不会打滑；同理，地面不平使驱动轮下凹时，上底盘向下转动，可确保上底盘驱动轮紧贴地面不会打滑。

四、新的仓储机器人底盘附着力分析

1.底盘附着力受力分析

根据仓储机器人底盘的结构形式，对底盘整体、下底盘和上底盘进行受力分析，分别如图8、图9和图10。

设前万向脚轮与地面的接触点为A，作用力为 ，驱动轮与地面接触点为C，作用力为 ，后万向脚轮与地面的接触点为B，作用力为 ，负载和下底盘重力作用在D点，作用力为 ，上底盘重力作用在C点，重力为G，铰点E处，作用力为 ，弹簧对上底盘作用点在H点，作用力为 。A、C两点距离等于B、C两点距离设为m，E、C两点距离设为n， H、C两点距离设为y，A、B两点距离为2m。根据力学平衡有：

图9：下底盘受力分析示意图

图10：上底盘受力分析示意图

图11：附着力Fc与Fh的关系曲线

图12：附着力Fc与Fd的关系曲线

2.附着力影响因素分析

根据设计要求，仓储机器人上底盘重量G=1000N、 ≤6000N、

≤2 1 0 N、m=3 7 5 m m、n=255mm、y=170mm。从式（9）可知，当负载（ ）一定时，驱动轮附着力与弹簧弹力的关系曲线，如图11。当弹簧弹力（ N）一定时，驱动轮附着力与负载的关系曲线，如图12。

从图11和图12可知：当负载一定时，驱动轮附着力随弹簧的弹力 增大而减小，由于弹簧弹力只是对上下底盘起缓冲作用，因而弹力不宜太大；当弹簧弹力一定时，驱动轮附着力随负载的增大而增大，从而可有效避免由于负载过大，驱动轮附着力不足而打滑。

五、结语

通过对现有仓储机器人底盘结构的附着力分析，本文提出了一种新的仓储机器人底盘，通过对新的仓储机器人底盘分析得出：新的仓储机器人上、下底盘采用铰接方式，使其对地面起伏的适应性更好；通过对底盘的受力分析，驱动轮附着力会随负载的增大而增大，可确保驱动轮不打滑。