基于智能制造场景的物流机器人小车系统优化

李珂嘉，陈选文，王保建，张 璐

（西安交通大学机械工程学院 陕西 西安 710049）

1 引言

基于第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛“智能物流小车”项目[1]，根据比赛要求搬运物料，需完成以下任务：按照预先设定的模式在特定比赛场地中完成相应动作。本文对工训能力竞赛的基于智能制造场景的物流机器人小车项目，提出几点优化。

2 设计目的

比赛中，机器人行至二维码识别区，通过二维码读取需要搬运的三种颜色物料的顺序，再移动到物料提取区，按照任务要求的顺序依次将物料搬运并准确放置到物料存放区对应的颜色区域内，完成任务后机器人回到出发区域。物流小车应该具有场地自主路径规划[2]、目标位置识别[3]、自主移动、二维码读取、物料颜色识别或形状识别、物料抓取和搬运等功能。

所有的设计须在完成必要比赛的前提下，在更短的时间里完成比赛流程，提高运行稳定性与放置准确度。

鉴于此，提出机械臂与机械手的优化[4]，最终能够缩减抓取时间，提高抓取效率。此外驱动底盘的优化，能够缓冲凹凸路面带来的冲击。

图1 智能物料搬运机器人比赛场地示意图

3 机械手臂优化

3.1 机械臂平行四边形连杆结构保持末端水平

为解决物料倾斜或晃动问题，在保证机械臂完成必要转向与抓取任务的同时，保持放置时机械臂末端水平，此动作要求机械臂至少有四个自由度才能完成末端水平的调整。

对机械臂进行如下优化，机械臂采用独特的平行四边形连杆结构，见图2 所示。

图2 机械臂平行四边形连杆结构

固定AB 刚性杆与地面垂直，机械臂的伸缩和升降都由连杆AC、BD 运动完成，与CD 刚性杆垂直固定的机械手抓系列圆弧杆件EF、GH、IJ、KL 会在运动过程中始终保持水平状态。此过程调整机械手抓依靠的是平行四边形连杆机构对边平行的性质，而不是舵机转动角度来完成，因此减少一个自由度。由此使得机械臂结构简单而高效，且末端质量减轻，稳定性更好。

3.2 采用圆盘云台底座

在万向底盘中，实现机械臂的转向需要在与底盘连接的地方增加一个步进电机，因机械臂上所有重力都由步进电机轴来承重，当重力不平衡时阻力会急剧增大，对电机的转向造成影响，见图3 所示。

优化方案：如图4 在机械臂运动过程中具有平衡与稳定的作用。

图3 传统舵机云台

图4 优化后的步进电机云台

3.3 机械手抓的优化

机械手抓要求实现抓放这一动作，即一个自由度，但工件大小形状各不相同时，不仅要完成工件的抓取，更要抓稳抓牢，使工件在转运的过程中不被破坏和滑落。

传统方案1：舵机驱动，通过齿轮减速，见图5、图6所示。这种方法比较笨重，抓取速度较慢。

图5 传统方案

图6 传统方案

方案二：以舵机作为驱动连杆辅助抓放的机械手，见图7、图8 所示，这种方法机械手的抓放开度太小，铅锤方向稳定性过差。

图7 传统方案

图8 传统方案

优化方案：取消齿轮传动和辅助连杆，将机械手连接在舵机上，在铅锤方向并列增加了一系列与物料配套的圆弧杆件。这种方案使机械手的张度大，铅锤方向稳定性好。见图9、图10 所示。

图9 优化方案

图10 优化方案

4 结语

本文讨论了在物流小车的制作过程中可能遇到的问题以及相应的解决方案，提出新的方案并做出创新性的优化。最终简化设计方案，提高精度和机器人小车性能，保证机器人小车在复杂环境中的稳定工作。