毕业设计（伦文）-大型仓库智能装卸小车整车机构设计

I大型仓库智能装卸小车整车机构设计LARGEINTELLIGENTWAREHOUSELOADINGANDUNLOADINGCARVEHICLEBODYDESIGN

摘要目前，仓储物流机器人成为现代物流的一个重要组成部分，决定了一家物流企业的核心竞争力。在中国，物联网和电子商务的高速发展带来了物流行业的急剧变化，物流仓储机器人也需要革新，本文就将设计一种全新的智能装卸小车。本设计主要研究基于麦克纳姆轮的移动平台的结构设计。在对现有研究成果分析后,针对市场需要设计经济适用的方案，包括结构原理的设计和材料的选型加工，期间利用机械方面的原理知识对方案进行校核验算，并且用SolidworksSimulation进行零部件的静应力分析及运动学分析，选择合适的加工材料。关键词麦克纳姆轮；智能装卸小车；运动学分析

AbstractAtpresent,warehousinglogisticsrobothasbecomeanimportantpartofmodernlogistics,determinesthecorecompetitivenessofalogisticsenterprise.InChina,therapiddevelopmentofInternetofThingsande-commercehasbroughtabouttherapidchangesinthelogisticsindustry,logisticsandstoragerobotalsoneedtoinnovate,thisarticlewilldesignanewintelligentloadingandunloadingcar.ThisdesignmainlystudiesthestructuraldesignofmobileplatformbasedonMcNamwheel.Intheanalysisoftheexistingresearchresults,themarketneedstodesigntheeconomicapplicationoftheprogram,includingthestructuralprincipleofthedesignandselectionofmaterialsprocessing,duringtheuseofmechanicalprinciplesofknowledgeoftheprogramtochecktheverification,andSolidworksSimulationzeroPartsofthestaticstressanalysisandkinematicsanalysis,selecttheappropriateprocessingmaterials.KeywordsMcNamullwheel;intelligentloadingandunloadingcar;kinematicsanalysis目录9793摘要 I29003Abstract II14361绪论 1143451.1研究目的及意义 191091.2国内外研究概况及发展趋势 196441.2.1国内外仓储物流机器人研究概况 1106591.2.2仓储物流机器人发展趋势 3137492全方位移动智能装卸小车运动平台设计 5259962.1运动平台设计及原理性分析 5179362.2智能装卸小车车轮建模 10204442.2.1麦克纳姆轮原理分析及三维建模 10322882.2.2辊子包覆材料选择 13264423智能装卸小车功能模块设计 1528443.1智能装卸小车减震平衡机构设计 1541333.2智能装卸小车的抓取装置设计 18174723.2.1机械手臂三维模型建立 18246323.2.2机械手臂轨迹控制分析 2075903.3智能装卸小车的升降装置设计 22170984智能装卸小车装配定位分析 26181134.1智能装卸小车部件安装定位 26321674.1.1控制系统硬件定位 26311794.1.2视觉及循迹模块定位 27100604.2智能装卸小车三维模型装配干涉性检查 29275695智能装卸小车的仿真及实验 33245025.1智能装卸小车运动仿真及分析 3321075.2智能装卸小车样机装配及实验 3626721结论 3917533致谢 4023925参考文献 411绪论1.1研究目的及意义现在许多物流企业用于盖仓库的地皮购买和人工搬运上的成本越来越多，为了节省仓库面积和降低雇佣人工成本，改良货运设备，将搬运、仓储、装卸、信息交流等资源统一结合，智能管理系统比不可少，同时也需要一种具备多种功用的智能物流设备。如今，智能仓储物流机器人正在快速的发展。智能仓储机器人的设计首先需要一种平台，能实现狭窄环境中，在复杂路径上的运动，移动机器人就是很好的选择。现阶段，机器人技术在工业方面有着比较快的发展，仿真机器人比比皆是，可以自动执行指令完成工作，包括硬件架构部分和软件控制部分，即机构和算法，硬件方面有各种传感器和控制芯片，软件方面有各种函数和信号的处理反馈机制，可以完成大部分需要的设定的动作。智能装卸小车就是一个有着抓取装置的移动机器人。移动平台最重要的是轮子和连接结构，一般认为一个物体在空间内有6个自由度，而在一个平面上是有两个方向的移动和绕自身旋转一共三个自由度，如果该移动平台能够在地面上前后，左右移动和绕轴线旋转，则符合全方位移动机器人的定义；如果移动机器人在平面上不能实现三种运动，就是非全方位移动机器人。全方位移动机器人是以自身的万向轮为优势，解决普通轮式机器人无法在狭窄，复杂路径上行驶的问题的。麦克纳姆轮的的原理设计就决定了全方位移动机器人不需要通过转向传动机构不断改变车体的运动方向，而是通过轮子的组合运动实现，后期的智能规划程序的编写将会变的简单。本文研究的是一种智能物流机器人，在全方位运动平台上搭载用来装卸的机械手臂，能通过智能控制及路径规划。设计将采用基于麦克纳姆轮的全方位移动平台，麦克纳姆轮是万向轮的一种，由麦克纳姆轮组成的运动平台可以实现在不改变自身姿态的前提下，进行前后、左右的平移和绕自身轴线的旋转，这在狭窄的工作环境中就会带来很大的便利。设计将解决电机带动麦克纳姆轮转动时，产生的轴向力使得麦克纳姆轮脱落的问题，使智能装卸小车具有一定的爬坡能力。解决电机与麦克纳姆轮连接时的同轴度问题。而平台上搭载的将是6自由度的机械手臂，用来抓取搬运货物。在复杂的大型仓库中用机械手臂将货架上的货物或待存储的货物整齐有序的搬运到预定的位置，智能物流机器人的高精度必将减少工作失误和对逆向物流的需要。而且在进行路径规划和智能控制之后，将自主进行工作，当流水线技术成熟后所需要的只不过是对部分零部件的维修和更换，工作效率将大大提高。1.2国内外研究概况及发展趋势1.2.1国内外仓储物流机器人研究概况仓储物流机器人经历了快速发展的40年，它的研究进程大抵分为三个阶段：第一阶段：没有清晰的概念，主要是传送带和相关的机械设备，见图1-1；第二阶段：以自动导引车（AGV）为代表，通过视觉传感器或者电磁感应反馈装置，实现信号的采集处理，可以沿着预定的轨迹路径行驶，可以搬运东西，还具有安全保护功能；典型设备为亚马逊的Kiva机器人，但其实质上还是要人工进行分拣货物，见图1-2。第三阶段：在移动平台的基础上加上了智能控制系统和一些代替人工的设备，例如机械手臂、升降台、工业摄像机，提供了愈加友好的人机交互界面，并且与路径规划系统和智能控制系统结合，具有更精准可靠的执行能力，见图1-3。图1-1第一代仓储物流机器人图1-2亚马逊的Kiva机器人图1-3具有分拣能力的物流机器人智能仓储物流机器人在电子技术高速发展的现在，利用工业相机作为机器视觉代替人工视觉，运用到RFID自动识别技术、模型特征匹配技术、激光导引技术和机器人行走姿态估计技术。已经实现了智能控制和路径规划的物流机器人正在物流业中占到越来越重的比例，国内外已经有多个研究团队在进行研讨而且取得了一定的研究成果，这大大推动了物流机器人行业的发展。1.2.2仓储物流机器人发展趋势仓储物流行业需要大量的劳力资源，需要人工进行实际操作。因此物流行业的人工成本在物流企业的总成本中占有很大的比重。图1-4中国全社会物流总费用占GDP的比重从图中可以看出，就全国而言，物流费用占GDP的比重逐渐降低，但是所占的比例其实还是很大。相较于已经普遍使用仓储物流机器人的国外物流企业而言，中国的物流成本依然很高。随着机器人技术的成熟与发展，引发了仓储物流智能化的变革。现阶段，国内的物流公司正在积极的寻求产业的变革升级，智能机器人逐渐代替人力，降低物流人工成本，智能物流机器人的应用技术已经成为企业的核心竞争力。在国外，仓储物流小车在亚马逊的货运仓库已经有了非常广泛的应用。中国近年来，随着电子商务的发展，带动快递行业的迅猛发展，仓储物流成本在迅速增加，而国内物流集团在仓储货运方面还是没有广泛的应用仓储物流机器人。因此，国内具有非常广泛的市场，仓储物流机器人大有可为。2全方位移动智能装卸小车运动平台设计2.1运动平台设计及原理性分析对于设计者而言，科技的进步和发展带来的不仅是机遇，也是挑战。客户对非标机械产品结构和性能的要求越来越高，由于从国外进口设备的成本很高，而且国内有研究团队出成果的话，从国内研究者手中买产品将会减少成本，这就推动了国内非标机械设计行业的兴起，各种电子、机械原理也在不断的被验证和实现，形成一个良好的循环，这无疑是对国家技术进步非常有利的。产品设计受社会发展的刺激而不断的革新，在理念上也有体现，提出了一种新的设计概念，就是利用计算机三维绘图软件和校核计算软件来设计，称为CAE设计方法。CAE技术的发展和日趋成熟是国家科学技术发展的表现之一，是科学及工业发展的必然结果。如果计算机的性能和所建立的模型很精准的话，CAE技术是可以求解一个模型设计中需要解决的大部分问题的。通过CAE技术可以校核材料强度和结构的合理性，使设计简单化了。现代物流车的设计需要满足如下要求：（1）适应环境及工作性质的尺寸；（2）车体轻量化及高强度；（3）保持车身平稳的缓冲减震机构；（4）车体部分模块化，易于维修和更换零部件；实现运动控制的基础是机构。智能装卸小车作为大型仓库的物流搬运工具，面对的是一件件整齐的码在货架上的货物，需要在货物摆放架形成的一条条中间过道上进行移动，到达预定位置后将一件或者多件货物搬运到目标地点。这就需要智能装卸小车具有移动平台及货物拾取装置。本设计是建立在全方位移动平台上的。采用的是基于麦克纳姆轮的全方位移动平台，一般的有三轮式和四轮式的，见下图。由于本设计是需要搭载多个功能模块，而且智能装卸小车是在仓库过道内行走，小车在搬运货物时需要一个货物搭载平台，考虑到需要足够的空间和平台结构的稳定性，采用一般的四轮式的麦克纳姆轮运动平台。图2-1三轮式麦克纳姆轮小车图2-2四轮式麦克纳姆轮小车本次设计的智能装卸小车使用的是四个麦克纳姆轮，分别安装在四边形底盘的四个角的地方，且前后、左右都是对称的，每个麦克纳姆轮都是由单独的Maxon电机驱动的。假定辊子的轴线与设定的坐标轴正向呈一个夹角，这个夹角的大小和方向都是固定的，四个轮子都安装好后应该是从中心朝四周发散的，如下图所示。其中，车轮轴线与辊子的中心线夹角假设为45度。图2-3组合运动特性首先需要说明的是，单个麦克纳姆轮会受到电机的驱动力，辊子接触地面时产生的摩擦力，麦克纳姆轮受电机驱动时还会反转，其上的辊子也会绕着辊子轴线旋转。当四个电机进行联合调控时，麦克纳姆轮才会实现它的运动姿态。每个麦克纳姆轮受到的力都用向量来表示，那么单个麦克纳姆轮会有驱动力向量和摩擦力向量合成的一个各向量，然后四个轮子的分别的合向量进行向量和计算，得出最终的总合力矢量，这样才能在不改变车体运动姿态的情况下实现前后左右移动和绕车体垂直轴线旋转的动作。而且，麦克纳姆轮在转动的时候，所有辊子会包络在一个圆柱内，这是进行轮子建模得出的，所以轮子才能保持一个方向滚动，再通过法兰的连接，就进一步保证了这一点。麦克纳姆轮的运动方向同电机正反转的关系示意图如下图2-4。图2-4各运动状态移动方向示意图图2-5力学分析图如图所示，用表示小车的轮子，平台的几何中心点为O点，指的是辊子与地面的接触点，下标表示的是第i个轮子。，且i为整数。为小车的运动向量，其中为小车沿X轴正方向的运动速度分量，为小车沿Y轴正方向的运动速度分量，表示小车绕自身几何中心旋转的角速度。再对轮子进行定义变量，主要是角速度，如图中，分别定义为、、。根据三角定理和线速度与角速度的关系式，可以得到：（2-1）（2-2）（2-3）公式（2-1）、（2-2）、（2-3）变换为矩阵如下（2-4）平台运动学模型可以由一系列的矩阵运算得到，如式（2-5）（2-5）由上式可以看出，智能装卸小车的运动状态取决于四个麦克纳姆轮的各个运动分量：、、。而实际上各个麦克纳姆轮只有这一个外部控制输入量，其他两个运动分量都是由该被控输入量所产生的从属运动。为得到能直观描述智能装卸小车运动与被控输入量之间的关系，需要将上述模型进行简化。由于，将各个轮子对应公式的第一个方程左右两端对应相减，可得出式（2-6）。（2-6）将各轮子对应公式的第二个方程相加，可得式（2-7）。（2-7）再次进行公式两边的同时运算，可得式（2-8）。（2-8）将各轮子对应公式的第一个方程左右两端相加，可得式（2-9）。（2-9）将式（2-7）和式（2-8）代入式（2-9)，可求出Rw如式(2-10)所示。（2-10)联立式(2-7)、式(2-9)和式(2-10)，可得出合力向量与其中一个变量的关系(2-11)由以上的运动学公式可以看出，变量一共有四个，其中有三个可控量，且矩阵的秩是定量，这样可以通过控制变量之间的关系来实现不同的运动状态。，平台将沿与y轴正方向成角的方向平移。智能仓储物流机器人的工作环境是狭窄的，但是就算在这种情况下也要具备一般轮式物流车的工作性能。大型仓库的大体布局要为满足储存保管服务，利于作业优化，主要是货架的摆放和中间留空的问题，而物流机械在过道行走和抓取货物时，要在工作空间和走道的横向距离之内，为了仓库空间的合理性应用，一般仓库的走道会设计的比较狭窄，而且交叉的两条走道空间也很小，一般的物流机械在转弯时会很不方便，现在假定设计的智能装卸小车在一般的物流仓库的工作环境中。一般仓库布局见图2-6。图2-6仓库布局基于麦克纳姆轮的全方位移动平台在直角过弯时，由于其特殊的运动特性车体本身并不会发生转动，这样就不需要留出以车身对角线为直径的过弯圆空间，这样就节省了仓库的空间，同时，麦克纳姆轮的移动是可以定姿态操控的，即移动时只需要进行一次通道的选择，摆脱了一般的轮式车用方向盘操控不断进行倒车及调节方向的麻烦。四轮式的麦克纳姆轮运动平台还可以绕自身的轴线旋转，这样就避免了多次启动和急停姿态的转变，过渡更加平滑，装载的货物不会由于车体的晃动而晃动，这对于货运而言是难能可贵的。因此，智能装卸小车的运动平台采用四轮式基于麦克纳姆伦敦全方位移动平台。2.2智能装卸小车车轮建模2.2.1麦克纳姆轮原理分析及三维建模由于仓储环境的狭窄和提高工作效率的要求，在面临复杂路径规划时，智能装卸小车要运动平稳，就算遇到地面起伏也要过渡平滑，这对轮子的加工难度而言是个比较大的挑战，在制造方面精度要求比较高，所以麦克纳姆轮的研究相较于智能装卸小车的其他零部件而言要复杂很多。在进行整车模型的建立时，在麦克纳姆轮建模方面进行大量的研究。麦克纳姆轮主要分为两部分，一部分是轮毂，一部分是辊子。轮毂作为骨架，辊子安装在轮毂外缘上且与轮毂轴线呈一定角度。当然，其轮毂和辊子制造材料的选择，决定着整轮结构强度是否足够，如果麦克纳姆轮强度偏低，引起整轮变形，将导致全向车全方位运动不能很好地实现。轮毂如果不是用高强度的钢材做的话是不能够承受重载或者颠簸的路面的，并不如理论设计的那样低成本。而且一个轮子上有多个辊子，每个辊子的中心轴和包覆材料的选择也是非常重要的，因为如果是运用到重载机械运动平台的话材料的损耗也是一部分开支。所以综合起来，如今的麦克纳姆轮的性价比还是很低的。麦克纳姆轮上的辊子是没有动力驱动的，就是说没有驱动件连接，但是辊子是被轮毂包住的，所以可以随轮毂的转动而转动，而且每个辊子都有机会接触地面，在受车体过与地面接触点垂直向下重力的前提下就会有摩擦力的产生，就会绕辊子的轴线转，两者运动合力进行矢量求和，得到一个合力矢量，即力的大小和方向都有了。可以通过辊子的转速和正反转来调节合矢量的夹角方向和力的大小。麦克纳姆轮的轮缘由多个辊子组成的，和一般的轮胎外轮廓是圆形的原理相同，各辊子的包络面也是一个完整的圆，保证了麦克纳姆轮运动平台的运动平稳性。这是辊子曲面设计原理性指标，进而才可以研究麦克纳姆轮。从图2-7中可以看到，设圆柱底面圆的边线上有一点A，沿着坐标轴z轴正方向以一定的速度运动，同时以z轴为旋转轴旋转，运动终点为B点，其运动轨迹可以表示为圆柱表面的一条曲线AB,假设过圆柱内部的直线AB与z轴在平面上投影的相交线的夹角为，曲线AB绕直线AB旋转一周就形成了麦克纳姆轮的辊子曲面。所以，图中标明的三个量如果是给定的，那就可以确定辊子轮廓了。图2-7辊子包络面原理图图中，取曲线AB上的任意一点D，向直线AB上投影，投影点为C点，那么线段DC就是D点所对应的辊子半径，再向地面的圆周投影得到投影点E点，设其对应的圆心角是，同理可得B点投影点G点对应的圆心角为，其中，辊子半径(2-12)辊子最大半径rmax=r（），辊子两端最小半径rmin=r()辊子轴长(2-13)因为麦克纳姆轮在旋转时与地面接触原则上应该是只有一个接触点的，所以应该校验是否每次只有一个辊子与地面接触，这时引入一个参数来进行比较判断，即连续性比率系数(2-14)当时，说明任意时刻只有一个辊子与地面接触；当时，说明任意时刻有不止一个辊子与地面接触。由于加工工艺的误差及理论参数的选择，最终取接下来是进行麦克纳姆轮的三维建模，主要分为三个部分。第一部分是对轮毂的建模，第二部分是对辊子的建模，第三部分则是对整体进行装配。首先，由于辊子轴线和轮子轴线的夹角角度是由轮毂边缘弯折的角度保证的，所以在建立模型时选择弯折成的曲面进行详细的参数化设置，在实际进行加工时是进行钣金的加工，因此需要考虑钣金弯折时的角度误差，根据实际的标准又进行了细化模型建立，在完成最主要的曲面设计后在弯折成的面上进行打孔留来安装，最终轮毂模型见图2-8。然后对辊子进行建模，见图2-9，辊子总体是由滚花橡胶轮，滚花铝柱，轴承，铜管，螺丝，垫片，螺母组成，螺丝螺母都是从标准件库中直接导入，垫片和轴承是从机械设计手册中选择符合要求的进行建模。多个零件装配出一个辊子。图2-8麦克纳姆轮轮毂图2-9单个辊子结构图最后对整个车轮进行装配，由于本设计采用的是四个麦克纳姆轮组合运动，所以分布在车身左右两侧的两组轮子是不一样的，即麦克纳姆轮上的辊子安装方向是不一样的，右侧麦克纳姆轮组见图2-10，左侧麦克纳姆轮组见图2-11。图2-10麦轮组右图2-11麦轮组左2.2.2辊子包覆材料选择由于麦克纳姆轮结构的特殊性，滚动过程中会不可避免地出现打滑现象，为减小此现象带来的危害，可适当增大轮子与地面之间的摩擦系数。由于麦克纳姆轮运转时与地面直接接触的是小辊子外表面，为了保证小辊子具有足够的承载能力且摩擦系数足够大，选用聚氨酯作为辊子包胶表层，同时为了尽量减轻整轮的重量，辊子体及辊子轴的材料应选用密度小且满足强度要求的金属。在解决辊子轴和和包覆层问题后，辊子体可以采用注塑的方式生产出来。首先，麦克纳姆轮辊子的外围一定是一种弹性的材料，还要与地面产生摩擦。这样麦克纳姆轮在转动时，辊子与地面接触才不会打滑。而且该材料还要能够耐磨，弹性适中，具有一定的受腐蚀能力，最重要的是受负载能力要较强，毕竟要搬运货物，承载一定的重量。需要考虑以上种种状况，找到合适的材料，这样轮子的使用寿命才会长。所以在找玩常规材料和最近兴起的材料之后，最终选用聚氨酯弹性体，这种材料有以下多种满足要求的性能：（1）机械强度:聚氨酯弹性体的机械强度高，在橡胶中算是非常强的了。不仅可以具备弹性，还表现出很高的硬度，所以就重载方面还是很好的选择。（2）耐磨性:聚氨酯弹性体的耐磨性卓越，比一般的橡胶要好很多，摩擦系数较高，一般在0.5以上。（3）耐腐蚀性:聚氨酯弹性体与非极性矿物油的亲和性较小，在植物油，机油中不会受很强的腐蚀。（4）使用寿命:聚氨酯弹性体在受外界侵蚀过程中，外部各种形式的能量消耗于弹性体的分子的内摩擦，成为热能的形式，良好的能量转换性带来的是使用寿命的增长。3智能装卸小车功能模块设计3.1智能装卸小车减震平衡机构设计在之前的实验研究中，发现由于单个麦克纳姆轮与地面接触时只有一个点，因此在遇到颠簸时车体会有振动，有轮子脱离与地面的接触。如果地面上有杂质，例如毛发，胶质，灰尘沙粒等，麦克纳姆轮转动时很容易卡到辊子里，这个时候力矢量的方向就会发生改变，工作状况异变。虽然设计出来的小车是应用到大型仓库中，地面是平整的水泥或者大理石地面，遇到地面不干净或者地面有坡度，轮子会打滑，或者有轮子脱离地面。再者，一个Maxon电机只能驱动一个轮子，一旦打滑，将不能及时实现协调，合力方向瞬间改变，就实际实验情况来看，一旦轮子打滑，控制系统响应速度很慢，小车的行走姿态瞬间改变且不容易找正。这对智能路径规划无疑是非常不利的，会产生失误，延缓整个工作的进程。而且轮子打滑带来的车体振动会影响到车体内部元件，极有可能破坏车载设备，如机器视觉工业相机，导致电气线路接触不良或者缩短元器件的使用寿命。所以设计一个减震机构是十分需要的。本设计通过四个方法减少或者消除振动：尽量减少振动源的产生，合理布局智能装卸小车的中心；设计合理的结构以减震；使用类似车辆中的减震系统；针对性设计，假定机器人的特定工作环境进行研究。目前，基于麦克纳姆轮设计的运动平台最典型的有两种，一种是kuka的机器人，运用的是整体式设计，主要靠加工精度和规定工作环境保证其运动平稳性。见图3-1。还有一种是运用麦弗逊式悬架结构来减震的，见图3-2。图3-1Kuka机器人内部结构图图3-2麦弗逊式悬架市场上的减震器多是用于安装到汽车上用来减震的，例如减震胶弹簧缓冲胶垫、普通弹簧避震器、汽车钢板弹簧。一般都是安装在车身与轮轴之间，越是高档的车型在减震方面做的越好，这是为了提高乘坐汽车时的舒适感，减少地面颠簸带来的干扰。（1）钢板弹簧是如下图所示的结构，由多片合金弹簧片组合而成，最终成品就是一根近似等强度的弹性梁。结构简单，具有很可靠的工作性能，使用寿命长，成本还比较低，维修而言比较方便，被广泛的应用于汽车减震方面。图3-3钢板弹簧（2）普通弹簧由弹簧钢制成，根据胡克定律，弹簧相当于蓄能器，与其伸缩距离有直接的关系，价格低，采购方便，根据不同的运用场景要进行弹簧参数的选型，减震效果不是太明显，车体受到颠簸时不能及时减震。（3）减震胶弹簧缓冲胶垫用于防止或减少汽车在行驶过程中所产生的各种振动和噪声的橡胶配件，能够吸收和反射振动源的振动能量，有效遏制了共振效应的发生，在吸收振动方面有着一般弹簧不具备的优良特性。图3-4胶弹簧缓冲胶垫本设计也将采用一些类似的元件来减轻车体的振动。不像一般的悬挂式车体结构，不能够进行补偿，地面如果不是完全平整的话，麦克纳姆轮一个或者几个可能脱离地面，合力驱动力就无从谈起了。本设计将采用一种铰链式结构，见图2-12，车体前端采用两个轴承座和一根轴连贯车身，车身上的大轴承座的孔与选型的轴承配合，用卡簧限制轴承的窜动，前端的轴承座则直接靠螺栓锁紧轴，达到固定限位的效果，这样，车体前端同轴就形成了一个铰链。这样，车体前端允许转动一定的角度。同时，将安装弹簧减震机构和负压减震器。弹簧减震器是在车体上焊一个螺母，利用双螺母防松原理调节弹簧高度从而限制车体前端铰链结构绕轴旋转的角度，同时加上减震胶垫，可以吸收弹簧释放能量时的系统振动。由于是弹簧阻尼系统，在性能上比普通的弹簧有所提高。负压减震器是液压双缸式的，可调节压力，两头是球头，靠安装支座固定，因为是液压式的减震器，所以是利用液压减震的原理减少或者消除纵向震动和扭转冲击，避免了电气线路接触不良情况的发生。图3-5减震装置设计3.2智能装卸小车的抓取装置设计3.2.1机械手臂三维模型建立如今物流机械在不断的发展，也有了新的行业标准，例如托盘强度，码垛机器人等方面，机械手臂的先进程度逐渐适应了物流技术的发展。机械手臂可以进行货物的装卸运输，也可以进行搬运存储，它的技术水平是与物流装卸水平息息相关。机械手臂种类和性能都各不相同，现代化智能管理仓库要求物流装卸机器人技术进一步的发展。运用智能管理和路径规划已经逐渐推广开来，要想走在物流行业前沿，提高物流效率，必须提高机械手臂的设计水平。物流行业为提高工作效率也为工人提供了物流机械，如叉车、手推车、起重机等，但都需要人工操作这些搬运机械，这就带来劳动强度大、效率没有显著提高、物料放置位置不准确等问题。本文所设计研究的是一种仓库智能装卸小车，搭载类似kuka的六自由度机械手臂，适用于大中型自动化立体仓库中，它可以把统一规格的货箱从一个货架上夹取放到托盘上，通过智能控制和路径规划到达下一个地点，全程一切执行动作都由工作装置在控制系统的控制下进行，不需要人工，可以实现精准的货物抓取和摆放。本设计中搭载的机械手臂是仿Kuka六自由度机械手，考虑到机械手臂的回转半径以及工作需要，将机械手臂腰部安装到车体的前端，这样机械手臂在夹取东西后可以将货物安放在车体后部的平台上。机械臂主要为连杆机构，分为腰部，小臂，腕部，大臂和爪部。每一部分由舵机提供驱动力，舵机的特性是每个旋转中心的旋转角度是180度，所以机械臂工作范围有限。所画模型是有5个自由度的机械手臂，先是底座的建模，需要提供四个安装孔安装在小车上，同时起到支撑整个机械臂动作的重要作用，然后对腰部建模，大臂和小臂也由电机驱动实现了连杆机构的一个运动。爪部是由小舵机驱动实现旋转，这样在抓取货物时更加灵活。图3-6机械手臂由于机械手臂在抓取货物旋转时会产生质心位置的变化，动作太过迅速会带来车体的晃动。因此，机械手臂需要紧固的安装在运动平台上，且需要建立动力学模型对其质心分析和末端轨迹的计算。由于车体主要重量是由电池赋予，而电池设计在车体中间假设的X轴上，所以是在质心所在直线上，保证了车体在晃动时的一部分平稳性，而且考虑到机械臂抓取货物的方便性和机械臂的回转直径，所以将机械臂安放在车体前端。图3-7机械臂定位3.2.2机械手臂轨迹控制分析工作过程中，机械臂必须拥有平稳，精确，快速等性能。那就要求机器人的控制方面达到一定的精度要求，机械手臂的末端需要到达准确的位置。机械手臂在抓取货物后旋转，质心位置发生变化，可以通过PID整定，对误差进行估算弥补。现在，常用的动力学分析方法主要有拉格朗日法、虚功原理法和牛顿－欧拉法等，本文将以最经典的拉格朗日法和牛顿－欧拉法为基础建立动力学模型。在仿真前需要建立一个机械臂的三维模型，机械臂轨迹规划和智能控制都离不开基础性的三维模型。机械臂相当于是连杆机构，每个部分都是一个构件，质心o以加速度运动。根据牛顿力学原理可知力与加速度的关系：（3-1）机械臂的一个构件绕构件连接中心旋转的角速度为，角加速度为，根据欧拉公式可得旋转所需力矩：（3-2）由于是运用到智能小车上，将控制程序写到控制主板中，所以在分析过姿态和空间位置后要计算出到达预计位置时需要旋转的角度，而之前也提到机械臂相当于是连杆机构，每个部分都是一个构件，质心所在空间位置是在不断变化的，所以需要计算出组合的运动来达到这一目标，可以将这几次组合运动分为多级运动，计算出每一级运动的驱动力矩，每一瞬间每一构件质心的旋转速度、旋转加速度和线性加速度。多级运动即为从1到n，依次迭代。再根据牛顿－欧拉方程式，可以推导出作用在每一个构件质心的惯性力，还可以依此计算出力矩。（3-3）（3-4）运用达郎伯原理和虚位移原理这两个分析动力学的基础原理。达郎伯原理使我们有了惯性力这个参数，这样我们解决动力学问题时会更加的简单和全面。至于虚位移原理，假设结构在其他所有的外力作用下平衡了，机构即将发生的位移就定义为虚位移，这个时候，力还没使物体的运动姿态变化，假设它做的功就是虚功。将两个原理结合，可以进行下一步的推导。控制程序需要进行计算，所以先假设机械臂具有N个自由度。拉格朗日方程式为（3-5）其中，系统总动能T等于各构件动能之和（3-6）式中M为n*n阶矩阵（3-7）综合上式可得机器人操作器动力学方程的一般形式可写为（3-8）令（3-9）再对上式进行微分处理可得（3-10）即为动力学求解公式。理论上多级运动的组合运动系统将会采取一个最近即时间最短的方案来实现，而在这个过程中机械手臂的转动是连续的。六自由度机械手臂在空间内摆动时，形成的线条上的点都在算法得出的曲线上，而电机就是使各部件到达预定位置的驱动。推导出的公式中每个符号都有迹可循，分别代表着每一个参数，能够运用到循环语句中，在执行条件判断中对机器人实行控制。推导出来的关系式中，参数表示图中红圈内每一个关节，再联系组成机械臂的各个构件，最终可以设定初始位置，从函数的执行结果中选择出一组易于实行的，优化机械臂的轨迹规划。这样的规划带来的好处是显而易见的，节省了抓取货物的时间，还使得运转更加平滑。图3-8机械臂关节通过数据的处理和算法的研究，发现系统反应时间还是比较长，误差也总是在波动着趋向一个近似的绝对值，可能还有没考虑进去的影响因素，如果将这个影响因素以参数化的形式编入到算法中，进行嵌套处理，实现数据的多层计算过滤，将会使得函数曲线收敛至更理想化的数值，函数的波动也会更快的消弭，但是这对CPU的处理能力提出更高的要求，所以后期将会选择更加优质的芯片，并且对算法进行优化。3.3智能装卸小车的升降装置设计如果在算法上进行更深刻的研究，利用高阶函数求导的方法找出极值点，对函数进行收敛计算，会发现数值逐渐趋于理想值，证明算法是可行的。但是加大了工作量，而且还未找到更为合适的算法。因此，将采取误差弥补来解决这个问题。在自主导航时，由于缺乏全局定位设备，所以考虑用Wlan定位技术或者蓝牙定位技术等室内定位技术，然而室内定位技术需要在室内安装过多的摄像头，可能需要很高的成本，而且对于不同大小的仓库面积和货架摆放方式等情况，摄像头的布置方式和控制方案都不一样，这不符合设计的基本原则。设计一个升降定位平台，平台放上手机，可以在小车行走时升降到不同的高度，在丝杠的行程范围内进行不同高度的连续定位，运用手机的蓝牙功能，进行小范围内的定位。升降定位平台主要是由步进电机通过梅花联轴器与丝杠连接成的，再并排树立两根导柱，通过三根柱体搭建一个平台在其上，用来安放手机，见图2-20。丝杠高度为50cm，平台是升降的，所以重心较高，但是由于两根导柱是固定的，所以安放时保证了手机平台的稳定。平台上放的是手机，负载力在垂直丝杠的承载范围内，不会受过径向力，所以采用尼龙套作为导套滑轨，使得设计的中固定板能够在丝杠螺母的提升下沿着导柱向上提升，上固定板则用来安装轴承座用来和丝杠固定，且起到约束导柱上端和丝杠上端的作用，和下固定板一起保证了三根柱体的轴线平行度。中固定板上则安装了一个安放手机的托盘，在实验前将手机放在托盘里，且与主开发板通过蓝牙模块进行连接。升降装置不能干涉到机械手臂的动作，所以将升降装置安放在在加上蓝牙定位模块后，麦克纳姆轮打滑或者车体振动的话，还是会使得摄像头获得的视觉图像有模糊区域，所以在实验后处理数据时发现误差还是比较大的，但是已经通过定位也进行了模糊控制，实现闭环控制系统，所以能够实现基本功能，按照预定轨迹寻求和行走了。图3-9升降模块图3-10上固定板图3-11中固定板图3-12下固定板图3-13升降装置定位4智能装卸小车装配定位分析4.1智能装卸小车部件安装定位4.1.1控制系统硬件定位智能装卸小车控制系统由上位机和下位机两个部分组成。其中，上位机通过串口、CAN总线和下位机进行信号传递；而下位机主要实现数据的处理和执行，电机收到信号后做出相应的动作。控制系统的流程图见图4-1，包含了上位机、A/D转换模块、捕获单元、I/O口、CAN控制器、各轮电机码盘。由于当前的电子行业中，嵌入式开发逐渐成为主流，各种各样的系统被开发出来，这些系统之间的通信协议和对可靠性的要求不同，由多条总线构成的情况很多，连接线的种类和数量也变的很多，需要通过杜邦线、VGA线、USB连接线，将上位机与下位机相连。国外的公司开发出了面对汽车的CAN通信协议，就是为了解决连接线的数量和种类繁多的问题，而且在此基础上还能满足高速传输大量数据的要求。现在，CAN的不管是在工业自动化方面还是工业设备方面，都有很好的适应性，典型应用如西门子PLC、STM32开发板CAN传输数据接口等，高性能和可靠性得到社会各界的广泛认可。本次设计是要做出实物来的，要实现的功能比较多，所以在模块与主开发板之间会有很多的连接线，在安装模块在车体上时通常需要考虑布线的问题，如果需要走线就要在材料上开孔或者切割镂空，这样会影响整体结构的稳定性和强度，所以尽量减少线的数量。而且要提高信息传输速率从而解决四个Maxon之间相互协调的问题，综合考虑以上的问题本设计将采用CAN总线结构。主控制板采用STM32的开发板，连接四个瑞士Maxon空心杯减速电机，规格为RE35直径是φ35mm，石墨电刷，功率为90瓦。还有4个直流伺服电机驱动器盒和一个步进电机驱动器用来输出PWM信号控制电机。同时，还会有升降台模块都要安装在底板第一层上，考虑到重量均匀分布以调整重心位置，所以控制系统硬件模块分布如图4-2所示。电池安装位置是在整个车体的中间，电机控制模块安放在车体前后的部分，在车体底板上打孔后用螺栓固定。主控制板是在车体前端部分，这样方便连线。图4-1智能装卸小车控制系统硬件结构图图4-2控制系统硬件分布图4.1.2视觉及循迹模块定位现在市面上多见的是AGV小车，采用的是循迹模块实现固定轨迹的找寻和移动，需要在地面上贴磁条导引来作为路径的识别标志，但是这样就失去了麦克纳姆轮的全方位移动的意义。因为在大型的仓库机器人群集中，小车轨迹错误时需要重新找正，在这个阶段小车上载重导致重心的不平衡，这对于找正而言是非常麻烦的，由于智能装卸小车失去了姿态反馈在载重不平衡的时候，小车停止姿态不是可以预料的，而且不会在预定轨迹上,如果不能重新找正姿态就会拖慢工作进程。所以本设计将循迹模块和机器视觉相结合，组成小车的综合路径识别系统。机器视觉方面选用的是摄像头模块、适配器、开发板，其中适配器将24V转12V为摄像头进行供电，通过杜邦线连接主开发板串口上。因为要便于观察地面及识别标志性物体或者贴在货架上的标志，所以摄像头模块安装在小车车头位置。主开发板有电压转换模块可以通过电源直接供电。数据采集则是编写的程序写入到开发板中进行采集反馈到的信息，经过一些通讯协议和响应条件，实现一套反馈系统，再发送指令。循迹模块是需要在地面贴标志的，循迹模块上有led灯发射光线，地面上贴的标志反射光线后被循迹模块上的接收模块感应到，然后将信息反馈到主开发板中，进行信号的处理分析。图4-3摄像头模块摄像头安装和循迹模块的安装都是安排到车头部分，摄像头作为机器人视觉一定要装在前端靠上的部分，因为具备一个比较开阔的视野，所以在摄像头前端不能有阻挡，但是由于车身靠前部分是装载有一个机械臂的，机械臂在抓取货物或者回转的时候可能会干扰相机的视野，对于目标线的提取造成困难；如果安装到机械臂上，无论是机械臂运转时自身的振动还是每次机械臂摆动后回到原位都会带来画面的抖动，不利于视觉图像数据的后期处理；如果安装到前轮附近，位置较低，视野很窄，而且会被轮子挡住光源，对于相机的调焦而言会带来很大的影响。所以综合考虑还是决定安装到车体前端靠上的部分，由于不能直接插到开发板I/O口中，需要直接用杜邦线延伸过来，所以又用一个装置安放摄像头固定在前端的。至于循迹模块需要安装在离地面一定高度的地方才能准确识别地面上标志反射回来的光线。车体前端高度已经由电机安装支架尺寸和车身主体上轴承座轴线高度以及车轮尺寸形成的尺寸链决定了，所以经过调整后用合适长度的六角铜柱安装在车体上。见图4-4。实验时，机器视觉识别采用色度空间表达区分标识的颜色特征，可以分析简单的货架之间地面路径的界限，而且循迹模块也可以识别出来，基于距离场的方法计算目标骨架，系统通过Hough变换，得到空间内点的坐标，再统计到体现数学关系的函数中，反映出的是一根根线条，这样更容易处理。调用函数采用二阶NTD的自适应模糊控制算法，基于全向移动机器人导航控制的特点，NTD的布置进行了设计，先设计控制算法的逻辑关系，再编写数学函数，最终通过智能路径规划和路径状况分析来导航小车。图4-4视觉系统模块4.2智能装卸小车三维模型装配干涉性检查车体设计为双层式结构，第一层用来安放控制板、伺服电机控制器和电池箱，电池箱设计为可抽拉式的，便于定期更换电池。第二层设计主要用来安放机械臂和作为安放货物的平台。主体结构分为三段式，包括主车身和前后两段对称式槽身。主要材料选择3mm厚45号钢的钢板，前后两段槽身主要用于安装电机，通过弹簧减震平衡装置和负压减震装置与车主体部分连接固定。前后两段槽是用钣金加工工艺弯折成的，在弯折形成的两个面上安装有轴承座。车身上装载有六自由度的机械手臂，位于车身的前端，智能装卸小车通过智能控制到达预定位置后机械手臂按预定程序夹取货物放置到智能装卸小车的后部，然后搬运到下一个地点，卸掉货物后又返回原来的位置进行下一次的搬运。图4-5小车总装内部结构图

零部件装配好以后，要对其进行干涉检查，消除干涉情况，从而确定结构设计的正确性。在一个复杂的装配体中，仅凭肉眼来检查零部件之间是否有干涉是非常困难的，而借助于SolidWorks的干涉检查命令却能快速有效地完成干涉检查。该命令可选择一系列零部件进行检查，干涉部分将在检查结果的列表中显示。利用SolidWorks干涉检查，可以实现以下功能：快速验证零部件之间的干涉。将干涉的真实体积显示为上色体积。更改干涉和非干涉零部件的显示设定，以更好地查看干涉。选择以忽略要排除的干涉，如压入配合及螺纹扣件干涉等。选择以包括多体零件实体之间的干涉。选择以将子装配体作为单一零部件处理，因此不会报告子装配体零部件之间的干涉。区分重合干涉和标准干涉。首先点击干涉检查按钮，对整个装配体进行干涉检查，在计算后在结果里得到多个干涉部分的条目，每点击一个条目都会在模型中用红色部分显示，更易于发现干涉部位。图4-6整车干涉性检查结果显示在对整车干涉性计算后需要对干涉条件进行选择，由于部分是螺纹间的配合，比如丝杠螺母副和连接的螺栓螺母之间。有的部分是面与面之间重合产生了干涉，所以不勾选视重合为干涉的选项，至于子装配体部分的干涉可以在子装配体中进行解决，这样可以减少工作量，而使干涉零件透明就可以显示部件内部的干涉，所以勾选这个选项。最后对一条条干涉结果进行分析解决。整车装配体的干涉问题主要分为三个部分，第一部分是螺栓螺母间的干涉，丝杠螺母副之间的干涉是由于丝杠螺母的滚珠没有在丝杠的齿间滚动，这样的干涉可以忽略。第二部分主要是轴与孔之间的干涉，导致这部分干涉的原因是没有对轴和孔之间的基准进行分析，所选用的轴和固定轴的3D打印件的公差带应该选用过渡配合，首先对所建轴模型的尺寸进行修改，然后在装配进行配合时选择同轴心，最后一一解决了这一类的干涉性问题。第三部分是单个辊子的干涉性问题，这个属于是子装配体干涉性问题，通过打开子装配体然后重复上述几个步骤，在配合时保证面和面之间的距离。最终调整结果见图4-11。在完成本次的干涉性检查后，我熟悉了对装配体进行干涉检查，查看干涉的零部件，孤立零部件，编辑干涉零部件排除干涉。图4-7干涉结果条件选项图4-8丝杠螺母副干涉图4-9轴与孔干涉结果图4-10单个辊子装配干涉图4-11调整后干涉检查结果5智能装卸小车的仿真及实验机器人动力学和运动学追根究底是模拟其在特定环境中的工作状态，这对于非标机械的设计而言是非常好的一个验证方案是否可行的方法。各种机械电子产品特别是物流机械行业这种重载和有着高速率要求的，进行动力学分析很有必要。本文需要用SolidworksSimulation对运动模型进行运动分析，这就需要一个简单的运动模型，然后施加驱动力，模拟运动环境，人为设置障碍等。如果用总的装配模型去进行仿真，不仅是增加许多不定性因素，还加大了工作量，计算机处理不了庞大的数据。所以假定一些环境条件和运动条件，例如在SolidworksSimulation中画出地面的模型定义的时候设置为刚体，麦克纳姆轮也假定为刚体，不考虑他们的变形带来的影响。而且，理想状态轮子是不应该打滑的，所以这一点是前提条件之一。再有就是小车在加工部件或者安装时总会出现误差，这些误差也要忽略。5.1智能装卸小车运动仿真及分析在进行原理进行分析后利用SolidworksSimulation是对麦克纳姆轮单个辊子进行定义和生成网格，其他部件不需要考虑其在整体装配模型中的受力运动情况，而且在加工材料选型前已经对每一个部件进行了校核，不影响整体的运动状态，需要考虑的是辊子和轴在运动状态下的受力情况，所以只对辊子作详细参数设置，其他部件按常规参数生成网格。图5-1网格参数设置图5-2辊子网格生成在对主要部件进行网格生成后需要对一些零部件的特征进行简化。图5-3简化部件特征网格使用solidworks的运动算例功能对小车进行仿真，对四个麦克纳姆轮设置旋转马达，并且针对不同的运动状态，即左右移动和绕自身轴线旋转，分别设置不同的马达旋转方向。还要设置与地面的接触，用来保证麦轮的原理特性能完全体现。将零件的接触等参数一一设置好。最后点击运算按钮，小车在平台上运动，调节0.5倍速观看动画，小车正常运动，能够实现前后左右平移和绕自身轴线旋转。至此小车运动仿真完成。见图5-5。图5-4固定几何体参数设置图5-5运动仿真5.2智能装卸小车样机装配及实验首先搭建运动平台，并且开始安装固定电池和电机控制器，开发板。由于电机是在底板下面的，所以电机控制器和电机之间的连线是从底板上开的孔走线的，安装时主要是固定电机安装支架和麦克纳姆轮的连接固定问题。电机安装支架是用角铝加工得到的其垂直度由加工工艺决定，用4个螺栓固定电机安装支架。然后是铝型材的安装和功能模块的组装，包括升降定位装置、货物抓取装置。图5-6智能装卸小车运动平台在搭建铝型材框架时，发现直角连接件有的是靠在夹角内的，没有留出足够的安装空间，内六角扳手的手柄碰到一边的型材，无法安装，所以换了带有胡克铰的扳手，这样通过胡克铰的传递作用对角件施加合适方向的力矩和合适大小的预紧力。在安装机械手臂和升降装置时靠型材来支撑两者的底部。最终装配样机如图5-7。图5-7样机装配图接下来是对样机的实验，样机的操纵模式一共有两种，一种是用遥控器控制，还有一种是通过蓝牙连接，用手机APP控制。两种操纵方式体现了智能装卸小车的适应性。在进行前后的移动和绕自身轴线旋转后，发现安装的麦克纳姆轮从电机轴上脱落了，