带机械臂的自主移动物流机器人开发_姚镇城.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期带机械臂的自主移动物流机器人开发姚镇城1，林群煦2，冯威潮3，张立炜2（1.惠州城市职业学院，广东 惠州 516025；2.五邑大学 轨道交通学院，广东 江门 529030；3.江门市腾米机器人技术有限公司，广东 江门 529030）0引言近年来，随着中国经济的快速发展，中国物流业迅猛发展，物流总量不断增长。2021年，全国社会物流总额超过300万亿元1。尽管如此，物流成本依然较高。统计数据显示，中国社会物流总额占GDP比例约为14%，与欧美发达国家的8%相比，仍然存在着不小的差距1。在物流效率方面，我国的物流效率也落后于欧美发达国家2。解决上述这两个问题的手段之一是提升物流系统的自动化水平，例如引进货物搬运机器人（如图1）。以亚马逊为例，13个配送中心的3万余台Kiva机器人在2014年节省了9.16亿美元，令仓库的整体工作效率提高了35倍，存货量也提升了50%，综合成本为人工仓储的1/43。天猫仿效亚马逊的做法，大力发展物流机器人和物流自动化设备，京东也在建设自己的全自动物流仓库。尽管物流机器人的引进使物流效益明显增加、物流成本显著下降，但当前使用的各种物流机器人仍然有不足。1物流机器人分类与不足1.1物流机器人分类从类型上区分，物流机器人包括以下种类：1）货物分拣机械臂。通常选用负载量大、工作范围广的串联式机械臂，在托盘、传送带、货架等之间进行货物的搬运分拣工作。机械臂通常是固定式的（如图2），适用于尺寸较大的纸箱、托盘在平面或立体空间内进行分拣。为适应不同形状货物的抓取，机械臂的末端采用吸盘和特制夹具。货物的放置位置固定，机械臂一般通过编写好的程序执行路径规划好的简单动作。对于在传送带上进行高速分拣的物品，通常基于机器视觉进行物品的定位和识别，采用并联机器人完成作业任务（如图3）。2）自动驾驶叉车和堆高车。自动驾驶叉车（如图4）和堆高车目前依靠激光雷达、深度摄像头等扫描仓库并建立地图。可以在地面预定位置、传送带、货架等之间，进行大尺寸、笨重货物的搬运工作。自动驾驶叉车和堆高车具有一定抬升能力，可以把货物放置于离地高度为03 m的位置上。截至2017年国内运摘要：阐述了我国物流快速发展的现状及面临的问题，对各类物流机器人的特点进行了介绍，重点列举了不同机器人的优缺点。针对部分物流机器人的不足，介绍了该团队研制的带机械臂的自主移动物流机器人，并介绍了该物流机器人的结构特点和功能。关键词：物流机器人；机械臂；自主移动机器人中图分类号:TP 242文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08002503Development of an Autonomous Mobile Logistics Robot with Robotic ArmYAO Zhencheng1,LIN Qunxu2,FENG Weichao3,ZHANG Liwei2(1.CityCollege ofHuizhou,Huizhou 516025,China;2.School ofRail Transportation,Wuyi University,Jiangmen 529030,China;3.Jiangmen Tengmi Robot TechnologyCo.,Ltd.,Jiangmen 529030,China)Abstract:This paper expounds the current situation and problems faced by the rapid development of logistics in China,introduces the characteristics of various types of logistics robots,and highlights the advantages and disadvantages ofdifferent robots.In view of the shortcomings of some logistics robots,the autonomous mobile logistics robot with a roboticarm developed by the team is introduced,and the structural features and functions of this logistics robot are described.Keywords:logistics robot;robotic arm;autonomous mobile robot基金项目：2019年度广东省高校认定类科研项目“带机械臂的自主移动物流机器人研制”（2019GKQNCX104）图1亚马逊Kiva物流机器人图2分拣机械臂（a）货物分拣机械臂（b）京东无人仓分拣机械臂25机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：行 的 自 动 驾 驶 叉 车 达 到3000套。3）托举式物流机器人。以Kiva物流机器人为代表的托举式机器人（如图1）高度低、重心低，有利于提高运行稳定性和转向灵活性，能够实现原地自转。作为智能仓库系统的一部分，这类机器人通常采用地面预设好的二维码进行导航定位。机器人上的抬升装置可以把仓库中的整个货架抬升搬运到分拣人员旁边（如图5）。另一类托举式物流机器人上方带有一个可以自动倾倒的托盘（如图6），将运载的货物倾倒入目的端口，实现货物搬运。4）室外送货机器人。这类机器人依靠GPS天线、深度摄像头、编码器、激光雷达等多种传感器，实现在小区、社区内进行食品、快递的配送工作。京东物流机器人（如图7）配备的视觉监控系统、防撞系统和超声波感应系统，使其具备准确感知周边环境的能力，能有效预防交通事故。截至2021年，阿里巴巴达摩院的自动驾驶物流无人车“小蛮驴”已落地全国22个省份，累计配送订单超100万，为20多万人送过快递。预计3 a后，小蛮驴车队规模将达1万辆，日均配送包裹数量有望达到100万件4。5）送货无人机。依靠无人机高速、走直线、越过不利地形、避免堵车等优点，送货无人机尤其适用于农村、荒漠、人员稀少、交通不便等地方进行快速的货物配送。2017年，京东第一个无人机配送站正式启用。2018年，顺丰启动“大型有人运输机+支线大型无人机+末端小型无人机”三段式空运网配送模式。1.2当前各类机器人的不足上述物流机器人具有突出的优点，因此在物流配送领域得到了应用。但各类物流机器人也存在一定不足之处：货物分拣机械臂一般固定于同一位置，即使是移动式机械臂，其作用范围有限，并不能覆盖面积巨大的仓库。自动驾驶叉车和堆高车只适用于笨重、尺寸大的货物在开阔的空间内进行搬运，对于小尺寸的货物显得大材小用；同时，其体积和质量较大，为保证安全，运动速度一般不高。货架托举式物流机器人运动速度慢，每次都会把不必要的货架和其它货物一起搬运，因此能耗较大；与人配合托举式物流机器人，每次只能分拣一种货物，工作效率低；带自动倾倒装置的托举式物流机器人主要应用于开阔的分拣环境，并不适用于拥有众多货架的仓库。室外送货机器人一般不适用于仓库的分拣，且必须与人进行配合才能完成快递的配送。送货无人机的载重量和续航时间有限，且不能应用于雨雪、雾霾等能见度低和台风等环境，并且收货地点必须符合降落或投放货物的需要。2带机械臂的物流机器人具有良好发展前景针对上述问题，带机械臂的物流机器人应运而生。硅谷机器人公司研发出仓储机器人Fetch和Freight（如图8），Fetch机器人负责将货架上的商品取下，放 置 到 Freight 机 器人，并由Freight机器人运送至打包区进行打包作业。爱沙尼亚邮 政 科 技 公 司Cleveron推出的第一款快递机器人原型，配备的一个可折叠机械臂能够把快递送到客户家前方的快递箱中。带机械臂的物流机器人具有高度的自主运动性能，适用于室内仓库和室外环境的货物分拣和快递配送。3带机械臂的自主移动物流机器人研发本研究团队在带机械臂的物流机器人的基础上，研制出带机械臂的自主移动物流机器人（如图9），该机器人采用左右两个驱动轮位于中部、四周采用4个辅助轮的底盘结构，具有运行稳定性好、转弯半径小的优点；自研的串联式机械臂臂展超过1 m，定位精度在5 mm以内，满足多种物品的拾取定位要求的同时，具有成本低、便于推广的优点；为了弥补机械臂定位精度不高的问题，机械臂前端采用吸盘作为末端拾取装置，可以拾取不同形状的物品；机械臂可以自由升降的高度为2252025 mm，满足在不同高度位置货架上进行商品分拣的要求；机器人内部拥有不少于3层承托板，可以把货架上的货物放置在上方并搬运到分拣处，也可以预先把货品放置于承托板上，机器人自主进入仓库中把商品放置于货架中。可见，该机器人具备对仓库进行出库和入库的能力。为实现机器人图3ABB公司的并联机器人图4自动驾驶叉车图5Geek+货架托举式物流机器人图6带自动倾倒功能的京东物流机器人图7阿里巴巴物流无人车“小蛮驴”图8Fetch和Freight仓储机器人26机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期（上接第24页）评价方案二完全复合设计和生产要求。由于设计方案是从核心专利中分析得到的设计思路和想法，所以需要对两方案进行侵权判定。经过对原专利群的技术特征、技术效果、权力要求等进行对比后，确保两方案均不侵犯已有专利的专利权，并完成了两方案的专利申报工作（一种窗户玻璃保护结构，专利号为CN201922266817.4；一种防风窗户安全保护器，专利号为CN202120655946.7）。4结论本文提出的基于TRIZ理论与奥斯本检核表法的专利创新方法，通过资源分析列出核心专利的系统资源，运用奥斯本检核表法引入强制思考提出方案，通过TRIZ理论求解工具解决具体技术问题，最终对核心专利实现规避和挖掘。运用此专利创新方法对百叶窗相关领域进行了专利创新设计，验证了此方法的可行性和合理性。此方法的提出能有效帮助企业拓展相关领域的新专利，为企业的进一步发展提供了有力保障，也为科研人员寻找创新方向提供了新的思路。参考文献1HUNG Y C,HSU Y L.An Integrated Process for DesigningAround Existing Patents through the Theory of InventiveProblem-solvingJ.Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers,Part B:Journal of Engineering Manufacture,2007,221(1):109-122.2PATRICK B,PINKERTON J,PATRICIA P,et al.Design AroundValid US PatentsR.Bonita Springs:Patent Re-sources Group,1994.3江屏,张瑞红,孙建广,等.基于TRIZ的专利规避设计方法与应用J.计算机集成制造系统,2015,21(4):914-923.4成思源,王瑞,杨雪荣,等.基于TRIZ的专利规避创新设计J.包装工程,2014,35(22):68-72.5桓源,栾飞.基于TRIZ理论的苹果分拣套袋装置的设计J.机械设计,2021,38(增刊2):104-107.6凌旭,刘敏,肖芝,等.基于TRIZ理论的涡轮增压器降噪方法J.机床与液压,2021(14):75-79.7王学鹏,成思源,周金平,等.TRIZ工具的简化研究及应用J.机床与液压,2014(15):130-132,137.8田青.奥斯本检核表法对创造性思维产出影响的实验研究D.苏州:苏州大学,2012.9钟瑞洲,成思源,杨雪荣,等.面向需求的专利集群分析与再设计J.机床与液压,2020,48(22):64-68.10穆秀秀,曹国忠,魏丛格,等.核心专利群规避设计案例研究J.工程设计学报,2015,22(3):201-210.11王卫华.基于TRIZ的多项目并行下资源冲突问题研究D.西安:西安理工大学,2018.（编辑邵明涛）作者简介：桓源（1997）,男,博士研究生,研究方向为产品创新理论、机器人创新设计等；任工昌（1962）,男,博士,教授,研究方向为产品创新理论、机器人创新设计等。通信作者：任工昌,。收稿日期：2022-08-30图9带机械臂的自主移动物流机器人实物图图10机械臂搬运物品的自主运行，开发出基于双目摄像头的自动驾驶程序，令机器人具备建立地图、自主规划路径和自动避障的能力。通过机械臂末端的二维码识别模块，可以识别货架上预先粘贴的二维码令机械臂对于商品的定位更加准确。基于双目摄像头的移动机器人导航技术，一方面为物流机器人提供精准的定位和高效的自主路径规划能力，另一方面可以迅速适应仓库布局的变化，遇到障碍物时可以重新规划路径，从而进行规避。多台物流移动机器人可以协同工作，在仓库中共同完成任务。成功研制视觉伺服控制机械臂的程序，在机械臂的末端上安装深度摄像头，可以对物体进行识别和定位，并引导机械臂运动到待搬运物品前（如图10）。通过吸盘吸附和搬运物品。研制出臂展超过1 m、负载能力达到12 kg的串联式机械臂。该机械臂的成本要远低于市场上同类产品，有利于项目的推广和相关技术的商业化应用。4结论从上述分析可以看出，本项目研发的带机械臂的自主移动物流机器人具有突出的优点，可解决现有物流机器人存在的问题。对于提高无人仓库的效益，实现快递配送的“最后一公里”的真正无人化起到积极的推动作用。参考文献1前瞻产业研究院.2021年中国物流行业市场规模现状分析物流规模突破300万亿、物流收入保持增长EB/OL.2021-07-02.https:/ EB/OL.2017-12-11.https:/