一种抱夹式快速货物搬运机械设备的制作方法

文档序号：16471793发布日期：2019-01-02 23:10阅读：395来源：国知局

本发明涉及一种搬运箱式货物的机械设备，尤其是具有全向移动的功能，能采用抱夹方式自由提升与放下货物，且在特定工作条件下能实现快速自主运行的搬运用机械设备。本发明用于物流仓储环节中对货物进行快速分类和搬运。

背景技术：

在现代物流行业中，能否在仓储环节实现对货物的快速分类与搬运，对物流生产运输效率具有重要的影响。为顺利完成货物在仓库内不同区域间的转移工作，常规的货物搬运方法主要有人力搬运、传送带搬运及起重机搬运等。人力搬运的优点在于搬运货物种类灵活，且能将货物转移到大多数指定地点，但缺点是对超重超大物品难以有效搬运，工人工作环境差劳动强度大，对企业而言会产生额外的人工成本。使用传送带改善了工人的工作环境，且能够运输相比人工更重的货物，设计合理的传送带运送效率很高，但传送带所搬运货物的体积和重量仍受到限制，同时只能使货物在指定的路线上运输，很难随意改变货物搬运的终点。起重机运输特别适合对大型货物的搬运，运送的起点与终点也相对灵活，但起重机需要较为宽敞的工作环境，且吊钩的摆角控制仍是难题，运输效率较为低下。

为了克服物流仓储运输中所遇到的问题，并提高运输效率，本发明设计了一种抱夹式快速货物搬运机械设备。通过底盘上安装的麦克纳姆轮实现该机械设备的全向移动，灵活避开障碍物提高搬运效率。同时将由两个对称布置的气缸所组成的夹具安装在起升机构上，实现抱夹住中大型货物并抬升搬运。

技术实现要素：

为了改进物流仓储运输过程中货物搬运的能力，提高搬运效率，本发明提供了一种快速搬运较重箱式货物的方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种抱夹式快速货物搬运机械设备，其特征在于，包括框架结构、底盘结构、抬升机构、夹取机构这些机械设备和主控系统，其中

所述框架结构主要由型铝(2)组成，包括水平的向框架结构、垂直向框架结构，所述水平的向框架结构用于底盘结构，所述垂直向框架结构用于抬升机构；

所述底盘结构采用麦克纳姆轮(1)作为驱动，其结构设计为：底盘结构设计成框架平面结构，包括四个麦克纳姆轮(1)、以及每个麦克纳姆轮(1)对应的电机(8)、四个电机支座(11)，四个麦克纳姆轮(1)设置于框架平面结构四个角上，所述电机(8)由电机支座(11)固定于框架平面结构四个角上，电机(8)用来驱动麦克纳姆轮(1)；

所述抬升机构采用滚珠丝杠(3)配合步进电机(4)作为驱动，其结构设计为：包括滚柱丝杠(3)、步进电机(4)、角码(9)、连接板(10),所述角码(9)用来固定滚柱丝杠(3)于垂直向框架结构平面上,步进电机(4)输出轴连接于滚柱丝杠(3)，所述连接板(10)用来连接滚柱丝杠(3)和夹取机构；

所述夹取机构主要包括相向设置的一对防滑垫连接板(5)、防滑垫(6)，防滑垫(6)由薄型气缸(7)驱动，利用薄型气缸(7)的伸缩配合防滑垫固定或松开货物。

所述主控系统包括微控制器及其控制程序以操纵机械设备工作，实现全手动控制方式遥控机械设备，以及自动控制方式操作设备。

采用基于stm32的嵌入式控制系统，包括主控芯片、软件编程、3个定时器、遥控器，所述主控芯片采用stm32f427ⅱh6，采用基于定时器的多任务编程；3个定时器为主控定时器2、主控定时器4、主控定时器5；

利用主控定时器5产生10ms的硬件执行任务周期，在任务周期中分别执行遥控器接受任务、步进电机控制任务、气缸控制任务、底盘移动任务，以及显示当前机器人当前状态的led显示任务；

利用主控定时器2产生1ms的位姿计算周期，主控板采用spi通信收集mpu6500陀螺仪传感器的加速度和角速度数据，并利用欧拉法进行位姿计算，实时获得设备的位姿状态；

利用主控定时器4产生一路pwm波用于控制步进电机，通过改变pwm波的频率改变步进电机的转速，利用主控板gpio口的高低位调整电机旋转方向；

利用采用主控板gpio口的高低位控制二路继电器开闭，从而控制三位五通电磁换向阀处于相应的位置，从而控制气缸的夹紧和松开；

利用主控板的gpio口与遥控器接收机引脚相连，控制主控板引脚电平按照特定的通信协议与遥控手柄的进行通信，获得遥控器手柄的数据，控制整个设备执行相应的动作；

利用can总线与底盘电机驱动器进行通信，发送电机运动指令以及接受电机运动参数，主要是电机码盘值，电机转速，以及电机转矩，主控板利用这些反馈的运动参数进行算法推算，实时计算并发送电机运动指令，从而控制底盘运动。

手动模式下，首先通过遥控器按键发送指令给遥控器接收机，主控板获得数据进行按键分析，根据按键执行相应的动作，包括移动、转向、起升、下落、夹紧和松开等，从而满足任意工作需求，具有泛用性。遥控器给出搬运设备的行走控制要求，即水平面内前后、左右、旋转三个自由度的运动指令，微控制器根据特定的运动关系解算出四个驱动轮(1)各自的转速及方向，通过直流无刷电机的驱动模块控制电机(8)以一定转速工作，从而完成目标的移动、转向要求。起升、下落主要通过滚柱丝杠(3)和步进电机(4)完成，夹取机构与丝杠螺母刚性连接，丝杠螺母副将电机的旋转运动转换成夹取机构的直线运动，当步进电机正转，夹取机构上升，即起升动作；当步进电机反转，夹取机构下降，即下落动作。步进电机定位精度较高，只需控制脉冲数就可以精准控制电机的转动角度，这意味着设备在堆叠货物时，可以直接控制起升、下落的高度，从容提高了工作效率。货物的夹紧和松开通过气动系统来完成，设备采用两个气缸(15、20)作为执行元件，气动部分由高压储气瓶(19)作气源，通过一个三位五通电磁阀(17)同时控制两个气缸的伸缩，完成抱夹动作。减压阀的作用是调节气缸夹紧力，节流阀的作用是控制气缸活塞运动速度，防止冲击。

自动模式下，主控板会按照程序中设定的动作以及顺序进行执行动作，自动控制模式的工作需求及工作流程:初始状态下货物分散放置于搬运起始位置(12)，要求s形绕过两个障碍物(13)，将货物尽可能快速的搬运到搬运目标区域(14)的圆形区域中。其工作流程为：首先到达货物区(12)，夹住并举起第一个货物；然后将第一个货物堆叠到第二个货物上并放开；其次夹住并举起第二个货物，一齐堆叠到第三个货物上并放开；再次，夹紧三个货物并举起，按照程序内预设的路线s形绕过障碍物(13)到达目标区域(14)；最后将堆叠好的货物放进目标区域(14)的圆形区域内，返回起始货物区(12)重复上述动作，直到所有货物搬运完成。

所述微控制器根据特定的运动关系解算出底盘四个驱动轮(1)各自的转速及方向，实现方案为：

底盘方案主要采用四个麦克纳姆轮作为驱动轮，麦克纳姆轮轮毂边缘分布若干数量的辊子，这些辊子在接触地面时可沿着自身的轴线方向滚动，利用这个特性可以实现前后、左右和自转3个自由度的运动及其复合运动；

麦克纳姆轮与地面接触的辊子和它顶部的辊子，即处于对立面的两条辊子的偏置方向呈近似垂直，

1)以移动平台中心o点建立坐标系oxy，中心点o的速度可表示为[vx,vy,ωz]。

2)每个车轮的中心为oi，车轮绕轴转动的角速度为ωi，车轮半径为r，辊子的速度为vgi，辊子轴线与轮子轴线夹角为α。因麦克纳姆轮在运动时是由车轮的辊子接触地面滚动，所以每个车轮绕轴心的速度可以分解为沿辊子轴方向的速度和垂直于辊子轴方向的速度，且轮子转动时主要带动辊子沿辊子轴方向滚动。现以车轮1为例，由车轮辊子速度vgi可得单个车轮x、y方向速度。

v1x＝vg1×sinα(1)

v1y＝vg1×cosα(2)

由公式(1)、(2)可得：

vg1＝v1x×sinα+v1y×cosα(3)

而且车轮转速与辊子速度有如下关系：

ω1×r×cosα＝vg1(4)

麦克纳姆轮辊子的偏置角度α为45°，因此结合(3)、(4)可得：

ω1×r＝v1x+v1y(5)

另外，由移动平台中心o的速度[vx,vy,ωz]，同样可得到单个轮子x、y方向速度，对轮1来说，有如下关系式：

v1x＝vx+ωz×l2(6)

v1y＝vy+ωz×l1(7)

结合式(5)(6)(7)可得车轮1转速和移动平台中心点o速度的关系式：

ω1×r＝vx+vy+ωz×(l1+l2)(8)

同理对其他三个轮子进行分析可得，四个车轮转速与移动机器人中心速度的关系：

对上式进行变换得到移动机器人中心速度与四个车轮转速之间的关系：

利用(9)(10)两个关系式可以用来控制机器人的速度，以及反馈机器人的速度。

底盘采用内凹式框架设计，以便将待运送货物放置在凹口之中，包括电机座、电机和相关支撑架共同构成底盘。夹具通过夹取机构连接板与起升机构滚珠丝杠相连接，完成起升功能。夹具由支撑架与固定在其上方的气缸组成，由气动系统控制气缸伸缩，从而实现夹具的夹紧与放松。气缸伸出端贴有阻尼较大的橡胶垫片，增加夹具与箱式货物之间的摩擦力，提高可靠性。本发明安装有微控制器及配套的控制程序，能实现在全手动控制模式与特定工作条件下的自动控制模式之间自由切换，满足不同工况的要求。

本发明的有益效果是：整个设备结构简单，安装方便，轻便灵活，搭载麦克纳姆轮的底盘可以使整机全向移动，转弯半径小，易于避障。利用气缸和防滑垫片组成的夹具可以快速定位并夹紧箱式货物，相比吊具操作难度小，定位准确。夹具与滚珠丝杠相连可轻易实现货物的起升与堆叠，每次搬运多个显著提升搬运效率。其自动控制模式能在特定的工作环境与工作要求下，实现货物的快速自动堆叠与搬运工作，极大的增加了搬运速度，提高生产效率。

附图说明

图1是抱夹式快速货物搬运机械设备的正面轴测图

图2是抱夹式快速货物搬运机械设备的背面轴测图

图3是抱夹式快速货物搬运机械设备的堆叠抱夹方式示意图

图4是抱夹式快速货物搬运机械设备快速自动搬运模式的工作环境示意图

图5是抱夹式快速货物搬运机械设备快速自动搬运模式的工作流程示意图

图6是抱夹式快速货物搬运机械设备夹取机构的气动原理图

图7典型的麦克纳姆轮全向移动平台运动分析模型俯视图

图1中，1.麦克纳姆轮，2.型铝，3.滚珠丝杠，4.步进电机，5.防滑垫连接板，6.防滑垫，7.薄型气缸

图2中，8.无刷直流电机，9.角码，10.夹取机构连接板，11.电机座

图3中，12.货物搬运起始区域，以三行五列待搬运货物为例，13.障碍物，14.货物搬运目标区域，五个圆形区域内均可放置货物

图6中，15、20.薄型气缸，16.节流阀，17.三位五通电磁阀，18.减压阀，19.气瓶

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明为解决上述技术问题，本发明提供了一种抱夹式快速货物搬运机械设备，结合图1至图2，对本实施例进行详细阐述。

本发明利用底盘结构、抬升机构、夹取机构三个机构进行货物的快速搬运。

在图1中，本机械设备框架主要由型铝(2)组成，底盘结构采用麦克纳姆轮(1)作为驱动；抬升机构采用滚珠丝杠(3)配合步进电机(4)作为驱动；夹取机构主要包括薄型气缸(7),防滑垫连接板(5)，防滑垫(6)组成，利用薄型气缸(7)的伸缩配合防滑垫固定或松开货物。在图2中，电机(8)由电机支座(11)固定，用来驱动麦克纳姆轮(1)，角码(9)用来固定滚柱丝杠(3),夹取机构连接板(10)用来连接滚柱丝杠(3)和夹取机构。

本发明配套有微控制器及其控制程序以操纵机械设备工作，其能实现的功能包括全手动控制方式遥控机械设备，以及为满足特定工作条件下的自动控制方式操作设备。

本发明采用基于stm32的嵌入式控制系统，主控芯片采用stm32f427ⅱh6，拥有14个定时器。本发明采用基于定时器的多任务编程。

本发明利用主控定时器5产生10ms的硬件执行任务周期，在任务周期中分别执行遥控器接受任务、步进电机控制任务、气缸控制任务、底盘移动任务，以及显示当前机器人当前状态的led显示任务。

本发明利用主控定时器2产生1ms的位姿计算周期，主控板采用spi通信收集mpu6500陀螺仪传感器的加速度和角速度数据，并利用欧拉法进行位姿计算，实时获得设备的位姿状态。

本发明利用主控定时器4产生一路pwm波用于控制步进电机，通过改变pwm波的频率改变步进电机的转速，利用主控板gpio口的高低位调整电机旋转方向。

本发明利用采用主控板gpio口的高低位控制二路继电器开闭，从而控制三位五通电磁换向阀处于相应的位置，从而控制气缸的夹紧和松开。

本发明利用主控板的gpio口与遥控器接收机引脚相连，控制主控板引脚电平按照特定的通信协议与遥控手柄的进行通信，获得遥控器手柄的数据，控制整个设备执行相应的动作。

本发明利用can总线与底盘电机驱动器进行通信，发送电机运动指令以及接受电机运动参数，主要是电机码盘值，电机转速，以及电机转矩，主控板利用这些反馈的运动参数进行算法推算，实时计算并发送电机运动指令，从而控制底盘运动。

手动模式下，首先通过遥控器按键发送指令给遥控器接收机，主控板获得数据进行按键分析，根据按键执行相应的动作，包括移动、转向、起升、下落、夹紧和松开等，从而满足任意工作需求，具有泛用性。遥控器给出搬运设备的行走控制要求，即水平面内前后、左右、旋转三个自由度的运动指令，微控制器根据特定的运动关系解算出四个驱动轮(1)各自的转速及方向，通过直流无刷电机的驱动模块控制电机(8)以一定转速工作，从而完成目标的移动、转向要求。起升、下落主要通过滚柱丝杠(3)和步进电机(4)完成，夹取机构与丝杠螺母刚性连接，丝杠螺母副将电机的旋转运动转换成夹取机构的直线运动，当步进电机正转，夹取机构上升，即起升动作；当步进电机反转，夹取机构下降，即下落动作。步进电机定位精度较高，只需控制脉冲数就可以精准控制电机的转动角度，这意味着设备在堆叠货物时，可以直接控制起升、下落的高度，从容提高了工作效率。货物的夹紧和松开通过如图6所示的气动系统来完成，设备采用两个气缸(15、20)作为执行元件，气动部分由高压储气瓶(19)作气源，通过一个三位五通电磁阀(17)同时控制两个气缸的伸缩，完成抱夹动作。减压阀的作用是调节气缸夹紧力，节流阀的作用是控制气缸活塞运动速度，防止冲击。气动方案的优点是控制方便，动作迅速，夹取准确。

自动模式下，主控板会按照程序中设定的动作以及顺序进行执行动作，实现快速准确的搬运工作，具有专用性。自动模式适用于固定的流程动作。现结合图3至图5阐述自动控制模式的工作需求及工作流程。本发明中自动控制模式的特定工作场景为:初始状态下货物分散放置于搬运起始位置(12)，要求s形绕过两个障碍物(13)，将货物尽可能快速的搬运到搬运目标区域(14)的圆形区域中。其工作流程为：首先到达货物区(12)，夹住并举起第一个货物；然后将第一个货物堆叠到第二个货物上并放开；其次夹住并举起第二个货物，一齐堆叠到第三个货物上并放开；再次，夹紧三个货物并举起，按照程序内预设的路线s形绕过障碍物(13)到达目标区域(14)；最后将堆叠好的货物放进目标区域(14)的圆形区域内，返回起始货物区(12)重复上述动作，直到所有货物搬运完成。