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摘要：装填搬运一体化移动机器人具备自主运行、搬运、装填等多种功能，能够高效完成繁琐、危险和重复性工作，极大地提升了工作效率和安全性。尤其在工业自动化的背景下，这类机器人对仓库物流等领域的工作效率影响尤为重要。通过综合分析国内外机器人发展现状，结合SolidWorks三维建模软件，设计了装填搬运一体化移动机器人的机械结构，并对其进行了详细的阐述和说明。同时，通过运动仿真等功能对机器人结构进行了实用性分析，从而确保其设计的合理性和高效性。最终，利用VEX的V5控制器套件和各类结构件，顺利完成了成型的搬运一体化移动机器人的装配，为智能机器人的研究与应用提供了实用的参考与支持。
关键词：SolidWorks;移动机器人；装填搬运一体化；VEX V5控制器
0引言
装填搬运一体化移动机器人在国外的发展历史可以追溯到20世纪90年代。美国麻省理工学院(MIT)的CSAIL实验室于1997年开展了装填搬运机器人研究，这一领域便迅速展开了探索。2002年，日本的三菱重工业公司推出了商用化的装填搬运机器人“MELFA”,进一步推动了该技术的发展。随后，德国的KUKA公司于2005年推出了名为“KUKA Mobile Platform”的移动机器人，为工业生产环境中的自主装填和搬运任务提供了新的解决方案。2011年，美国的Rethink Robotics公司推出了具备人机协作能力的“Baxter”装填搬运机器人，为工业界带来了安全合作的新范式。这些装填搬运一体化移动机器人具备较高的智能化和自主性，能够在复杂的工业环境中进行各种自主导航、物料装填和搬运任务。它们的广泛应用不仅为工业生产带来了技术创新，也为提高生产效率和降低成本做出了重要贡献。
在国内，装填搬运一体化机器人的发展历史相对较短，但近年来却呈现出快速的发展态势。2012年，中国科技学院沈阳自动化研究所和中国人产业联盟联合推出了一款名为“机器人装填搬运系统”的移动机器人，旨在用于工业生产中的物料装填和搬运任务。随后在2015年，中国科学院沈阳自动化研究所推出了“机器人装填搬运系统2.0”,它不仅能实现自主导航和物料装填等任务，还具备了人机协作的能力。2017年，中国机械工程学会机器人及其应用专委会成立了“装填搬运机器人专业委员会”，旨在推动国内装填搬运机器人的研究和应用。随着近年来技术的不断进步和应用的扩大，国内的装填搬运一体化移动机器人有望在工业生产中发挥更加重要的作用。
随着智能机器人技术的快速发展，我国对其重视程度逐年提升。近年来，智能机器人竞赛逐渐增多，吸引了更多青少年对机器人的关注与了解。这些比赛要求机器人完成多项动作以获得分数，其中包括搬运物体、填充物料、弹射球体等。这些任务在许多国家的工业生产环境中已经得到应用，机器人可以自主完成物料装填或搬运任务。
智能机器人通过智能化和自动化方式，代替人工完成危险、重复或高强度的装填或搬运工作，从而大幅提高生产效率并提升人员安全性。因此，设计具有自主产权的装填搬运一体化移动机器人对推动国家机器人发展至关重要[1-3]。
本文设计的装填搬运一体化移动机器人是通过Solid-Works软件进行三维建模的，使用了全面的零件数据库进行装配，以确保在机器人的搭建和工作过程中达到合理性和稳定性。通过SolidWorks的建模功能，可以精确地设计和调整机器人的各个部件，确保它们可以完美地协同工作，并且在实际操作中具有高效性和可靠性。同时，该机器人采用了以Cortex A9为核心的VEX V5套件作为其核心控制单元。这个控制单元具有强大的处理能力和灵活性，能够实现机器人的自主运行、导航和搬运任务的执行。VEX V5套件提供了丰富的传感器和执行器接口，可以与机器人的各个部件无缝连接，实现对机器人运动和操作的精准控制。
本文主要目的在于通过三维建模设计和制造出一台装填搬运一体化移动机器人，以探讨其在工业生产中的应用潜力和技术实现方法。通过这项研究，可以为智能机器人领域的发展提供宝贵的经验和参考，推动相关技术的进步和应用。
1设计原理和方法
本文所设计的装填搬运一体化移动机器人旨在完成物体的搬运和物料的填充任务。为了满足这些任务的需求，采用了以下设计原理和方法。
(1)优良的移动能力和越野能力。机器人的底盘结构采用特殊设计，配备有灵活的悬挂系统和高性能轮胎，以确保机器人具有良好的移动能力和越野能力，能够适应各种地形和工作环境，保证在不同场景下的稳定性和可靠性。
(2)夹取和搬运能力。机器人装配有夹持装置和搬运机构，具备夹住并搬运物料盒的能力。夹持装置采用可调节设计，能够适应不同尺寸和形状的物料盒，确保在操作过程中物料不会滑落或损坏，保证操作的安全性和稳定性。
(3)抬升和承重能力。机器人配备了抬升机构和稳定的承重结构，能够将装填后的物料盒抬升，并具有一定的承重能力。抬升机构采用液压或电动方式，确保能够稳定地搬运和装填物料，同时保证操作的高效性和安全性。
(4)高效的物料传送能力。机器人装备了高效的物料传送系统，采用先进的传送带或滚轮装置，能够快速、准确地将物料从一个地点传送到另一个地点，提高操作效率和生产效率。
通过以上设计原理和方法，致力于打造一台功能强大、稳定可靠的装填搬运一体化移动机器人，为工业生产提供高效、智能的解决方案。
2机构设计
本文将利用三维建模软件SolidWorks,结合其设计库功能，以及添加已有的机器人模型库，对自动分拣移动机器人进行辅助设计。通过这种方式，实现了模块化组装和快速调整，使得能够更迅速、更有效地构建机器人，从而大大节省了设计和制造的时间[4-7]。
SolidWorks是常用的CAD软件，可快速创建高质量的三维模型，具有直观的用户界面和简化的工作流程，支持机械、电气、建筑等多个领域。其强大的装配体和设计库功能可帮助管理复杂装配体设计和标准化设计元素。此外，SolidWorks还具备先进的仿真和分析工具，可验证设计并优化性能。设计库包含常用的零部件、特征和几何体，用户可将其保存在库中，并在新设计中快速应用，节省时间和精力。设计库提供搜索和过滤功能，便于用户快速找到所需的设计元素。
用户还可根据需要创建和管理个性化的设计元素。VEX零件库是一个开源的标准零件库，包含大部分VEX V5控制器套件和各类金属结构件，满足不同机器人构建的需求。
2.1底盘框架的设计
本文设计的智能搬运机器人为抬升、背负一体式搬运机器人，其原因有以下几点。
(1)灵活的框架设计。该机器人采用简单而灵活的车体框架设计，使得可以轻松地在此基础上拓展各种功能的实现。其核心控制基础为各类搬运机器人提供了稳定可靠的平台，同时具有高度可塑性，能够根据具体需求进行灵活改动和扩展，使得适应性更强。
(2)高效的体积设计。该机器人采用了体积较小的结构，不仅能够在狭窄环境中灵活操作，还能够提高搬运效率。其紧凑的设计使得机器人能够轻松穿越狭窄通道和拥挤空间，实现高效的物品搬运。
(3)卓越的搬运性能。该机器人不仅能够背负物品进行搬运，还具备抬升功能，可根据需要调整高度，适应不同高度的搬运任务。这种一体式设计不仅提高了搬运效率，还能够适应多样化的搬运需求，提升了整体的搬运性能和灵活性。
(4)智能化的控制系统。该机器人配备了智能化的控制系统，能够实现自主导航、路径规划和避障等功能，提高了搬运过程的自动化程度和操作的便捷性。智能控制系统还能够实时监测和调整机器人的运行状态，确保搬运任务的顺利完成。
综上所述，该抬升、背负一体式搬运机器人具有灵活的框架设计、高效的体积设计、卓越的搬运性能和智能化的控制系统等优点，适用于各种搬运场景，能够提高搬运效率和操作便捷性，满足多样化的搬运需求。
确定方案后，利用三维建模软件SolidWorks进行机器人底盘的设计。底盘采用了一根C形结构件进行支撑，并在之后可以用螺母柱或与轮距等长的结构件进行加固。考虑到装填搬运一体化的需求，在设计中采用了唯一一根加固件，放置在偏中间的位置，将机体分成两个部分：前半部分预留了抬升机构，后半部分预留了背负物料的部分。
底盘采用了6个200 rad的电机，这些电机的性能最为均衡，能够兼顾速度和力量。每边配备了3个84齿齿轮作为主动轮，驱动与轮子关联的60齿齿轮，形成了一个1∶1.4的加速齿轮比，从而确保了整个底盘在速度和力量上的双重保障。具体底盘设计细节如图1所示。考虑到机器人需要越过一些障碍物，选择了尺寸为4in的万向轮。这种万向轮具有优秀的横向移动能力和稳定性，能够帮助机器人在复杂地形中灵活移动。为了进一步增强机器人的越障能力，底盘的高度设计得足够高，以便能够轻松翻越大多数小型路障。通过这样的设计，机器人能够更加自信地应对各种复杂环境，提高了其实用性和适应性。图2所示为这种设计的效果，可以清晰地看到机器人在利用万向轮越过障碍物时的稳定性和灵活性。
2.2机器人夹取机构和携带机构的设计
(1)夹取机构
夹取机构通常由夹爪、指爪或其他可控制的夹持装置组成。它们能够根据需要调整夹持力度和夹持方式，以适应不同形状、尺寸和质量的物体。夹取机构可以通过气动、液压或电动方式操作，具有高精度和可靠性。考虑到机器大小和夹取物件的形状，采用了扣爪式夹取机构。这种设计能够有效地夹持各种形状的物体，并且具有一定的调节能力以适应不同尺寸的物体，如图3所示。
此夹取机构选用的是电机控制，主要采用36齿的齿轮作为主动轮，带动12齿的从动轮。考虑到夹取机构需要保持稳定，特别是在承载重物时，为了增加支撑面积，在底部额外添加了3个从动轮。驱动电机选择了中速直流马达，它具有适中的转速和扭矩，非常适合作为夹取机构的动力源。这样的设计既能保证夹取力度，又能够保持夹取机构的稳定性，如图4所示。
此夹取机构使用下部的铝板来支撑或托住被夹取的物料盒。在校准完成后，控制电机转动，使夹板能够准确地夹住物料盒。如图5所示，夹取机构通过动态控制，确保夹板与物料盒之间的精准夹持。
(2)携带机构
携带机构是机器人用来携带物体的部分，通常位于机器人的末端执行器。它可以是一个平台、盘子、托盘或其他适合携带物体的结构。携带机构通常具有足够的稳定性和强度，以确保物体在运输过程中不会受到损坏。为了确保携带物体的稳定性和安全性，在携带机构的设计中考虑了机器人的动态平衡和结构强度。采用了适合的平台或盘子结构，以确保物体在运输过程中不会受到损坏或失稳。考虑到机器需要携带的物料盒具有自身质量和物料质量，因此选取了一个杠杆结构进行设计。这样的设计可以有效地分散物料盒的质量，减轻机器的负载压力，提高机器运输物料的效率和稳定性，如图6所示。
此结构采用高扭矩电机直接传动。这种电机具有转速较低、扭矩较大的特点，能够提供足够的力量。在设计中，螺母柱抵住物料盒时相当于杠杆的支点，在校准后转动电机可以使物料盒翘起，实现携带功能。如图7所示，通过电机的旋转，实现了对物料盒的有效携带。
2.3机器人抬升机构的设计
抬升机构通常由电动或液压系统驱动，具备稳定的结构和足够的承重能力。它可以是一个升降平台、伸缩臂、升降柱或其他适合抬升物体的结构。抬升机构可以根据需要进行高度调整，使机器人能够抵达不同的工作位置[8-12]。在本文中，抬升机构采用了平行四边形结构，如图8所示。其工作原理是通过改变两个可动连杆的相对位置，实现平台的抬升或下降。当两个可动连杆向内收缩时，平台会上升；而当两个可动连杆向外展开时，平台会下降。这种设计具有较好的稳定性和可靠性，能够满足机器人在不同工作场景下的抬升需求。
为了确保能够将物料盒抬起，选用了高扭矩电机。此外，为了进一步增加扭矩输出，采用了12齿齿轮直接传动带动84齿齿轮。通过这种传动方式，可以将电机的高速转动转换为更大的扭矩输出，确保具备足够的力量将物料盒抬起。
如图9所示，通过这样的设计，机器人可以有效地实现物料盒的抬升功能，并且具备足够的力量应对各种工作场景。
2.4机器人物料传送机构的设计
机器人的物料传送机构可以根据指令将物料从一个位置搬运到另一个位置，实现自动化的物料传送。它可以通过各种机械手臂、输送带、滑轨等方式完成物料的搬运任务[13-16]。传送机构采用了十二齿链轮和履带加拨片组成的传送带。这种结构配备了小扭矩电机，速度快，能够让物料更快地完成传送过程。十二齿链轮和履带的结构有效提供稳定的传送力，使物料能够平稳、快速地传送。同时，配备小扭矩电机可以提供足够的动力，使得传送机构能够以较高的速度运转，从而加快物料的传送速度。这样一来，物料可以更快地从起点传送到目的地，提高了整个传送过程的效率，如图10~11所示。
3控制器设计
本文采用V5 Robot Brain作为机器人的主控模块，内置了高性能的ARM Cortex.A9处理器，这款处理器具备强大的计算能力和运行效率，专门负责执行各项程序和控制机器人的各项功能。如图12所示，主控器不仅包含电源管理模块，确保机器人稳定的电源供应，还配备了无线通信模块，支持无线连接，使得机器人能够实现远程控制和监控，从而实现更灵活、便捷的操作方式。此外，机器人还配备了触摸屏显示屏，提供直观的用户界面，用户可以通过触摸屏进行程序编写、参数设置等操作，并实时显示机器人的运行状态信息，使得操作更加便捷、直观和友好。
除此之外，机器人还具有多个数字和模拟输入输出接口，用于连接各种传感器和执行器，实现数据的传输和动作的控制，以满足不同任务的需求。这些接口的存在使得机器人可以与外部环境进行有效地交互和通信，从而更好地感知周围环境并执行相应的任务。
最终，机器人的外观设计经过精心设计，不仅保证其外观美观，还注重其结构稳固性。这样的设计不仅提升了机器人的整体美感，还确保了其在工作过程中的稳定性和可靠性。总的来说，采用V5 Robot Brain作为主控模块，结合其功能强大、操作简便和外观精致等特点，使得本文设计的装填搬运一体化移动机器人在性能和外观上都具备了优异的表现，有望在实际应用中取得良好的效果。
4实现与测试验证分析
经过以上对任务要求的分析，对机械结构的设计，最终完成建模，如图13所示。可以看到，本机器除了底盘外，还可以分为3个主要部分：在尾部的携带机构、中间部分的传送机构，以及前端的抬升夹取机构。这3个部分可以同时工作，相互协调，从而能够更高效地完成装填、搬运等工作。
在尾部的携带机构负责将物料盒或其他物体固定在机器人上，确保物料在运输过程中的稳定性。通过携带机构的设计，机器人能够安全地携带物料，不受外部环境影响。在中间部分的传送机构可以实现物料的自动传送，将物料从一个位置移动到另一个位置。这种传送机构采用了十二齿链轮和履带加拨片的设计，配备了小扭矩电机，能够以较高的速度将物料快速传送。在前端的抬升夹取机构负责抬升和夹取物料。采用了平行四边形结构的抬升机构能够实现平稳的抬升操作，而夹取机构则通过高扭矩电机和齿轮传动的设计，确保了夹持物料的稳固性和力量。这3个部分相互配合，使得机器人能够在不同场景下高效地完成装填、搬运等工作任务，提高了整体的工作效率和灵活性。
5结束语
本文以装填搬运一体化机器人为研究对象，旨在通过SolidWorks进行模块化设计。将搬运机器人与装填机器人相结合，实现自动化物料运输和装载，从而提高工作效率和生产效率。在设计过程中，特别注重了机器人的稳定性和越障能力，因此设计了底盘移动结构，以保证机器人在不同地形下的稳定性，并增加了其越障能力。此外，还设计了搬运、传送、抬升、夹取等机构，以满足不同任务的需求。这些机构的设计考虑了机器人在工业生产中的多样化应用场景，确保机器人能够灵活、高效地完成各种物料装填和搬运任务。通过模块化设计，可以根据具体任务需求对机器人进行快速定制和调整，提高了其适用性和灵活性。
总之，本文的研究目标是设计一种功能强大、稳定可靠的装填搬运一体化机器人，为工业生产提供高效、智能的解决方案。通过SolidWorks的模块化设计，可以精确地设计和调整机器人的各个部件，确保其在实际应用中具有高效性、可靠性和适应性。
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人参与 2025-03-05 11:01:46 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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