一种自动存取机器人及相应的控制方法

技术领域

本发明属于自动化物流仓储领域，涉及一种自动存取机器人及相应的控制方法。

背景技术

自动存取货篮的机器人，也称自动存取车ASRV(Automatic Storage&retrievalvehicle)或者穿梭车(shuttle)，属于电商、工厂等自动化物流仓储中有轨运输设备。

现代物流中小型仓库中，为提高仓储密度，不同规格的小件散装货物通常存放于货篮中，再把货篮码放于货架上。由于货篮尺寸较小，从货架上存取无法通过叉车完成。目前国内外用于中小型仓库小件散装货物输送的主流方式是采用地面行驶的自动导引运输车AGV(Automated Guided Vehicle)托举单个货架在仓库中运送，该方法主要问题是托举的货架高度受限，无法在高架库中推广使用，仓库存储密度难以大幅度提升，成本下降空间有限。

适应高架库货架内部自动存取货篮的穿梭车一般只能在单根轨道上前后方向行驶，从侧面存取货篮，需要其他设备辅助才能更换行驶轨道。用于货架轨道上货篮输送且具备前后左右四个方向行驶功能的小型穿梭车代表产品有瑞士格(swiss log)公司的Autostore自动换轨小车。美国专利(ROBOT FOR TRANSPORTING STORAGE BINS，公开号US2015/0307276A1)，其穿梭车仅在货架顶部轨道运行，与穿梭车配套的专用货篮堆叠码放一起，中间各层无货架支撑，穿梭车利用吊放装置从顶部吊出或者放下货篮存放货物，该方案无需搭建货架，存储密度高，但无法使用标准货篮，存储货物层数受限于专用货篮堆叠的层数，且无法实现随机灵活存储。

其他国内外专利表明，大部分四向穿梭车主要是重载大型设备，输送对象为标准托盘，载重量1000Kg以上。现有技术中，载重100Kg，输送小型货篮的ASRV尚不多见，且结构形式不够紧凑。

在上述背景下，如果小型ASRV具备四个方向的运动功能，就可以在货架上自由行驶，与提升机配合换层后则可以实现中小型仓库货架所有货位货篮的全自动存取。提供一种结构紧凑并具备四向运动功能的ASRV成为当务之急。

发明内容

(一)技术问题

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种可在中小型仓库货架内部全方位自由行驶且自动存取货篮的机器人。它可以进入到同一层货架的任意货位搬运存放货物的货篮，与提升机配合换层后可驶入中小型仓库货架的任意货位完成整个仓库的全自动货篮存取，极大提升现有中小型仓库的存储效率和存储密度，全面提高货架仓库的自动化、智能化。

(二)技术方案

根据本发明的一方面提供了一种自动存取机器人，包括：车身、行驶机构以及换向顶升一体机构，车身包括：上框架、中框架以及下框架，行驶机构包括：横向轮组以及纵向轮组，换向顶升一体机构包括：螺纹滚珠丝杆以及设置在螺纹滚珠丝杆上的两个升降滚轮安装座，其中，升降滚轮安装座上设有下滚轮和上滚轮，横向轮组固定在下框架上，纵向轮组固定在中框架上，换向顶升一体机构设置在下框架上，中框架和下框架之间设有多个第一复位装置，中框架上设有中框架升降导轨，上框架上设有上框架升降导轨，中框架升降导轨与下滚轮相对设置，上框架升降导轨与上滚轮相对设置。

根据本发明的示例性实施例，中框架升降导轨包括：底部平面、顶部平面以及导轨斜面，顶部平面设置在底部平面两侧，导轨斜面设置在底部平面以及顶部平面之间。

根据本发明的示例性实施例，上框架升降导轨与中框架升降导轨平行设置，上框架升降导轨为由中间向侧边倾斜的斜坡面。

根据本发明的示例性实施例，上框架和中框架之间设有多个第二复位装置。

根据本发明的示例性实施例，纵向轮与横向轮的半径差小于顶部平面与底部平面的高度差。

根据本发明的示例性实施例，第一复位装置为压簧，第二复位装置为拉簧。

根据本发明的示例性实施例，换向顶升一体机构还包括：滑台和升降电机，换向顶升一体机构通过滑台设置在下框架上，升降电机输出轴与螺纹滚珠丝杆固定连接。

根据本发明的示例性实施例，下框架上四个角处设有多个定位及防撞保护装置，例如，定位及防撞传感器，作为自动存取机器人在轨道行驶时精确定位及防撞保护装置。

根据本发明的另一方面，提供了一种自动存取机器人的控制方法，包括：通过旋转螺纹滚珠丝杆使得两个升降滚轮安装座位于旋转螺纹滚珠丝杆中间位置，中框架在多个第一复位装置作用下向上升，纵向轮组离开地面，横向轮组着地，执行横向行走作业。

根据本发明的示例性实施例，通过旋转螺纹滚珠丝杆使得两个升降滚轮安装座向两侧移动，下滚轮在中框架升降导轨上滚动，下压中框架，纵向轮组着地，同时横向轮组离地，执行纵向行走作业；两个升降滚轮安装座继续向两侧移动，上滚轮在上框架升降导轨上滚动，上举上框架。

根据本发明的示例性实施例，安装于下框架四个角的定位及防撞保护装置通过光电或磁感应传感器检测位于行驶轨道平面上预留的孔，这些孔按照固定距离布置在在轨道上，机器人行驶过程中检测到这些孔时传感器信号发生变化，机器人根据这些信号变化时刻可精确计算自身在轨道上行驶的距离，从而实现轨道上精确定位功能。防撞保护装置则通过检测机器人行驶前方的障碍物实现报警及停车防撞功能。

(三)有益技术效果

根据本发明的自动存取机器人具备四个方向(前后、左右)的运动功能，可以在货架上自由行驶，与提升机配合换层后则可以实现整个仓库全自动货篮出入库，在上位信息系统调度下，多台机器人可到达立体仓库任意层、任意巷道、任意货位进行货篮的存放和捡取操作，无需人工介入，真正实现高效率、高密度、全自动化的无人值守立体仓库。根据本发明的自动存取机器人结构紧凑，结构新颖，成本低，极具市场推广前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种自动存取机器人的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的车身的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的行驶机构的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的换向顶升一体机构的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的换向顶升一体机构安装剖视图。

其中：1-车身、2-行驶机构、3-换向顶升一体机构、4-电控系统、5-通信模块、6-电池及充电系统、7-控制软件；8-上框架、9-中框架、10-下框架、11-承重梁、12-车轮座、36-中框架升降导轨、41-上框架升降导轨；21-横向主动轮、22-横向被动轮、23-横向主动轮轴、24-纵向主动轮、25-纵向被动轮、26-纵向主动轮轴、27-定位及防撞保护装置、32-滑台、34-压簧，35-横向驱动电机，37-纵向驱动电机；31-升降滚轮安装座、33-下滚轮、38-螺纹滚珠丝杆、39-升降电机、40-上滚轮；45-导向柱、46-拉簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，根据本发明实施例的自动存取机器人不仅包括车身1、行驶机构2、换向顶升一体机构3。该自动存取机器人还可以包括：电控系统4、通信模块5、电池及充电系统6、控制软件7等组成部份。控制软件7保存在机器人控制计算机存储器中，存储器的形式在此不做限制。伺服电机驱动器内部的控制软件不属于本处所说控制软件范畴。通信模块5与电池及充电系统6可设置车身1底部两侧，并且两侧可设有护栏，进行防护。

电控系统4可包括机器人控制计算机、控制电路、伺服电机及其驱动器，传感器、I/O电路等。电控系统4与控制软件7一起实现全车运动控制、货篮存取、防撞报警和多机协同工作等功能。通信模块5负责机器人与仓库上位机(调度中心)之间，机器人之间的组网通信。电池及充电系统6负责管理机器人锂离子动力电池组放电监控及充电管理。

车身1是自动存取机器人基本框架和外壳，承载其他系统部件。行驶机构2由两组八个轮子组成，采用两个伺服电机驱动每组中两个主动车轮控制机器人在轨道上前后和左右四个方向行驶。换向顶升一体机构3采用双向正反螺纹滚珠丝杆直线导轨驱动两个升降滚轮安装座31相对运动，该一体机构可实现换向和货篮升降两个功能。第一个行程完成两组行驶车轮在相互垂直的轨道上换向功能，第二个行程完成货篮顶升和下降功能，该机构同时实现了机器人两组四轮机构的切换以及货篮在指定货位的放置和捡取。

如图2所示，车身1是机器人基本框架，承载其他系统部件，包括三个可相对运动的框架，上框架8、中框架9、下框架10。三个框架采用方钢焊接而成，其中，承重梁11和车轮座12作为机器人的安装连接的基准，止口处依靠机加工艺保证定位、安装精度要求。三个框架按照上中下顺序依次叠放在一起，每个框架四个角落或者中间位置安装带弹簧的导向柱46(如图5所示)，确保中框架9和上框架8能够以下框架10为基准上下相对运动。

如图3所示，行驶机构2由两组八个轮子组成，可分为横向轮组和纵向轮组。每组四个轮子包括两个主动轮和两个从动轮，一组四个轮子(纵向轮组，包括纵向主动轮24和纵向被动轮25)安装于中框架9，负责机器人在横向轨道或者平面行驶，另一组四个轮子(横向轮组，包括横向主动轮21和横向被动轮22)安装于下框架10，负责机器人在纵向轨道或者平面行驶。并且，多个压簧34可设置在中框架9以及下框架10之间。

采用两个伺服电机驱动每组中两个主动车轮控制机器人在轨道或者平面上前后和左右四个方向行驶，伺服电机及其驱动器与其驱动的主动轮安装于同一个框架。

每组的两个主动轮(两个横向主动轮21或者两个纵向主动轮24)通过一根轴(横向主动轮轴23或者纵向主动轮轴26)连接实现同步转动，从动轮(也可称作被动轮，例如，横向被动轮22或者纵向被动轮25)则各自带有短轴与车身连接。横向驱动电35驱动横向主动轮轴23转动，纵向驱动电机37驱动纵向主动轮轴26转动。两组轮子通过安装于下框架的换向顶升一体机构的第一个行程进行切换，实现机器人在相互垂直的轨道交叉口处在横向和纵向两个行驶方向自由切换。

需要说明的是，采用主动轮和从动轮方式驱动，仅仅是一个示例。横向轮组和纵向轮组还可以采用其它方式驱动，在此不再赘述。此外，横向和纵向仅仅为了更加清楚的表述本发明，自动存取机器人位置发生变化，或者观察的视角发生变化时，横向和纵向可以互换。本发明只要保证两个轮组的运行方向相互垂直即可。

如图4所示，换向顶升一体机构3可包括：两个升降滚轮安装座31、滑台32、下滚轮33、螺纹滚珠丝杆38、升降电机39、上滚轮40。其中，螺纹滚珠丝杆38位于滑台32上方，升降电机39设置在螺纹滚珠丝杆38一侧。升降电机39输出轴与螺纹滚珠丝杆38可通过联轴器固定。两个升降滚轮安装座31对称设置在螺纹滚珠丝杆38上。螺纹滚珠丝杆38可采用双向正反螺纹滚珠丝杆。螺纹滚珠丝杆38直线导轨带动两个升降滚轮安装座31相对运动，包括两个行程，第一个行程带动中框架9和下框架10的相对移动，进而带动两组八个轮子上下移动，完成两组行驶车轮在相互垂直的轨道上换向功能。第二个行程带动上框架8和下框架10(或者中框架9)的相对移动，实现货篮升降功能。两个机构共用滑台32，不同的行程实现了机器人两组四轮机构的切换以及货篮在指定货位的放置和捡取两个重要功能。滑台32结构可以保证机器人承载货物运动时货物框架不会受压下降高度。

车身1三个框架、行驶机构2、换向顶升一体机构3通过换向顶升一体机构安装图(如图5所示)展示安装连接关系。换向顶升一体机构3通过滑台32安装于下框架10。

两个中框架升降导轨36和四个上框架升降导轨41分别在各自框架相对安装，作为下滚轮33和上滚轮40的滑动导轨。

需要说明的是，图5仅给出了下滚轮33和上滚轮40相对位置的一个示例。在其它实施例中，下滚轮33和上滚轮40的位置可以互换。

如图5所示，中框架升降导轨36包括：底部平面、顶部平面以及导轨斜面，顶部平面设置在底部平面两侧，导轨斜面设置在底部平面以及顶部平面之间。导轨斜面既可以是倾斜平面，也可以设置成抛物面。

上框架升降导轨41与中框架升降导轨36平行设置，上框架升降导轨41至少部分与中框架升降导轨36的顶部平面在纵向方向上重叠。上框架升降导轨41可设置为由中间向侧边倾斜的斜坡面。

换向顶升一体机构3第一个行程完成机器人在相互垂直的轨道上换向功能。通过带动中框架9和下框架10的相对移动，完成两组行驶车轮在相互垂直的轨道上切换。具体过程如下：

小车横向行走时，滑台32上的两个升降滚轮安装座31都移动到滑台32的最中间(位于中框架升降导轨36底部平面的中间位置)，中框架9在4个压簧34的作用下往上顶。中框架9的4个轮子(纵向轮组)都离开地面，下框架10的四个轮子(横向轮组)着地，在横向驱动电机35驱动下，机器人执行横向行走作业。

小车纵向行走时，位于滑台32中间的两个升降滚轮安装座31向两边移动，此时下滚轮33在中框架9升降导轨36上滚动。在向两边移动过程进入导轨斜面后将升降导轨36往下压，带动中框架9往下移动，最终中框架9的四个轮子(纵向轮组)着地，下框架10的四个轮子(横向轮组)离开地面，在纵向驱动电机37的作用下，机器人执行纵向行走作业。

换向顶升一体机构3第二个行程带动上框架8和下框架10的相对移动，实现货篮顶升功能。具体过程如下：

位于滑台32中间的升降滚轮安装座31进入升降导轨36上平面(即顶部平面)后，如果继续向两边移动，此时上滚轮40在上框架升降导轨41上滚动。上框架升降导轨41下侧为由中间向侧面倾斜的斜坡面，上滚轮40在升降导轨41的斜坡面上滚动将带动上框架8往上移动，实现上框架8的上升，反之为上框架8的下降，从而完成上框架运载的货篮顶升捡取和放下动作。

需要说明的是，3台伺服电机(横向驱动电机35、纵向驱动电机37以及升降电机39)是电控系统4执行机构，完成四向行走、换向和货篮顶升放置功能，3台伺服电机可通过现场总线(EtherCAT、CAN、485等)联网与控制计算机实时通信。

通信模块5采用2G/4G/5G模块将机器人连接到网络，实现机器人与仓库上位机(调度中心)之间，以及机器人之间的低成本组网通信，物理层、数据链路层，网络层等完全与上述网络共用，应用层则采用二次开发的网络协议，实现多机器人实时高速组网通信，确保多机器人协同完成仓库高速存取货篮。

电池及充电系统6负责管理机器人锂离子电池组放电监控及充电管理，主要功能包括机器人存取货物过程对每个电池电压、电流、温度等参数实时监控，进入充电货位后电池充电均衡管理和参数监控。

机器人上电后，首先与上位机(图中未示出)建立无线通信连接，上线进入上位机组建的无线网络，同时获取自身初始位置信息，然后等待上位机的出库或入库指令。

如果收到入库指令，机器人自动从当前位置沿着上位机规划的路径分别通过横向或纵向轨道行驶到立体仓库指定的入口货位捡取货篮，如果需要换层，则自动行驶到提升机位置，在上位机调度下进入提升机，到达指定层后，离开提升机，行驶到入口货位捡取货篮。获取货篮后继续根据上位机规划的路径分别通过横向或纵向轨道、提升机达到指定的存货位置放置货篮。

如果收到出库指令，机器人自动从当前位置沿着上位机规划的路径分别通过横向或纵向轨道行驶到立体仓库指定的存货位置处捡取货篮，如果需要换层，则自动行驶到提升机位置，在上位机调度下进入提升机，到达指定层后，离开提升机，行驶到存货位置捡取货篮。获取货篮后继续根据上位机规划的路径分别通过横向或纵向轨道、提升机达到立体仓库指定的出口货位放置货篮。

如果需要在立体仓库内移动货篮，则根据上位机指令，沿着规划路径，到某一货位捡取货篮后分别通过横向或纵向轨道，提升机行驶到指定位置放置货篮。

机器人行驶过程中实时上报自身位置、电压、电流等信息，如果电池电量低于规定值，则自动进入指定充电位置进行充电，充电完成后继续投入运行。

机器人行驶过程中，发现自身机构发生故障，会立即发出声光报警,并向上位机发送故障信息。根据本发明的自动存取机器人还可配置多种传感器(例如，速度、加速度、角度传感器、光学传感器等)，当机器人在巷道内进行货篮存取作业过程中，如果发生异常情况(如货篮坍塌堵塞巷道等影响安全的事件)而导致非正常停车时，机器人将发出声光报警，并向上位机发送报警信息。

采用ASRV后仓库可实现全自动货篮出入库，将大幅度提高存储密度，本专利代表了新一代中小型高密度立体仓库自动存取货篮设备发展方向，结构紧凑，技术先进，成本低，极具市场推广前景。

通过以上设置，本发明的自动存取机器人具备以下功能：

1)自动存取机器人可以沿货架相互垂直的轨道全向行驶，自动换道，精确定位，确保准确到达立体仓库同一层中任意货位；

2)在立体仓库货架中精确定位，在任意货位全自动存放、捡取货篮功能。根据上位机调度系统下发的入库、出库工单指令，机器人与提升机配合换层后可驶入仓库货架的任意货位自动存取位于货位的货篮；

3)多机器人协同工作功能。机器人能接受上位机调度系统的控制，多台机器人协同工作，与仓库管理系统(WMS)无缝集成，完成仓库批次管理，先进先出等高级任务；

4)数据采集和上报功能。机器人在工作时，可以向上位机上传位置、速度、电量、有无货、故障情况等信息；

5)机器人具有故障停车、防撞报警功能。当机器人在巷道内进行存取作业过程中，如果由于异常情况(托盘上的货物发生坍塌使巷道堵塞等安全事故)而导致非正常停车时，机器人可以紧急停车并发出灯光报警，同时向上位机发送报警信息；

6)机器人具有自动电池管理功能。机器人实时监控锂离子电池组情况，当电池容量不够时，自动向上位机发出充电请求，获批后自动移动至货架充电区进行充电，实时上报电池信息。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。