绳驱动机器人智能立库应用的可行性分析

李嘉杰　张瑞琳

摘要：伴随着市场经济的飞速发展和电力智能电网建设的大力推进，智能电表的表计检定量与日俱增。为了解决这个问题，智能立库在电能表的存储中已经开始大规模应用。智能立库建设成本较高，系统硬件结构复杂，对智能立库的大范围推广造成一定阻碍。为此，提出绳驱动机器人在智能立库上应用的可行性，降低了立库建设成本，简化立库结构，解放了人力资源，提高了仓储、出入库等环节的效率。

关键词：智能立库;绳驱动机器人;应用;可行性;分析

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0182—02

0引言

在库区的存取作业过程中，堆垛机只需要完成只有3个自由度的运动，分别为在巷道中的水平运动、在巷道中的垂直运动、垂直于巷道的伸缩运动。为了完成任务，一般来说，堆垛机都由主体结构（立柱、上下梁等）、载货台、货叉伸缩机构、水平运行机构、起升运行机构等几大部分组成。其中，水平運行机构由动力驱动和主被动轮组成，起升机构由提升电机和行走轮组成，货叉伸缩机构由动力驱动和上、中、下3个货叉组成，这3个机构实现了堆垛机的水平行走运动、垂直升降运动以及前后伸缩运动。一个指定位置的货物转移到另一个指定位置都是靠以上的三维运动来完成的。

图1所示为传统堆垛机结构，在这样的结构下，为了保证堆垛机的稳定运行，主体结构的高度必须大于立库的高度，所以主体结构的体积被限制在一个相对较大的数值上。而组成主体结构的立柱、上下梁以及安装在其中的导轨等原件大都是由金属材料制造的，这就导致主体结构的质量不可避免地需要维持较大的基数上。因此，传统堆垛机的轻量化程度受到很大的限制，负载质量比也比较低。

复杂的结构、较大的质量也使得传统的堆垛机在能源的有效利用上存在无法弥补的缺陷，影响现代电力行业节能环保的进程。另外，传统堆垛机的水平行走运动和升降运动一般都需要借助导轨的辅助来维持稳定，这也无形中增加了堆垛机的设计难度和制造成本。

综上所诉，研究一种应用在智能立库中新型的堆垛机机器人，使其满足堆垛机结构简单、工作高效、成本经济的效果势在必行。本文讨论的绳驱动机器人正是针对这样的行业痛点，提出的一种行之有效的智能立库中货物运输设备解决方案。

1绳驱动机器人特点

绳驱动机器人作为一种新型的并联机器人，与传统机器人相比，有着结构更加简单、工作空间较大、负载质量比更高、降低功耗、前期制造和后期维修成本更加经济等巨大优势。如图2所示。由于绳驱动机器人所具备的各种优势，这种机器人已经逐渐应用在实际生活的各个领域，具体特点如下。

绳驱动机器人的驱动机构后置，因此具有2个得天独厚的优势：（1）驱动器固定在主体结构上，再通过牵引绳索来控制中心执行器，使得运动部件的体积、质量大幅减少，负载质量比显著提升;（2）驱动电机的后置使运动部件结构变得简单，减少了电气元件的使用，既减少了建设成本，又提升了防尘和防水性能。

绳驱动机器人的有效载荷由多个驱动器一起承担，而执行端质量相比传统机器人大幅度降低，所以绳驱动机器人不但可以承担大载荷的情况，也可以达到传统机器人不能企及的运动速度以及加速度。在国外的相关研究中，绳驱动机器人运行最高速度可达13m/s，最大加速度可达43m/s。相较之下，参考国内相关研究，传统堆垛机器人即使空载时能达到的速度也小于2.7m/s。

绳驱动机器人的中心执行机构与主体结构由绳索相连接，这使得其工作空间的延展性大大增强。例如现在足球赛事直播当中经常使用的摄像机器人Skycam就是绳驱动机器人的一种，其尺寸可以覆盖一个足球场。

2绳驱动机器人在智能立库中应用可行性

在第1节对智能立库库区堆垛机和绳驱动机器人的现状分析中可以得知，完成库区货物搬运对堆垛机的功能需求与绳驱动机器人的功能有极大的重合度。显而易见，绳驱动机器人完全可以满足现有的智能立库库区搬运要求。以下从几个方面来分析绳驱动机器人在智能立库中运用的可行性。

（1）智能立库库内搬运货物只要求搬运机器人在3个自由度上运行，运行逻辑简单，适合绳驱动机器人。一个货物（电能表或者互感器）从智能立库货架上被搬运到输送线体上，只需要搬运机构完成在3个方向上的运动，分别是巷道中的水平运动、在巷道中的垂直运动、以及垂直于巷道的伸缩运动。即不需要考虑3个轴的旋转运动，这就使得搬运过程中对执行机构的运动能力要求大大降低。从运动方式上来说，绳驱动机器人来完成这个搬运任务完全可以扬长避短，一方面可以发挥绳驱动机器人结构简单的优势，另一方面又可以避免绳驱动机器人执行机构旋转控制困难、容易崩溃的缺点。如果能把绳驱动机器人运用在智能立库的搬运中，可以完成对货物的快速、安全、高质量地运输。

（2）立库工作空间很大，刚好和绳驱动机器人的工作特性相符合。前面提到过，随着智能电网的大力推进，电能表的检定量与日俱增，对立库存储量的要求也是日渐提高。不可避免地需要提高立库容纳货物的能力，立库的体积也就飞速增长。因此，对堆垛机在巨大空间的工作能力需求也就越来越高。而绳驱动机器人结构简单，其执行机构和主体结构是由绳索相连接，其空间延展性极高。当工作空间逐渐增大时，理论上只需要保证绳索的材质与动力驱动机构能够承受执行机构的负荷，就可以通过增加绳索的长度来增加机器人的工作空间范围。在适应较大工作空间这方面，相比于传统的堆垛机，绳驱动机器人不需要考虑执行机构的结构变化，减少了建设难度以及制造成本，其结构简单的优点再一次得到了充分体现。

（3）搬运的货物（电能表）质量相对较小，一般立库对所需搬运货物的要求只需要达到100kg以上。凭借着绳索材料质量的巨大提升，绳驱动机器人完全可以稳定地实现货物搬运。随着应用材料科技的飞速发展，各种不同材质的原材料都可以应用在绳索之中，例如麻、钢丝、纤维等，如表1所示。由表可知，使用Dyneema高强度纤维、碳纤维等材料时，绳索的强度极高，能承受的拉力上限也远大于智能立库中货物搬运的要求。所以，绳驱动机器人完全可以出色地完成立库的货物搬运任务。

（4）绳驱动机器人能耗相对较小。第1节提到，绳驱动机器人的驱动机构是后置在主体结构的支柱上的，运动机构只有执行机构。同时，运动机构通过绳索与主体结构上的电机相连接，整体结构轻量化、简单化，负载质量较传统堆垛机大大提升，搬运单位质量货物的能耗也就随之大幅度降低。也就是说，通过减少自身运动机构的质量，在搬运货物时，在驱动环节上，绳驱动机器人相比傳统机器人节省了大量的能量。

（5）绳驱动机器人安全系数相比于传统堆垛机器人较高。因为传统机器人质量体积大、运动惯高、缺乏柔顺性，人机交互的安全性能也因此大打折扣，对于后期的维护造成了较大困难。同时，因为运动机构上有很多电器元件，传统堆垛机器人对工作环境的要求和主体结构建设的要求都比较高，这就提高了建设成本和加大了结构设计的难度。如果使用绳驱动机器人来代替传统堆垛机器人，相信这些问题都会迎刃而解，使得智能立库的货物搬运得到简单、经济、普适的解决方案。

（6）绳驱动机器人执行机构之所以可以高速移动，加快产能，得益于绳驱动机器人的优秀结构：运动机构只有执行机构，通过绳索与多组驱动器连接，机器人在运行的过程中可以把载荷较为均匀地分布在不同驱动电机上，提升货物搬运的稳定性。还可以凭借运动机构的轻量化达到很高的速度以及加速度，这就可以极大地加快货物出入库的速度，减少固定用时，提升产能，满足日渐增长的智能电表检测需求。

尽管如此，绳驱动机器人也有一定的局限性。绳索是柔性材质，只能承受拉力而不能承受压力。这就要求更高的运动控制逻辑，以保证运动过程中每条绳索都是被拉紧的状态。只有这样才能确保执行机构位置的准确性，使其不会因为绳索的形变而偏离预设的目标地点。不过随着对绳驱动机器人的研究越来越深入，相关的控制算法也逐渐成熟，这个问题已经有很多可行的解决方案，绳驱动机器人在立库储存领域应用也日渐深入。

3结束语

随着绳驱动机器人技术和相关设备研究发展不断创新与进步，绳驱动机器人的经济、高效、节能等特点相对于其他形式的机器人日渐明显。另一方面，随着市场经济的飞速发展和电力智能电网建设，相关产业对计量设备集中存储提出了越来越高的要求，这使得绳驱动机器人在智能立库中的运用有着巨大的挖掘潜力。结合本文对智能立库堆垛机现状与绳驱动机器人的性能结构以及应用情况的分析，可以看出绳驱动机器人在智能立库应用是完全可行的。随着这个领域逐渐深入的研究，绳驱动机器人大量应用于立库存储系统只是时间问题。