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Kiva机器人如何做到如此可靠?我来拆给你看!

2018年09月14日 作者: 暂无评论 1,524+ 0

长期以来,它们的运转完全依赖于一支支每人每天步行上万米的人力大军。这是一个非常低效、昂贵、容易出错的过程。在机器人AGV系统出现之前,这方面最先进的解决方案是让员工在工厂里骑自行车。

如今,仓储物流已经成为机器人应用最大的市场之一。在诸多物流机器人解决方案中,最成功的莫过于被亚马逊以超过7亿美金收购的Kiva。成千上万的Kiva机器人早已投入使用,以远远高于人工的效率、更低的成本和错误率,昼夜不停地处理客户的海量包裹。

而实现Kiva巨大成功的核心--Kiva机器人,出于商业保密考虑,一直鲜有曝光,支撑其强大性能的软硬件、结构设计细节我们无从知晓。然而,风投公司Bolt的创始人Ben Einstein搞到了一台老版本的Kiva机器人,并且把它拆解了并po在公司的博客上。从其中的细节里,我们能看到Kiva工程师大量工程思维和经验的结晶。

Kiva部署的仓库地面上每隔大约1米就有一个二维码,Kiva就根据这些标记进行定位。它的每一个动作都来自于云端的指令。在它到达目标货架底部后,其使用一个精巧的滚珠丝杠升降梯结构,通过原地旋转来升高自己,将货架顶起约10厘米。

Kiva机器人做的事情听上去很简单。但你要意识到,一个货架往往装着重达半吨的货物,一个仓储中心通常有上万个货架,成千上百台机器人,以及几十个进货出货口。在这么复杂而密集的系统里,需要保证机器人不发生碰撞。任何一台机器人如果发生碰撞,把货架摔倒,造成的损失都将是巨大的。

Kiva机器人如何做到如此可靠?下面就让我们跟着Ben Einstein一边拆,一边看。

1系统架构和机械结构

从外面看,Kiva机器人外壳的每一侧都有红外传感阵列,以及气动保险杠,用于检测和缓冲碰撞。外壳上还有充电接口和一系列状态指示灯。
每一台Kiva机器人有三个独立的自由度:两个驱动轮,加上一个用于起重的旋转电机。起重电机转动时,两个驱动轮反方向旋转,结果是托盘相对于地面没有旋转,只在滚珠丝杠的作用下升高。相比于传统的大负载直线驱动方案比如液压、剪式升降台,Kiva的这种利用轮子的结构显然更加简单可靠。

图Kiva的X形托盘

起重结构托盘的顶部是一些厚实的X形铝铸件,这些铸件全部使用319号通用铝。每个铝铸件上还有二次精密加工出来的参考面和螺纹孔。这种工艺在包括汽车发动机和液压泵等设备中大量使用。

左:打开外壳后看到的Kiva内侧结构。图中可以看到外壳上的红外阵列,无线模块,重结构和起重电机。

右:Kiva俯视图。可以看到起重结构和电池。

每一个红外传感器都配有独立的滤波芯片,通过串口总线通讯。在图中你可以看到升降模块使用的电机和巨大齿轮。在机器人靠近底部的位置,安装有四块铅蓄电池。

 

2外壳

橘黄色的流线型塑料外壳采用ABS材料真空塑形。在其上有大量二次加工的结构。用于造Kiva的真空塑形机和数控铣想必都体积巨大。这个版本的Kiva外壳既复杂又造价高昂,新版本估计会采用全注塑结构。

3碰撞传感器

对于像Kiva这种大块的流线型外壳而言,做传统的一体化碰撞传感器是非常困难的。Kiva的工程师们找到了一个非常聪明的低成本解决方案:用乙烯/橡胶管充气,加上一个简单的气压传感器。一旦检测到管内气压变化,机器人就立即停止所有运动。 上图右边的黑盒子用于检测压力信号和所有红外传感器的信号,以简化与主控制器的协议和接线。

4升降机构

齿轮箱,升降电机和大口径滚珠丝杠

升降机构使用了一个定制的滚珠丝杠,经由一个标准尼龙齿轮和电机连接。升降机使用的电机和两个驱动轮电机是同一款Pittman电机。它能够输出约3N*M的扭矩和1KW的堵转功率。电机输出轴经过25:1的日本Brother齿轮箱,能在72rpm输出46N*M的扭矩。这款齿轮箱单价高达1000美金,想必大量订货的话会便宜不少。

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