（華東理工大學，上海 200237）

1 智能空間模塊位移系統(tǒng)思路總體設計

1.1 思路背景

不論是在日常生活中，還是工廠的實際生產中，提高空間的利用率和物品拿取、存放效率都是一個亟待解決的重要問題。目前，市場上現有的儲物空間多基于單層空間，或者多層單軸[1,2]，空間延展性弱，無法做到空間三維立體化高效利用[3]；同時，工業(yè)中普遍使用兩種取物裝置均存在著不足之處：一種是履帶式裝置[4,5]空間利用率極低，安全性、可開發(fā)性不高，而且拿取方式極其死板，一旦購買安裝完成之后很難根據貨物存放方式和位置的改變進行相應的改進，成為后期限制工廠倉庫發(fā)展的一大阻力。另一種是拿取式裝置[6]拿取效果靈活性比較突出的智能機器，耗費巨大而且需要更加大的路徑規(guī)劃空間，不適合絕大多數中小型倉庫。因此市面上就貨物拿取方面存在著巨大的欠缺。

針對這些問題，為融合經濟性和靈活性兩大需求，提出了一套全新的智能空間模塊位移系統(tǒng)思路，通過信息判斷即使生成自由回路，實現拿取的自由化。同時利用三維空間模塊思維簡化工作量，將信息傳遞及處理、位移處理、動力系統(tǒng)匹配等獨立開來。又加以物聯網輔助，從而建立了一套完整的智能空間模塊位移系統(tǒng)，進而滿足中小型工廠，物流以及智能家居等對類似空間位移型產品的需求，填補市場的空缺。

基于此思路，設計了新型智能空間模塊位移機械裝置，其優(yōu)點為完全利用整個儲物或唯一空間，且移動過程能不受機械結構約束，實現路徑最優(yōu)化，實現節(jié)能與高效。

1.2 能量及空間利用比較計算

1.2.1 履帶式物品移動方式計算

將對產品的運送過程分為起步，平穩(wěn)運行，停止來分析運算，約定該裝置運送單個產品的運輸功率為P0，且有以下假設：

1）運行過程功率假設平穩(wěn)，在起步停止階段導致的P的波動暫且不記；

3）動力機構和執(zhí)行機構的傳遞效率為η。

若采用履帶性物品移動方式（現在市面上常見的儲物運輸裝置），現有設計中多采用單向履帶，拿取其上某一處的物品時，需帶動履帶上的所有物品進行移動。以圖1所示3×10的履帶儲物系統(tǒng)為例，計算其能耗。約定履帶以如圖1所示順時針方向運轉，相鄰單元格中心距為L，選擇右下角處為出口，并依次對其他單元進行1-21編號（其中空白地段為無效工作區(qū)）。

圖1 履帶儲物系統(tǒng)

可見，拿取第n號單元時，拿取過程所需的路徑長度為nL，復位過程所需路徑長度為(22-N)L。設啟動加速度為a1，停止加速度為a2，平穩(wěn)運行速度為v。

設運行時一個單元格所消耗功率為P1，則拿取過程的總功率：P2=nP1。

拿取過程的總功：

復位的總功率：

復位的總功：

1.2.2 新型智能空間模塊位移機械裝置能耗分析計算

對基于智能空間模塊位移系統(tǒng)思路的新型智能空間模塊位移機械裝置進行能耗分析計算。設單元格橫坐標為x，縱坐標為y將出口處設為（0，0），如圖2所示。

圖2 新型智能空間模塊位移機械裝置

設啟動加速度為a1，停止加速度為a2，平穩(wěn)運行速度為v；

起步停止階段tt0：

起步階段時tst：

停止階段tsp：

穩(wěn)定運行階段tte：

（m，n）處運送到目的地所需時間：

功率：

1.2.3 理想情況計算

若為理想情況下的直線移動（即目標物體筆直走向出口，用于簡單評估能量利用情況）單元格至出口處的最短距離可分為3種情況：

x=0時，距離為yL；

表1 x=1時Y坐標-距離

表2 x=2時Y坐標-距離

1.3 計算數據處理及比較分析

1.3.1 計算數據簡化與圖像處理

為對比傳統(tǒng)生產過程所使用的典型履帶式裝置與基于智能空間模塊位移系統(tǒng)思路的創(chuàng)新空間模塊位移機械裝置的能耗數值數據。為簡化對比過程，做以下處理：

將給定參數，啟動加速度a1，停止加速度a2，平穩(wěn)運行速度v，單位長度L(l)，功率P統(tǒng)一約定為1。且暫且不考慮運動過程中因加速減速產生的工作阻力對功率P的影響。

圖3為傳統(tǒng)履帶式機器的相對功耗與空間位置圖。（其中中部對應（1，1）至（1，8）部分為無效工作區(qū)，可對照圖2。）圖4為創(chuàng)新空間模塊位移機械裝置功耗與空間位置圖。圖5為理論直線運行下的相對功耗。

圖3 傳統(tǒng)履帶式的相對功耗與空間位置

圖4 創(chuàng)新空間模塊位移機械裝置功耗與空間位置

圖5 理論直線運行下的相對功耗

1.3.2 比較分析

對比1.3.1節(jié)中三圖可以明顯看出：

履帶式裝置和基于智能空間模塊位移系統(tǒng)思路的新型智能空間模塊位移機械裝置相比較能量分布不均勻，對比圖3與圖5，當x=0時，隨著y值得增加，圖3波動呈現無關性，且基本處于高數值區(qū)域；x=2時，雖圖3的增幅較為平穩(wěn)，但是對比下其對應z值（相對功耗）明顯高出圖5的理論數值。同樣的，對比圖4與圖5，整體平穩(wěn)且與位置參數高度契合。由此可見，新型智能空間模塊位移機械裝置能量合理的按照相對位置分布，和位置參數高度契合，明顯可以看出路徑優(yōu)化的顯著作用。

新型智能空間模塊位移機械裝置空間利用率為百分百，而履帶式裝置空間利用率僅僅接近70%，且理論分析下，隨著機構的擴大（即由3×10，擴展到5×15或更多），利用率會進一步降低。

圖3與圖4中將z值（相對功耗）相比較，在簡化的功耗估算下傳統(tǒng)履帶式裝置整體功耗為新型智能空間模塊位移機械裝置的138%，且在（0，1），（0，2）處高達14.7倍和7.44倍，除此之外，在履帶式傳統(tǒng)機構的功能空白區(qū)（（1，1）至（1，8）），創(chuàng)新思路機構均表現的十分穩(wěn)定。

2 新型智能空間模塊位移機械裝置總體設計概述

2.1 系統(tǒng)整體創(chuàng)新思路

該系統(tǒng)從模塊的角度思考，希望能夠通過將空間模塊化，然后將實際運動軌跡與單片機中的編程語言相關聯。從而實現從虛擬的編程語言到現實中的實際運動軌跡的靈活轉換。

2.2 新型智能空間模塊位移機械裝置的性能要求

該新型智能空間模塊位移機械裝置需滿足自動化程度高、存放和拿取效率高、空間利用率高、系統(tǒng)穩(wěn)定等要求，具有結構巧妙、性能高效、空間緊湊等特點。性能優(yōu)良：一、系統(tǒng)的自動化程度，即通過單片機實現各部分功能的協調自動控制，在人為給出目的指令的情況下能自動運轉以實現目標；二、工作效率高，能耗少。對于不同位置的儲物單元，都能以最簡的路徑實現移動；三、系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即運動平穩(wěn)準確，能保證規(guī)定的運動精度；四、結構巧妙，體積緊湊，操作方便，制造容易，成本低；五、留有進一步提升的空間，便于后期與工廠實際生產或智能家居等不同領域的融合。

研究的具體目標如下：

設計移動動作的執(zhí)行模塊，即具有可移植性的動作單元模塊，完成儲物單元的平穩(wěn)移動。

設計整體的回路模塊，即在整體移動平面上，通過限位開關實現可變移動路徑的執(zhí)行。

設計電路控制模塊，協調控制用戶指令、移動路徑的生成和改變、執(zhí)行模塊的動作指令等。

2.3 新型智能空間模塊位移機械裝置

圖6 新型智能空間模塊位移機械裝置模型總覽圖

基于智能空間模塊位移系統(tǒng)思路的新型智能空間模塊位移機械裝置，實現整個功能，模型樣機總覽如圖6所示。

3 新型智能空間模塊位移機械裝置各模塊單元設計

3.1 新型智能空間模塊位移機械裝置其機械結構設計簡介

新型智能空間模塊位移機械裝置可分為三大模塊（如圖7所示）：載物模塊、位置導向與判斷模塊、特征運動模塊。

圖7 三大模塊示意圖

3.2 載物模塊設計

載物模塊功能：實現物體的運送。

載物模塊由密度板和四個牛眼輪兩部分組成。

密度板上表面與需移動的物體接觸，下表面與捻輪接觸以實現摩擦驅動。因此上表面可進行多種安裝裝置的加裝（在文中模型機中不加描述，其不影響機構運作，可根據需要移動的物體自主選擇），下表面固定牛眼輪，且與運動模塊摩擦鏈接，故在下層添加摩擦涂

料[7,8]。

3.3 位置導向與判斷模塊設計

位置導向與判斷模塊，由導軌和限位開關構成，導軌采用與牛眼輪球輪匹配的鋁型材，起到導向和支撐的作用，其軌道內部鑲嵌的限位開關能夠實時判斷載物板的位置進而進行對運動模塊運動特征進行轉換和調整。如圖8所示，位置導向與判斷機構2包括導軌21和限位開關22，限位開關22鑲嵌在導軌21軌道內部，限位開關22均勻分布，進而及時對運動機構3的運動特征進行轉換和調整。導軌21，壁板和支柱4三者形成了九個立體的空間，即本空間位移裝置將空間劃分為了九個單元空間模塊。

圖8 位置導向與判斷模塊設計

圖9 運動機構

3.4 特征運動模塊設計

3.4.1 特征運動模塊結構組成

如圖9運動模塊是由兩個舵機、一個減速電機、捻輪和主體連接結構組成[9]。舵機1、舵機2由Arduino判斷控制，減速電機由Arduino給定信號控制開啟時間以及正反轉，整個機構由L298n給電。其中舵機1控制減速電機的傾斜與垂直，功能為控制運動單元與載物板的接觸與分離。舵機2控制主體結構旋轉，功能為控制邏輯路徑轉角處運動單元旋轉90°。

3.4.2 特征運動模塊具體實現方法

如圖9左所示，運動機構3包括底部舵機31、中部舵機32、減速電機33、捻輪34和轉體架構，其中，轉體架構包括底部凸模302、平臺301、轉動凸模303、凹模304和支撐架305，中部舵機32連接轉動凸模303，轉動凸模303嵌入凹模304，凹模304與支撐架305相連固定于平臺301之上，減速電機一端固定在支撐架305上，另一端安裝捻輪34，其工作原理為，底部舵機31和轉動舵機由Arduino單片機判斷控制，減速電機33由Arduino單片機給定信號控制開啟時間以及正反轉，整個裝置由L298n給電；其中轉動舵機控制減速電機33的傾斜與垂直，使得運動機構3與載物機構1的接觸與分離；底部舵機31控制運動機構3整體旋轉，使得在邏輯路徑的轉角處運動機構3旋轉90°。

4 機構功能實現方法及過程

首先，設定左上角為載物機構1的運動起始位置，右下角為終止位置，設定結束后Arduino內置程序自動根據起始點和終點的位置生成路線的編程語言描述。根據生成的編程語言，對每個路徑經過處的載物機構1的運動特征進行設置，可描述為：

1）直線路徑經過處，轉動舵機帶動電機外殼向上伸直，使捻輪34接觸載物機構1，并使載物機構1輕微抬起，同時減速電機33工作帶動捻輪34轉動，因摩擦力作用捻輪34驅動載物機構1移動。

2）路徑轉角處，底部座機根據具體路徑判斷，順時針或者逆時針旋轉90度，旋轉停止后，如上文描述，轉動舵機帶動電機外殼，使捻輪34接觸載物機構1，同時減速電機33工作，驅動載物機構1移動。

3）導軌21內嵌入限位開關22，當載物機構1按照要求運動到規(guī)定位置時，觸發(fā)限位開關22，正在工作的運動機構3停止工作，轉動舵機回轉，使捻輪34脫離載物機構1，同時，邏輯算法中的下一個應該運行的運動特征開始進行，使運動機構3再次驅動載物機構1移動。

將上述的編程語言轉化為機械運動，載物機構1即可從起始位置逐步移動到終止位置從而實現實際功能。上述為整個裝置上放置一個載物機構1時的工作流程，本裝置載物機構1可放置n-1個，n為運動單元的數目，當放置n-1個載物機構1時，編程與實際運動的轉換思路與上述相似，只需在載物機構1的運動特征開啟時間以及開啟順序依次調整。

注：上述過程中編號如圖7、圖8、圖9所示。

5 結論

從路徑的優(yōu)化下手，將編程語言優(yōu)化路徑與實際運行路徑結合，從而實現單純機械結構難以實現的效果。從對假設條件下（即假定兩種機構都為3×10的機型）傳統(tǒng)履帶式倉儲拿取運輸結構與創(chuàng)新思路機構的理論計算對比可以明顯的看出，經過編程路徑優(yōu)化之后，能量分布的合理性，進而體現其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)良性能。與不同位置物品理論拿取過程能量消耗對比計算下，優(yōu)化路徑后的機構能量消耗和位置參數高度契合，論證了此創(chuàng)新思路的合理性。

由國家級大創(chuàng)項目支持（項目編號201710251052），裝置實物模型如圖10和圖11所示。獲得第六屆上海市大學生機械工程創(chuàng)新大賽一等獎。實用新型專利已受理（專利號201820517460.5）。

本文設計的智能空間模塊位移系統(tǒng)可實現高效利用空間和自動低成本貨物拿取、收納等，滿足中小型工廠，物流以及智能家居等對類似空間位移型產品的需求，填補市場的空缺。同時機械裝置的設計在實際運用時需要根據具體的應用對象進行調整，例如在面向產品質量較大的實際情況，需要使用相應滿足強度要求的金屬加工以及使用相應功率的控制元件等。同時面向一些特殊產品（如高溫易燃易爆產品），可在路徑優(yōu)化的同時對其物理參數的測定并將其影響加入進最終的優(yōu)化計算中，豐富產品功能。

圖10 裝置實物總覽

圖11 運動機構實物