Kiva机器人，是亚马逊在2012年斥资7.75亿美元收购Kiva systems公司的机器人项目。Kiva机器人外观看起来像一个冰球，能够搬起超过3000磅的商品在物流中心自由“行走”。Kiva机器人会扫描地上条码前进，能根据无线指令的订单将货物所在的货架从仓库搬运至员工处理区，这样工作人员每小时可挑拣、扫描300件商品，效率是之前的三倍，并且Kiva机器人准确率达到了99.99%。如此省力智能的kiva仓储机器人原理是怎样的呢？我们一起来了解一下。

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 ,以吸气动保险杠,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-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稿。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。

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。

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。

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。

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: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。

升降机构

升降机构使用了-一个定制的滚珠丝杠,经由一一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。

底盘和驱动轮

把升降结构拆下来后,我们可以把机器人翻个底朝天来看一看其底盘 上的驱动装置。两个电机以及其齿轮箱和升降电机相同,两个定制的轮子组成可以原地旋转的差分结构。

三个砂铸铝部件构成了机器人底盘的大部分。它们由简单的U形夹销连接,形成-一个简单的被动双悬挂结构。同样,这些铝件采用319合金,以及先铸造再精加工的工艺。注意下图中底盘上加工出来的散热结构,其背面装着的正是电机驱动器的巨型MOSFET。这种结构可以自然地利用底盘来以获得最大的散热效率。

电子元件

要让Kiva机器人身上这三个大功率电机和一身的传感器长时间可靠地工作,电子设备的设计是相当重要的一环。

电池模块

整个系统的能源来自于四个串联的12V , 28Ah铅蓄电池。四个电池中的两个还安装了热电偶以确保它们不会过热。当电过低时,机器人自动脱离中央控制器的指令,拍徊到充电统电。充电站的设计留有很大空间裕度,保证机器人能够正常充上电。

摄像头和成像模块

置于升降机构内部的是Kiva系统的关键设备之一: 定制的双摄像机成像模块。- -个摄像头向下看地面以识别仓库地板上的2D条形码，另-一个向上看货架的底部。每个摄像头都配备6个红色LED用于照明。夹在两个摄像机之间的是图像处理模块,其核心是ADI ADSP-BF548Blackfin多媒体处理器,通过高速串口获取数据,进行数据矩阵检测。

主板和子板

统筹全局的是上图中的主逻辑模块。电机驱动板由电池的48V DC供电;逻辑元件部分全部使用一路单独滤波的电源。三相直流无刷电机( BLDC )的驱动板也是完全定制的,由-块莱迪思的LFXP6C FPGA (隐藏在主板下)驱动。三个电机驱动都配有电流传感器(注:所以很可能是FOC控制) , 编码器以及6个全桥MOSFET (通过机箱冷却)。

安裝FPGA的子板承担了协调无线模块、成像单元、紧急制动、连接红外/压励传感器、电源管理和电机驱动器的功能,大大减轻了主板的压力。MCU是32位, 400MHz的FreescaleMPC5123 ,很可能运行的是PowerPC Linux。两个以太网端口连接到无线模 块和固件存储,它们由一个Mircel KSZ8993切换。

整个机器人唯一一个现成的电子元件是通信模块 : Soekris Engineering Net4526双天线路由器,运行着单个Winstron NeWeb CM9无线模块,通过以太网和主板连接。

升降模块这代Kiva有许多处设计都非常精巧,而其中最出彩的莫过于升降模块。它必须能在一千磅(约半吨)的压力下完成升降,并全程与地面保持完美的平行一这 是滚珠丝杠结构的理想任务。通常市面上见到的滚珠丝杠都是实心的,最粗也不过五个厘米,而Kiva定制的这款外径达到了28厘米,且是空心,内螺纹结构。丝杠的两个壳体轴承都是铝质,同底盘一样都是需要二次加工的铸件。 这两个部件都进行了表面氧化处理,这为轴承提供了很好的润滑和防锈能力。内壳是固定的,相当于-一个球形螺母，其外侧有注塑成型的环状结构,用来约束滚珠;外壳在旋转时内侧与滚珠接触,外侧与升降电机通过齿轮连接。根据工艺复杂度,整个升降结构的成本估计在1000美金左右。

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