单人站立时长超5小时、日均搬货量约1吨，人形机器人如何胜任车间物流任务？江南大学智能制造学院教授张秋菊团队携手无锡蔚瀚智能科技有限公司、无锡威孚高科技集团股份有限公司自主研发的双臂轮腿式人形机器人“艾德”，为解决这一难题提供了方案。“艾德”双臂抓取力达6公斤以上，可以在良好铺装路面快速移动。在智慧车间物流场景下，“艾德”机器人有望成为一名出色的车间“搬运能手”。
“‘艾德’身高1.7米，全身具有32个自由度，拥有一双6电缸驱动的五指灵巧手。它不仅可以轻松抓起数公斤重物，还能进行类人五指灵巧操作，是一台名副其实的全尺寸工业人形机器人。”张秋菊近日接受科技日报记者采访时介绍。
安装“强关节”
传统车间物流搬运工作以人工为主，物料员需要频繁往返于仓库和生产线之间，完成一系列移动运输任务和辅助上下料作业。而在智慧车间物流场景下，机器人可以代替物料员进行柔性物料搬运，助力车间物流朝智能化、自动化方向发展。
打造智慧车间物流场景，关键在于为机器人打造与人类相似的骨骼框架与关节系统等机械构造，使其具有良好的操作和运载能力，以适应车间物流柔性化作业需求。其中，关节技术的优劣直接决定了机器人的有效负载、灵活性、精确性和耐用性。
目前，人形机器人通常采用旋转关节驱动方案，通过无框力矩电机与谐波减速器的结合，实现高扭矩动力输出。但传统的谐波减速器使用的渐开线齿形结构承载能力较小，不仅会造成机器人关节臃肿，增加机器人自重与体积，还大大限制了其空间动作能力和工作负载。
如何在确保高扭矩输出的同时，实现机器人关节的轻量化与小型化，是团队需要攻克的一道难题。当前，国内外许多专家学者都在致力于传动结构优化，部分企业已在关节模组上应用了单圆弧齿形。这虽然减小了关节模组的体积，但在抗金属疲劳能力上效果不够理想。后来，团队经过多次试验与总结，发现双曲线齿形的谐波关节模组体积仅是普通齿形的30%，承载力却是传统关节模组的1—2倍。“艾德”使用的双曲线齿形关节模组，显著提升了关节运动能力与负载性能，更好适应了高扭矩、高精度的工作条件，满足了机器人关节小型化、轻量化的设计指标。
配备“灵巧手”
“艾德”不仅生得“孔武有力”，干起活来还“心灵手巧”。它可以在研究人员的监督下抓取工具，也可以分拣物流箱内不同种类货物，并与人类简单交互。这得益于研究团队开发的五指灵巧手技术。
人体的206块骨头中，有54块在手上。人手运动看似平常，却能胜任从精细物体抓取到复杂工具操作等多种任务。用机械运动复现人手的操作功能，是一个重大挑战。
“艾德”装配的灵巧机械手，内置6个小型直线电缸，采用精密连杆传动方案。该机械手具有6个主动自由度、9个被动自由度，每根手指都由独立电缸驱动，可以轻松实现握拳、竖掌、捏取等动作，更好复现了人类手势。该机械手采用全铝合金打造，总重不到0.6公斤，轻盈美观、体积小巧。
研究人员介绍，这只手的另外一个亮点在于所有组件都集成到了掌内。这意味着它无需额外部件，就能连接到现有的机械臂上。在实验中，机械手在拿钢笔、拎料箱、用扫描枪扫码纠错等多种车间工作场景中表现良好。
踏上“风火轮”
要想成为一名合格的“物流员”，“艾德”既要跑得快，更要跑得稳。
当下，普通物流仓储车间建筑面积已达1000平方米左右，而物料仓与生产线之间的距离通常设置在50米以上。为满足运输要求，机器人单日需在仓库与生产线间往返100余次，日行里程有时甚至会超过16千米。这对机器人的运动速度与稳定性提出了较高要求。
为了让“艾德”在车间“跑”得又快又稳，研究团队采用轮腿式构型，简化了运动算法流程，降低了机器人在平衡控制上的芯片算力占用。“仅仅是底盘结构，我们就做了三次迭代。我们对上肢进行轻量化处理，将重心完全降在了底盘高度，解决了前代样机加减速振动和重心偏移问题，使‘艾德’跑得更快，并兼具良好的操控性与稳定性。”张秋菊介绍。
“‘艾德’测试运动速度为2米/秒，潜在运动速度大于15千米/小时，能够稳定加减速、转向、爬坡，达到了智慧车间物流的基本要求。”江南大学智能制造学院硕士研究生陈苏芃说，“艾德”还搭载了一台48伏特锂电池，应用电源管理技术，确保可以在额定状态下持续工作超5小时。
“当前，‘艾德’已经初步通过车间物流功能性论证，可以完成简单的物流搬运演示。未来，我们希望进一步提升机器人的智力水平、感知能力、双臂协同和灵巧操作能力，让‘艾德’有机会走进企业，在工业应用场景中大显身手。”张秋菊说。
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