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    庖丁解牛-亞馬遜KIVA硬件拆解

    你有沒有想過,快遞公司那些幾萬平米的物流中轉倉庫是如何運行的?

    長期以來,它們的運轉完全依賴于一支支每人每天步行上萬米的人力大軍。這是一個非常低效、昂貴、容易出錯的過程。在機器人AGV系統出現之前,這方面最先進的解決方案是讓員工在工廠里騎自行車。

    如今,倉儲物流已經成為機器人應用最大的市場之一。在諸多物流機器人解決方案中,最成功的莫過于被亞馬遜以超過7億美金收購的Kiva。成千上萬的Kiva機器人早已投入使用,以遠遠高于人工的效率、更低的成本和錯誤率,晝夜不停地處理客戶的海量包裹。

    而實現Kiva巨大成功的核心--Kiva機器人,出于商業保密考慮,一直鮮有曝光,支撐其強大性能的軟硬件、結構設計細節我們無從知曉。然而,風投公司Bolt的創始人Ben Einstein搞到了一臺老版本的Kiva機器人,并且把它拆解了并po在公司的博客上。從其中的細節里,我們能看到Kiva工程師大量工程思維和經驗的結晶。

    Kiva部署的倉庫地面上每隔大約1米就有一個二維碼,Kiva就根據這些標記進行定位。它的每一個動作都來自于云端的指令。在它到達目標貨架底部后,其使用一個精巧的滾珠絲杠升降梯結構,通過原地旋轉來升高自己,將貨架頂起約10厘米。

    Kiva機器人做的事情聽上去很簡單。但你要意識到,一個貨架往往裝著重達半噸的貨物,一個倉儲中心通常有上萬個貨架,成千上百臺機器人,以及幾十個進貨出貨口。在這么復雜而密集的系統里,需要保證機器人不發生碰撞。任何一臺機器人如果發生碰撞,把貨架摔倒,造成的損失都將是巨大的。

    Kiva機器人如何做到如此可靠?下面就讓我們跟著Ben Einstein一邊拆,一邊看。

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    系統架構和機械結構

    從外面看,Kiva機器人外殼的每一側都有紅外傳感陣列,以及氣動保險杠,用于檢測和緩沖碰撞。外殼上還有充電接口和一系列狀態指示燈。

    每一臺Kiva機器人有三個獨立的自由度:兩個驅動輪,加上一個用于起重的旋轉電機。起重電機轉動時,兩個驅動輪反方向旋轉,結果是托盤相對于地面沒有旋轉,只在滾珠絲杠的作用下升高。相比于傳統的大負載直線驅動方案比如液壓、剪式升降臺,Kiva的這種利用輪子的結構顯然更加簡單可靠。

    圖:Kiva的X形托盤

    起重結構托盤的頂部是一些厚實的X形鋁鑄件,這些鑄件全部使用319號通用鋁。每個鋁鑄件上還有二次精密加工出來的參考面和螺紋孔。這種工藝在包括汽車發動機和液壓泵等設備中大量使用。

    左:打開外殼后看到的Kiva內側結構。圖中可以看到外殼上的紅外陣列,無線模塊,重結構和起重電機。

    右:Kiva俯視圖??梢钥吹狡鹬亟Y構和電池。

    每一個紅外傳感器都配有獨立的濾波芯片,通過串口總線通訊。在圖中你可以看到升降模塊使用的電機和巨大齒輪。在機器人靠近底部的位置,安裝有四塊鉛蓄電池。

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    外殼

    橘黃色的流線型塑料外殼采用ABS材料真空塑形。在其上有大量二次加工的結構。用于造Kiva的真空塑形機和數控銑想必都體積巨大。這個版本的Kiva外殼既復雜又造價高昂,新版本估計會采用全注塑結構。

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    碰撞傳感器

    對于像Kiva這種大塊的流線型外殼而言,做傳統的一體化碰撞傳感器是非常困難的。Kiva的工程師們找到了一個非常聰明的低成本解決方案:用乙烯/橡膠管充氣,加上一個簡單的氣壓傳感器。一旦檢測到管內氣壓變化,機器人就立即停止所有運動。 上圖右邊的黑盒子用于檢測壓力信號和所有紅外傳感器的信號,以簡化與主控制器的協議和接線。

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    升降機構

    齒輪箱,升降電機和大口徑滾珠絲杠

    升降機構使用了一個定制的滾珠絲杠,經由一個標準尼龍齒輪和電機連接。升降機使用的電機和兩個驅動輪電機是同一款Pittman電機。它能夠輸出約3N*M的扭矩和1KW的堵轉功率。電機輸出軸經過25:1的日本Brother齒輪箱,能在72rpm輸出46N*M的扭矩。這款齒輪箱單價高達1000美金,想必大量訂貨的話會便宜不少。

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    底盤和驅動輪

    把升降結構拆下來后,我們可以把機器人翻個底朝天來看一看其底盤上的驅動裝置。兩個電機以及其齒輪箱和升降電機相同,兩個定制的輪子組成可以原地旋轉的差分結構。

    三個砂鑄鋁部件構成了機器人底盤的大部分。它們由簡單的U形夾銷連接,形成一個簡單的被動雙懸掛結構。 同樣,這些鋁件采用319合金,以及先鑄造再精加工的工藝。注意下圖中底盤上加工出來的散熱結構,其背面裝著的正是電機驅動器的巨型MOSFET。這種結構可以自然地利用底盤來以獲得最大的散熱效率。

    連接懸掛結構的U型夾銷,底盤上的散熱片。

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    電子元件

    要讓Kiva機器人身上這三個大功率電機和一身的傳感器長時間可靠地工作,電子設備的設計是相當重要的一環。

    電池模塊

    電池的線束,充電口(頂視圖和側視圖)

    整個系統的能源來自于四個串聯的12V,28Ah 鉛蓄電池。四個電池中的兩個還安裝了熱電偶以確保它們不會過熱。當電量過低時,機器人會自動脫離中央控制器的指令,并自行回到充電站充電。充電站的設計留有很大空間裕度,保證機器人能夠正常充上電。

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    攝像頭和成像模塊

    朝上和網下看的攝像頭。兩個都安裝于滾珠絲杠內部。

    置于升降機構內部的是Kiva系統的關鍵設備之一:定制的雙攝像機成像模塊。 一個攝像頭向下看地面以識別倉庫地板上的2D條形碼, 另一個向上看貨架的底部。每個攝像頭都配備6個紅色LED用于照明。 夾在兩個攝像機之間的是圖像處理模塊,其核心是ADI ADSP-BF548 Blackfin多媒體處理器,通過高速串口獲取數據,進行數據矩陣檢測。

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    主板和子板

    統籌全局的是上圖中的主邏輯模塊。電機驅動板由電池的48V DC供電;邏輯元件部分全部使用一路單獨濾波的電源。三相直流無刷電機(BLDC)的驅動板也是完全定制的,由一塊萊迪思的LFXP6C FPGA(隱藏在主板下)驅動。 三個電機驅動都配有電流傳感器(注:所以很可能是FOC控制),編碼器以及6個全橋MOSFET(通過機箱冷卻)。

    安裝FPGA的子板承擔了協調無線模塊、成像單元、緊急制動、連接紅外/壓力傳感器、電源管理和電機驅動器的功能,大大減輕了主板的壓力。MCU是32位,400MHz 的Freescale MPC5123,很可能運行的是PowerPC Linux。 兩個以太網端口連接到無線模塊和固件存儲,它們由一個Mircel KSZ8993切換。

    整個機器人唯一一個現成的電子元件是通信模塊:Soekris Engineering Net4526雙天線路由器,運行著單個Winstron NeWeb CM9無線模塊,通過以太網和主板連接。

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    堪稱神器的升降模塊

    這代Kiva有許多處設計都非常精巧,而其中最出彩的莫過于升降模塊。它必須能在一千磅(約半噸)的壓力下完成升降,并全程與地面保持完美的平行——這是滾珠絲杠結構的理想任務。通常市面上見到的滾珠絲杠都是實心的,最粗也不過五個厘米,而Kiva定制的這款外徑達到了28厘米,而且是空心,內螺紋結構。

    絲杠的兩個殼體軸承都是鋁質,同底盤一樣都是需要二次加工的鑄件。這兩個部件都進行了表面氧化處理,這為軸承提供了很好的潤滑和防銹能力。內殼是固定的,相當于一個球形螺母,其外側有注塑成型的環狀結構,用來約束滾珠;外殼在旋轉時內側與滾珠接觸,外側與升降電機通過齒輪連接。

    根據工藝復雜度,整個升降結構的成本估計在1000美金左右。

    結語

    Kiva Systems是少數幾家能夠將復雜的硬件和軟件巧妙地集成到一個無縫解決方案中的公司之一,并且已經建立了一個能夠極大地改變我們的購買,銷售和生活方式的系統。

    很明顯, Kiva Systems公司里養著一幫非常強大的硬件工程師,這可能是亞馬遜在2012為收購Kiva拋出7.75億美元天價的一個重要原因。這篇文章只討論了機器人本體,但要注意這只是整個Kiva解決方案中一個很小的一部分!