你有沒有想過，快遞公司那些幾萬平米的物流中轉(zhuǎn)倉庫是如何運(yùn)行的？

長期以來，它們的運(yùn)轉(zhuǎn)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(gè)非常低效、昂貴、容易出錯(cuò)的過程。在機(jī)器人AGV系統(tǒng)出現(xiàn)之前，這方面最先進(jìn)的解決方案是讓員工在工廠里騎自行車。

如今，倉儲(chǔ)物流已經(jīng)成為機(jī)器人應(yīng)用最大的市場(chǎng)之一。在諸多物流機(jī)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(jī)器人早已投入使用，以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工的效率、更低的成本和錯(cuò)誤率，晝夜不停地處理客戶的海量包裹。

而實(shí)現(xiàn)Kiva巨大成功的核心--Kiva機(jī)器人，出于商業(yè)保密考慮，一直鮮有曝光，支撐其強(qiáng)大性能的軟硬件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)我們無從知曉。然而，風(fēng)投公司Bolt的創(chuàng)始人Ben Einstein搞到了一臺(tái)老版本的Kiva機(jī)器人，并且把它拆解了并po在公司的博客上。從其中的細(xì)節(jié)里，我們能看到Kiva工程師大量工程思維和經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶。

Kiva部署的倉庫地面上每隔大約1米就有一個(gè)二維碼，Kiva就根據(jù)這些標(biāo)記進(jìn)行定位。它的每一個(gè)動(dòng)作都來自于云端的指令。在它到達(dá)目標(biāo)貨架底部后，其使用一個(gè)精巧的滾珠絲杠升降梯結(jié)構(gòu)，通過原地旋轉(zhuǎn)來升高自己，將貨架頂起約10厘米。

Kiva機(jī)器人做的事情聽上去很簡單。但你要意識(shí)到，一個(gè)貨架往往裝著重達(dá)半噸的貨物，一個(gè)倉儲(chǔ)中心通常有上萬個(gè)貨架，成千上百臺(tái)機(jī)器人，以及幾十個(gè)進(jìn)貨出貨口。在這么復(fù)雜而密集的系統(tǒng)里，需要保證機(jī)器人不發(fā)生碰撞。任何一臺(tái)機(jī)器人如果發(fā)生碰撞，把貨架摔倒，造成的損失都將是巨大的。

Kiva機(jī)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(tǒng)架構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)

從外面看，Kiva機(jī)器人外殼的每一側(cè)都有紅外傳感陣列，以及氣動(dòng)保險(xiǎn)杠，用于檢測(cè)和緩沖碰撞。外殼上還有充電接口和一系列狀態(tài)指示燈。

每一臺(tái)Kiva機(jī)器人有三個(gè)獨(dú)立的自由度：兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，加上一個(gè)用于起重的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。起重電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪反方向旋轉(zhuǎn)，結(jié)果是托盤相對(duì)于地面沒有旋轉(zhuǎn)，只在滾珠絲杠的作用下升高。相比于傳統(tǒng)的大負(fù)載直線驅(qū)動(dòng)方案比如液壓、剪式升降臺(tái)，Kiva的這種利用輪子的結(jié)構(gòu)顯然更加簡單可靠。

圖：Kiva的X形托盤

起重結(jié)構(gòu)托盤的頂部是一些厚實(shí)的X形鋁鑄件，這些鑄件全部使用319號(hào)通用鋁。每個(gè)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(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵等設(shè)備中大量使用。

左：打開外殼后看到的Kiva內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)。圖中可以看到外殼上的紅外陣列，無線模塊，重結(jié)構(gòu)和起重電機(jī)。

右：Kiva俯視圖?？梢钥吹狡鹬亟Y(jié)構(gòu)和電池。

每一個(gè)紅外傳感器都配有獨(dú)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(jī)和巨大齒輪。在機(jī)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(jié)構(gòu)。用于造Kiva的真空塑形機(jī)和數(shù)控銑想必都體積巨大。這個(gè)版本的Kiva外殼既復(fù)雜又造價(jià)高昂，新版本估計(jì)會(huì)采用全注塑結(jié)構(gòu)。

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碰撞傳感器

對(duì)于像Kiva這種大塊的流線型外殼而言，做傳統(tǒng)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(gè)非常聰明的低成本解決方案：用乙烯/橡膠管充氣，加上一個(gè)簡單的氣壓傳感器。一旦檢測(cè)到管內(nèi)氣壓變化，機(jī)器人就立即停止所有運(yùn)動(dòng)。 上圖右邊的黑盒子用于檢測(cè)壓力信號(hào)和所有紅外傳感器的信號(hào)，以簡化與主控制器的協(xié)議和接線。

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升降機(jī)構(gòu)

齒輪箱，升降電機(jī)和大口徑滾珠絲杠

升降機(jī)構(gòu)使用了一個(gè)定制的滾珠絲杠，經(jīng)由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尼龍齒輪和電機(jī)連接。升降機(jī)使用的電機(jī)和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)是同一款Pittman電機(jī)。它能夠輸出約3N*M的扭矩和1KW的堵轉(zhuǎn)功率。電機(jī)輸出軸經(jīng)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(jià)高達(dá)1000美金，想必大量訂貨的話會(huì)便宜不少。

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底盤和驅(qū)動(dòng)輪

把升降結(jié)構(gòu)拆下來后，我們可以把機(jī)器人翻個(gè)底朝天來看一看其底盤上的驅(qū)動(dòng)裝置。兩個(gè)電機(jī)以及其齒輪箱和升降電機(jī)相同，兩個(gè)定制的輪子組成可以原地旋轉(zhuǎn)的差分結(jié)構(gòu)。

三個(gè)砂鑄鋁部件構(gòu)成了機(jī)器人底盤的大部分。它們由簡單的U形夾銷連接，形成一個(gè)簡單的被動(dòng)雙懸掛結(jié)構(gòu)。 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(jié)構(gòu)，其背面裝著的正是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的巨型MOSFET。這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的U型夾銷，底盤上的散熱片。

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電子元件

要讓Kiva機(jī)器人身上這三個(gè)大功率電機(jī)和一身的傳感器長時(shí)間可靠地工作，電子設(shè)備的設(shè)計(jì)是相當(dāng)重要的一環(huán)。

電池模塊

電池的線束，充電口（頂視圖和側(cè)視圖）

整個(gè)系統(tǒng)的能源來自于四個(gè)串聯(lián)的12V，28Ah 鉛蓄電池。四個(gè)電池中的兩個(gè)還安裝了熱電偶以確保它們不會(huì)過熱。當(dāng)電量過低時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)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(shè)計(jì)留有很大空間裕度，保證機(jī)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(wǎng)下看的攝像頭。兩個(gè)都安裝于滾珠絲杠內(nèi)部。

置于升降機(jī)構(gòu)內(nèi)部的是Kiva系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一：定制的雙攝像機(jī)成像模塊。 一個(gè)攝像頭向下看地面以識(shí)別倉庫地板上的2D條形碼， 另一個(gè)向上看貨架的底部。每個(gè)攝像頭都配備6個(gè)紅色LED用于照明。 夾在兩個(gè)攝像機(jī)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(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)矩陣檢測(cè)。

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主板和子板

統(tǒng)籌全局的是上圖中的主邏輯模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)板由電池的48V DC供電；邏輯元件部分全部使用一路單獨(dú)濾波的電源。三相直流無刷電機(jī)（BLDC）的驅(qū)動(dòng)板也是完全定制的，由一塊萊迪思的LFXP6C FPGA（隱藏在主板下）驅(qū)動(dòng)。 三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)全橋MOSFET（通過機(jī)箱冷卻）。

安裝FPGA的子板承擔(dān)了協(xié)調(diào)無線模塊、成像單元、緊急制動(dòng)、連接紅外/壓力傳感器、電源管理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yùn)行的是PowerPC Linux。 兩個(gè)以太網(wǎng)端口連接到無線模塊和固件存儲(chǔ)，它們由一個(gè)Mircel KSZ8993切換。

整個(gè)機(jī)器人唯一一個(gè)現(xiàn)成的電子元件是通信模塊：Soekris Engineering Net4526雙天線路由器，運(yùn)行著單個(gè)Winstron NeWeb CM9無線模塊，通過以太網(wǎng)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的理想任務(wù)。通常市面上見到的滾珠絲杠都是實(shí)心的，最粗也不過五個(gè)厘米，而Kiva定制的這款外徑達(dá)到了28厘米，而且是空心，內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)。

絲杠的兩個(gè)殼體軸承都是鋁質(zhì)，同底盤一樣都是需要二次加工的鑄件。這兩個(gè)部件都進(jìn)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(nèi)殼是固定的，相當(dāng)于一個(gè)球形螺母，其外側(cè)有注塑成型的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，用來約束滾珠；外殼在旋轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)側(cè)與滾珠接觸，外側(cè)與升降電機(jī)通過齒輪連接。

根據(jù)工藝復(fù)雜度，整個(gè)升降結(jié)構(gòu)的成本估計(jì)在1000美金左右。

結(jié)語

Kiva Systems是少數(shù)幾家能夠?qū)?fù)雜的硬件和軟件巧妙地集成到一個(gè)無縫解決方案中的公司之一，并且已經(jīng)建立了一個(gè)能夠極大地改變我們的購買，銷售和生活方式的系統(tǒng)。

很明顯， Kiva Systems公司里養(yǎng)著一幫非常強(qiáng)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(jià)的一個(gè)重要原因。這篇文章只討論了機(jī)器人本體，但要注意這只是整個(gè)Kiva解決方案中一個(gè)很小的一部分！