庖丁解牛-亚马逊KIVA硬件拆解

你有没有想过，快递公司那些几万平米的物流中转仓库是如何运行的？

长期以来，它们的运转完全依赖于一支支每人每天步行上万米的人力大军。这是一个非常低效、昂贵、容易出错的过程。在机器人AGV系统出现之前，这方面最先进的解决方案是让员工在工厂里骑自行车。

如今，仓储物流已经成为机器人应用最大的市场之一。在诸多物流机器人解决方案中，最成功的莫过于被亚马逊以超过7亿美金收购的Kiva。成千上万的Kiva机器人早已投入使用，以远远高于人工的效率、更低的成本和错误率，昼夜不停地处理客户的海量包裹。

而实现Kiva巨大成功的核心--Kiva机器人，出于商业保密考虑，一直鲜有曝光，支撑其强大性能的软硬件、结构设计细节我们无从知晓。然而，风投公司Bolt的创始人Ben Einstein搞到了一台老版本的Kiva机器人，并且把它拆解了并po在公司的博客上。从其中的细节里，我们能看到Kiva工程师大量工程思维和经验的结晶。

Kiva部署的仓库地面上每隔大约1米就有一个二维码，Kiva就根据这些标记进行定位。它的每一个动作都来自于云端的指令。在它到达目标货架底部后，其使用一个精巧的滚珠丝杠升降梯结构，通过原地旋转来升高自己，将货架顶起约10厘米。

Kiva机器人做的事情听上去很简单。但你要意识到，一个货架往往装着重达半吨的货物，一个仓储中心通常有上万个货架，成千上百台机器人，以及几十个进货出货口。在这么复杂而密集的系统里，需要保证机器人不发生碰撞。任何一台机器人如果发生碰撞，把货架摔倒，造成的损失都将是巨大的。

Kiva机器人如何做到如此可靠？下面就让我们跟着Ben Einstein一边拆，一边看。

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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，以及气动保险杠，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，加上一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升高。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。

图：Kiva的X形托盘

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。

左：打开外壳后看到的Kiva内侧结构。图中可以看到外壳上的红外阵列，无线模块，重结构和起重电机。

右：Kiva俯视图。可以看到起重结构和电池。

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。

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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。

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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：用乙烯/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。

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升降机构

齿轮箱，升降电机和大口径滚珠丝杠

升降机构使用了一个定制的滚珠丝杠，经由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。

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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。

连接悬挂结构的U型夹销，底盘上的散热片。

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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

电池的线束，充电口（顶视图和侧视图）

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。当电量过低时，机器人会自动脱离中央控制器的指令，并自行回到充电站充电。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。

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摄像头和成像模块

朝上和网下看的摄像头。两个都安装于滚珠丝杠内部。

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。 一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-BF548 Blackfin多媒体处理器，通过高速串口获取数据，进行数据矩阵检测。

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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，由一块莱迪思的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）。

安装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/压力传感器、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Freescale MPC5123，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。

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堪称神器的升降模块

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——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，而且是空心，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。

结语

Kiva Systems是少数几家能够将复杂的硬件和软件巧妙地集成到一个无缝解决方案中的公司之一，并且已经建立了一个能够极大地改变我们的购买，销售和生活方式的系统。

很明显， Kiva Systems公司里养着一帮非常强大的硬件工程师，这可能是亚马逊在2012为收购Kiva抛出7.75亿美元天价的一个重要原因。这篇文章只讨论了机器人本体，但要注意这只是整个Kiva解决方案中一个很小的一部分！