寧波市惠貞書院 張逸博

1.移動(dòng)機(jī)器人概述

自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸車也被稱為移動(dòng)機(jī)器人，是一種以電池為動(dòng)力，裝有非接觸式導(dǎo)向裝置的無人駕駛自動(dòng)運(yùn)輸車。移動(dòng)機(jī)器人代表了機(jī)電一體化的最高成就，不光具有移動(dòng)的功能，還具備環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制等功能，集中了電子信息工程、自動(dòng)化控制等學(xué)科的研究成果。隨著智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的不斷成熟，移動(dòng)機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，移動(dòng)機(jī)器人主要應(yīng)用于制造、物流、服務(wù)等領(lǐng)域。在制造領(lǐng)域，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用較為普遍，移動(dòng)機(jī)器人常用于在生產(chǎn)線與倉(cāng)庫(kù)之間搬運(yùn)物料以及生產(chǎn)線上下料的搬運(yùn)。它能比人工更準(zhǔn)確、高效地完成搬運(yùn)任務(wù)且正常情況下不需要人工干預(yù)。其次，在物流領(lǐng)域，移動(dòng)機(jī)器人主要用于大型倉(cāng)庫(kù)的貨物挑選與搬運(yùn)，以及機(jī)場(chǎng)碼頭的貨柜搬運(yùn)，大大提高了工作效率，節(jié)省了人工成本。近年來服務(wù)機(jī)器人逐漸增多，其主要包括餐飲機(jī)器人、家用智能機(jī)器人、導(dǎo)購(gòu)機(jī)器人等。它們?nèi)〈瞬糠謫T工，也成為了一些店鋪的亮點(diǎn)。另外，移動(dòng)機(jī)器人在巡檢和救災(zāi)方面也有廣泛應(yīng)用。移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用提高了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，減少了人力成本，提高了工作效率。憑借這些優(yōu)點(diǎn)，移動(dòng)機(jī)器人將在未來的生產(chǎn)生活中有更廣泛的應(yīng)用。

移動(dòng)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上由車體、蓄電池、車上充電裝置、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成。車體由車架和機(jī)械電氣結(jié)構(gòu)如減速箱、電機(jī)、車輪等組成。為了使車架有足夠的剛性以減小形變，車架常采用焊接鋼結(jié)構(gòu)。

2.移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先需要考慮到機(jī)器人的功能和工作狀態(tài)。本文以額定負(fù)載為100kg的機(jī)器人為例。機(jī)器人自身重量預(yù)估60kg，考慮到普通地面上，輪子與地面間的摩擦系數(shù)0.3，給定一定的安全系數(shù)，因此驅(qū)動(dòng)輪及腳輪至少需要提供500N的驅(qū)動(dòng)力，從而選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定扭矩大小，考慮到不同電機(jī)的控制方式及效果，可選用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，便于控制和維護(hù)。

對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行方案原理設(shè)計(jì)，考慮到方便維護(hù)，對(duì)機(jī)器人內(nèi)部進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。所謂模塊化設(shè)計(jì)，就是將產(chǎn)品的某些要素組成一個(gè)具有特定功能的子系統(tǒng)。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其主要有主車架、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、腳輪系統(tǒng)、防撞系統(tǒng)、激光系統(tǒng)等組成。主車架作為承載件，其他部件模塊化設(shè)計(jì)后與主車間相連接，同時(shí)考慮到各結(jié)構(gòu)件及電氣件的安裝方式，留出足夠余量，防止結(jié)構(gòu)之間的干涉，并減少模塊拆卸的工作量。

在機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮材料的選擇及零件的加工方法。在普通工業(yè)領(lǐng)域，供選擇的材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬主要包括鐵材和鋁材，非金屬主要包括塑料和橡膠等。對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)件的加工方式，通常對(duì)于具有薄壁特征的零件，利用鈑金加工結(jié)合焊接的形式，而對(duì)于其他結(jié)構(gòu)件，采用cnc數(shù)控加工方法來進(jìn)行。鈑金加工工藝主要有折彎、打孔、切槽等，其加工工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，原材料通常為薄板，因此成本較低。而CNC數(shù)控加工通過是針對(duì)具有特定結(jié)構(gòu)而不能用均一薄板加工得到的零件，在數(shù)控加工中心通常銑削加工及鉆孔等加工得到設(shè)計(jì)的零件。就材料而言，鋼鐵比鋁材的強(qiáng)度高，承載能力強(qiáng)，但密度大，質(zhì)量大，應(yīng)綜合考慮。對(duì)于折彎鈑金件進(jìn)行固定時(shí)，考慮到穩(wěn)定性和抗沖擊性，以及連接時(shí)螺紋強(qiáng)度等問題，可適當(dāng)選用普通鋼材或不銹鋼。通常為了零件能達(dá)到較好的表面質(zhì)量和外觀效果，需要對(duì)成型后的零件進(jìn)行表面處理。對(duì)于金屬而言。普通鋼的表面處理工藝主要是表面電鍍，而對(duì)于鋁材，可以進(jìn)行表面氧化從而實(shí)現(xiàn)耐磨防銹等功能。對(duì)于塑料件，其加工工藝包括3d打印，機(jī)加工及注塑成型等方式。其中，注塑需要進(jìn)行開合模的模具設(shè)計(jì)，適合零件批量生產(chǎn)的時(shí)候采用。3d打印適合快速加工成型，可以對(duì)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，但零件強(qiáng)度及韌性差，不能承受撞擊等。機(jī)加工對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定要求，但強(qiáng)度較高，承載能力強(qiáng)。

在機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其主車架子及部分連接件都采用鋁材進(jìn)行鈑金加工后表面氧化得到，對(duì)于位置精度要求較高的電氣支撐件如激光固定板則利用不銹鋼板或普通碳鋼表面電鍍得到，從而滿足運(yùn)動(dòng)過程中的抗震效果。對(duì)于機(jī)器人外殼，分別加工鈑金和塑料件機(jī)加的形式，塑料件可以設(shè)計(jì)溝槽從而進(jìn)行流水燈的安裝。機(jī)器人整體設(shè)計(jì)需要考慮各模塊及外殼的可拆卸性。

3.移動(dòng)機(jī)器人仿真分析

3.1 仿真分析簡(jiǎn)介

有限元仿真分析利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物件進(jìn)行模擬。它將物件劃分為有限的單元，計(jì)算一定條件下單元之間的相互作用來模擬物件的實(shí)際情況。機(jī)械設(shè)計(jì)仿真主要分為三大類：靜力學(xué)仿真、動(dòng)力學(xué)仿真和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。這幾種仿真分析的側(cè)重點(diǎn)不同。靜力學(xué)主要是對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的物體進(jìn)行力學(xué)仿真分析；動(dòng)力學(xué)主要對(duì)運(yùn)動(dòng)狀況下的物體進(jìn)行力學(xué)仿真分析，同樣可以計(jì)算出應(yīng)力、形變等；運(yùn)動(dòng)學(xué)主要對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)狀況、軌跡及空間范圍進(jìn)行仿真。由于仿真分析的計(jì)算量遠(yuǎn)超出人腦的計(jì)算能力，需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行。

3.2 三維建模

仿真分析前先要對(duì)零件建模。SolidWorks一款優(yōu)秀的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)單易用，幫助工程師快速建模。用Solid-Works建立三維模型主要是通過“特征”來實(shí)現(xiàn)的。

3.3 靜力學(xué)分析

雖然SolidWorks中也有仿真分析插件，但由于不是專業(yè)的仿真分析軟件，分析時(shí)容易出現(xiàn)問題。利用專業(yè)有限元分析軟件Ansys進(jìn)行仿真分析。分析前首先需要建立仿真對(duì)象的模型。Ansys自帶建模功能，但其建模功能及操作便利性比專業(yè)的機(jī)械建模軟件差，因此對(duì)于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的模型，選用專業(yè)建模軟件如Solidworks進(jìn)行建模后轉(zhuǎn)換為3d零件的通用格式，然后倒入到Ansys中進(jìn)行仿真分析。

利用Ansys進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析是基于有限元的分析思路，即將完成的物體劃分為有限個(gè)小的單元，對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行分析求解，再結(jié)合單元之間相鄰節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系以及整體的邊界條件，從而對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析計(jì)算。以對(duì)機(jī)器人主車架進(jìn)行受力分析為例，在實(shí)際軟件操作的過程中，首先打開Ansys軟件，進(jìn)入到Static Structure靜力學(xué)分析模塊，在模塊中首先導(dǎo)入已經(jīng)建立好的主車架的模型，之后設(shè)置材料屬性，在分析模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件，設(shè)置載荷后進(jìn)行仿真計(jì)算，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行顯示和分析。在網(wǎng)格劃分階段，需要針對(duì)零件的具體形狀進(jìn)行操作，對(duì)于形狀簡(jiǎn)單規(guī)則的零件，則采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格即可。邊界條件是零件仿真分析時(shí)的外部約束，比如主車架與輪子連接的兩端直接固定在地面處，此處的面應(yīng)采用固定約束的邊界。施加加載需根據(jù)物理的實(shí)際受力狀況，主車架內(nèi)連接的電池以及車身的負(fù)載重量都是對(duì)其相應(yīng)表面施加的載荷。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行顯示分析，主要是顯示零件在受力過程中的變形及應(yīng)力應(yīng)變。其中，變形為零件相對(duì)于初始狀態(tài)下的形變，應(yīng)力是物體受力后產(chǎn)生的內(nèi)力，應(yīng)變則是有應(yīng)力產(chǎn)生的內(nèi)部形變。零件由于其材料選擇，有需用的最大應(yīng)力值，同時(shí)零件作于機(jī)器整體的一部分，其形變也許控制在一定的范圍之內(nèi)，這些都是有限元靜力學(xué)仿真需要分析的對(duì)象。

3.4 動(dòng)力學(xué)分析

動(dòng)力學(xué)分析主要是針對(duì)物體運(yùn)動(dòng)后的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，采用Adams分析軟件進(jìn)行。Adams是由美國(guó)MDI公司開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件，有較高的市場(chǎng)份額。在對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析中主要包括兩大類。第一類是車身本體受沖擊力后的變形，這種分析類似于上述的靜力學(xué)分析，可以采用有限元分析的思路。另一種則是彈簧的振動(dòng)分析。

在對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行仿真分析時(shí)，考慮到車子的前部有仿真機(jī)構(gòu)，車子驅(qū)動(dòng)單元及部分腳輪間有減震機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)中彈簧的振動(dòng)狀況對(duì)機(jī)器人整體的運(yùn)動(dòng)狀況都有一定的影響，利用Adams可以對(duì)這種影響進(jìn)行定量的分析。首先需要建立仿真對(duì)象的模型，與有限元仿真類似，在Adams中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析也可以導(dǎo)入專業(yè)軟件建立好的模型，在軟件需建立每個(gè)零件的約束以及各個(gè)零件之間的接觸，之后按照實(shí)際狀況建立彈簧模型并對(duì)彈簧的彈性系數(shù)及阻尼系數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，仿真時(shí)可以對(duì)彈簧的振幅、頻率等進(jìn)行仿真，從而確定在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)彈簧的選型及預(yù)緊力的大小。

4.結(jié)論

本文對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及相應(yīng)的仿真分析思路進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論；

（1）對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)的思路，對(duì)主車架、驅(qū)動(dòng)單元、防撞結(jié)構(gòu)、腳輪組件等作為獨(dú)立的單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照一定的規(guī)則連接，在實(shí)際維護(hù)時(shí)可對(duì)出現(xiàn)異常的部分整體更換單元，從而簡(jiǎn)便了維護(hù)程序，提高效率；

（2）移動(dòng)機(jī)器人外殼設(shè)計(jì)時(shí)需考慮金屬和非金屬材料的選用以及加工工藝的選擇，綜合考慮功能安全、外觀效果、經(jīng)濟(jì)性等因素；

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于支撐件及各連接件的強(qiáng)度分析可利用有限元靜力學(xué)仿真的思路，仿真結(jié)構(gòu)可為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)；

（4）對(duì)移動(dòng)機(jī)器人中防撞機(jī)構(gòu)及減震機(jī)構(gòu)中彈簧的選型及安裝預(yù)壓大小的確定可利用專業(yè)軟件進(jìn)行仿真分析，從而得出結(jié)論；

（5）本文為移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法提供一種模塊化設(shè)計(jì)思路，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題提供一種仿真分析方法。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的電氣原理、軟件控制方法等還有待于進(jìn)一步研究。