移動機器人結構設計及仿真分析

寧波市惠貞書院 張逸博

1.移動機器人概述

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

移動機器人在結構上由車體、蓄電池、車上充電裝置、控制系統(tǒng)、驅動裝置等部分組成。車體由車架和機械電氣結構如減速箱、電機、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構。

2.移動機器人結構設計

對于移動機器人的結構設計，首先需要考慮到機器人的功能和工作狀態(tài)。本文以額定負載為100kg的機器人為例。機器人自身重量預估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)，因此驅動輪及腳輪至少需要提供500N的驅動力，從而選定驅動電機的額定扭矩大小，考慮到不同電機的控制方式及效果，可選用直流電機驅動形式，便于控制和維護。

對移動機器人進行方案原理設計，考慮到方便維護，對機器人內(nèi)部進行模塊化設計。所謂模塊化設計，就是將產(chǎn)品的某些要素組成一個具有特定功能的子系統(tǒng)。對于移動機器人的結構設計，對其進行結構分析，其主要有主車架、驅動系統(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，其他部件模塊化設計后與主車間相連接，同時考慮到各結構件及電氣件的安裝方式，留出足夠余量，防止結構之間的干涉，并減少模塊拆卸的工作量。

在機器人結構設計中考慮材料的選擇及零件的加工方法。在普通工業(yè)領域，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。對于金屬結構件的加工方式，通常對于具有薄壁特征的零件，利用鈑金加工結合焊接的形式，而對于其他結構件，采用cnc數(shù)控加工方法來進行。鈑金加工工藝主要有折彎、打孔、切槽等，其加工工藝相對比較簡單，原材料通常為薄板，因此成本較低。而CNC數(shù)控加工通過是針對具有特定結構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計的零件。就材料而言，鋼鐵比鋁材的強度高，承載能力強，但密度大，質量大，應綜合考慮。對于折彎鈑金件進行固定時，考慮到穩(wěn)定性和抗沖擊性，以及連接時螺紋強度等問題，可適當選用普通鋼材或不銹鋼。通常為了零件能達到較好的表面質量和外觀效果，需要對成型后的零件進行表面處理。對于金屬而言。普通鋼的表面處理工藝主要是表面電鍍，而對于鋁材，可以進行表面氧化從而實現(xiàn)耐磨防銹等功能。對于塑料件，其加工工藝包括3d打印，機加工及注塑成型等方式。其中，注塑需要進行開合模的模具設計，適合零件批量生產(chǎn)的時候采用。3d打印適合快速加工成型，可以對各種復雜結構進行加工，但零件強度及韌性差，不能承受撞擊等。機加工對結構設計有一定要求，但強度較高，承載能力強。

在機器人結構設計時，其主車架子及部分連接件都采用鋁材進行鈑金加工后表面氧化得到，對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，從而滿足運動過程中的抗震效果。對于機器人外殼，分別加工鈑金和塑料件機加的形式，塑料件可以設計溝槽從而進行流水燈的安裝。機器人整體設計需要考慮各模塊及外殼的可拆卸性。

3.移動機器人仿真分析

3.1 仿真分析簡介

有限元仿真分析利用數(shù)學近似的方法對真實物件進行模擬。它將物件劃分為有限的單元，計算一定條件下單元之間的相互作用來模擬物件的實際情況。機械設計仿真主要分為三大類：靜力學仿真、動力學仿真和運動學仿真。這幾種仿真分析的側重點不同。靜力學主要是對靜止狀態(tài)下的物體進行力學仿真分析；動力學主要對運動狀況下的物體進行力學仿真分析，同樣可以計算出應力、形變等；運動學主要對物體的運動狀況、軌跡及空間范圍進行仿真。由于仿真分析的計算量遠超出人腦的計算能力，需要計算機進行。

3.2 三維建模

仿真分析前先要對零件建模。SolidWorks一款優(yōu)秀的三維機械設計軟件，功能強大且簡單易用，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”來實現(xiàn)的。

3.3 靜力學分析

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，分析時容易出現(xiàn)問題。利用專業(yè)有限元分析軟件Ansys進行仿真分析。分析前首先需要建立仿真對象的模型。Ansys自帶建模功能，但其建模功能及操作便利性比專業(yè)的機械建模軟件差，因此對于結構比較復雜的模型，選用專業(yè)建模軟件如Solidworks進行建模后轉換為3d零件的通用格式，然后倒入到Ansys中進行仿真分析。

利用Ansys進行靜力學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小的單元，對每個單元進行分析求解，再結合單元之間相鄰節(jié)點的聯(lián)系以及整體的邊界條件，從而對整個區(qū)域進行分析計算。以對機器人主車架進行受力分析為例，在實際軟件操作的過程中，首先打開Ansys軟件，進入到Static Structure靜力學分析模塊，在模塊中首先導入已經(jīng)建立好的主車架的模型，之后設置材料屬性，在分析模塊中進行網(wǎng)格劃分，設置邊界條件，設置載荷后進行仿真計算，最后對仿真結果進行顯示和分析。在網(wǎng)格劃分階段，需要針對零件的具體形狀進行操作，對于形狀簡單規(guī)則的零件，則采用自動劃分網(wǎng)格即可。邊界條件是零件仿真分析時的外部約束，比如主車架與輪子連接的兩端直接固定在地面處，此處的面應采用固定約束的邊界。施加加載需根據(jù)物理的實際受力狀況，主車架內(nèi)連接的電池以及車身的負載重量都是對其相應表面施加的載荷。對仿真結果進行顯示分析，主要是顯示零件在受力過程中的變形及應力應變。其中，變形為零件相對于初始狀態(tài)下的形變，應力是物體受力后產(chǎn)生的內(nèi)力，應變則是有應力產(chǎn)生的內(nèi)部形變。零件由于其材料選擇，有需用的最大應力值，同時零件作于機器整體的一部分，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仿真需要分析的對象。

3.4 動力學分析

動力學分析主要是針對物體運動后的受力狀態(tài)進行分析，采用Adams分析軟件進行。Adams是由美國MDI公司開發(fā)的機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件，有較高的市場份額。在對于移動機器人進行動力學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分析，可以采用有限元分析的思路。另一種則是彈簧的振動分析。

在對移動機器人進行仿真分析時，考慮到車子的前部有仿真機構，車子驅動單元及部分腳輪間有減震機構，這些機構中彈簧的振動狀況對機器人整體的運動狀況都有一定的影響，利用Adams可以對這種影響進行定量的分析。首先需要建立仿真對象的模型，與有限元仿真類似，在Adams中進行動力學仿真分析也可以導入專業(yè)軟件建立好的模型，在軟件需建立每個零件的約束以及各個零件之間的接觸，之后按照實際狀況建立彈簧模型并對彈簧的彈性系數(shù)及阻尼系數(shù)等進行設置，仿真時可以對彈簧的振幅、頻率等進行仿真，從而確定在結構設計時彈簧的選型及預緊力的大小。

4.結論

本文對移動機器人的結構設計方法及相應的仿真分析思路進行分析，得出以下結論；

（1）對移動機器人進行結構設計時采用模塊化設計的思路，對主車架、驅動單元、防撞結構、腳輪組件等作為獨立的單元進行設計，按照一定的規(guī)則連接，在實際維護時可對出現(xiàn)異常的部分整體更換單元，從而簡便了維護程序，提高效率；

（2）移動機器人外殼設計時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)濟性等因素；

（3）結構設計時對于支撐件及各連接件的強度分析可利用有限元靜力學仿真的思路，仿真結構可為結構設計提供參考和依據(jù)；

（4）對移動機器人中防撞機構及減震機構中彈簧的選型及安裝預壓大小的確定可利用專業(yè)軟件進行仿真分析，從而得出結論；

（5）本文為移動機器人的設計方法提供一種模塊化設計思路，為結構設計中存在的問題提供一種仿真分析方法。對于移動機器人的電氣原理、軟件控制方法等還有待于進一步研究。