一種多級(jí)運(yùn)輸?shù)妆P(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

羅晨琿

摘要：針對(duì)狹長(zhǎng)通道不方便運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可以通過(guò)狹長(zhǎng)通道的多級(jí)運(yùn)輸?shù)妆P(pán)結(jié)構(gòu)，該底盤(pán)采用了多級(jí)運(yùn)輸設(shè)計(jì)，可以通過(guò)不同狹窄的運(yùn)輸通道，同時(shí)在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，可以進(jìn)行固定約束，為運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械手運(yùn)動(dòng)體提供更穩(wěn)定可靠的約束。設(shè)計(jì)的底盤(pán)具有多級(jí)運(yùn)輸功能，以便于能穿過(guò)狹窄的頸管空間室，同時(shí)通過(guò)有限元分析，驗(yàn)證了底盤(pán)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為底盤(pán)的初步設(shè)計(jì)和未來(lái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供必要的設(shè)計(jì)及分析依據(jù)。

關(guān)鍵詞：多級(jí)運(yùn)輸;固定約束;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 ?引言

一個(gè)底盤(pán)往往包括制動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)等。影響底盤(pán)性能有許多因素。質(zhì)心的高度和底盤(pán)的質(zhì)量分布可以決定底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)性能，并影響其運(yùn)動(dòng)時(shí)候的慣性大小，底盤(pán)質(zhì)心高度較高的底盤(pán)，在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，容易發(fā)生失速。在進(jìn)行拐彎的時(shí)候，會(huì)有較大的離心力。因此，在一些要求較高的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，往往會(huì)采用降低底盤(pán)重心來(lái)提高精度。

一個(gè)良好的底盤(pán)，可以決定載重或活動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。在許多時(shí)候，底盤(pán)不單要運(yùn)輸機(jī)械手，還要在機(jī)械手活動(dòng)的時(shí)候保證其工作穩(wěn)定性。對(duì)于運(yùn)輸機(jī)械手的運(yùn)輸?shù)妆P(pán)，除了保證運(yùn)輸過(guò)程穩(wěn)定性，不出意外，還需要在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)候，給予足夠穩(wěn)固的固定約束。

只有在足夠固定約束的情況下，機(jī)械手在執(zhí)行各種任務(wù)的時(shí)候，才能夠平穩(wěn)不發(fā)生振動(dòng)。

本設(shè)計(jì)致力于利用多級(jí)運(yùn)輸?shù)妆P(pán)，解決運(yùn)輸過(guò)程中長(zhǎng)廊狹窄特點(diǎn)的難題。運(yùn)輸?shù)妆P(pán)的設(shè)計(jì)也是重要環(huán)節(jié)，運(yùn)輸體需要借助底盤(pán)穩(wěn)定地運(yùn)輸至特定狹窄通道。

1 ?國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

從目前發(fā)展來(lái)看，全球機(jī)器人規(guī)模增長(zhǎng)迅速，在2014年到2019年兩年間，機(jī)器人市場(chǎng)增長(zhǎng)了17%，與之同時(shí)，伴隨而來(lái)的是底盤(pán)技術(shù)的發(fā)展。機(jī)器人、機(jī)械手的發(fā)展，離不開(kāi)底盤(pán)，機(jī)器越精細(xì)，需要的底盤(pán)技術(shù)越高。目前在各廣大服務(wù)領(lǐng)域，如快遞、餐飲、清潔領(lǐng)域、機(jī)器人都采用通用底盤(pán)，然而，在一些復(fù)雜情況，底盤(pán)的使用需要根據(jù)不同場(chǎng)景，進(jìn)行不同的具體化定制。越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始大量投入底盤(pán)的研發(fā)之中，如科技巨頭百度、騰訊也加大對(duì)底盤(pán)的投資。近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展迅猛，目前，隨著我國(guó)科技經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)的汽車(chē)生產(chǎn)數(shù)量已居于全世界第一水平，底盤(pán)數(shù)量隨著增加，要求也越來(lái)越高。同時(shí)隨著我國(guó)工業(yè)化水平的發(fā)展，在中國(guó)制造2025等政策下，我國(guó)機(jī)器人和運(yùn)載底盤(pán)的各類(lèi)開(kāi)發(fā)速度日新月異，一大批與底盤(pán)、機(jī)械手相關(guān)的產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。通訊電子信息也越來(lái)越發(fā)達(dá)，借助網(wǎng)絡(luò)信息，可以做到更深入的機(jī)械智能協(xié)同技術(shù)。高效率的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，可以提高與底盤(pán)密切相關(guān)的智能配件。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可以遠(yuǎn)程控制機(jī)械手與運(yùn)輸?shù)妆P(pán)，機(jī)械智能協(xié)同技術(shù)也正在加快。在一些工廠地區(qū)，底盤(pán)運(yùn)用于運(yùn)輸貨物、重型機(jī)械。在一些快遞行業(yè)，某些特殊的運(yùn)輸?shù)妆P(pán)也用來(lái)運(yùn)用于運(yùn)輸快遞。在煤礦行業(yè)，有部分煤礦掘進(jìn)設(shè)備采用特定的運(yùn)輸?shù)妆P(pán)。由此可見(jiàn)，運(yùn)輸?shù)妆P(pán)與國(guó)家工業(yè)發(fā)展進(jìn)步密切相關(guān)，目前我國(guó)的重載底盤(pán)自主創(chuàng)新力度依舊不夠，許多運(yùn)輸?shù)妆P(pán)的核心部件依賴進(jìn)口。高端液壓元器件、關(guān)鍵的部件，很大程度依靠國(guó)外產(chǎn)品。

目前我國(guó)對(duì)于底盤(pán)各規(guī)格，依舊缺乏統(tǒng)一的校核標(biāo)準(zhǔn)，隨著改革開(kāi)放，我國(guó)進(jìn)入機(jī)械制造時(shí)代，運(yùn)輸?shù)妆P(pán)越來(lái)越多地與智能控制相結(jié)合。底盤(pán)的運(yùn)輸，廣泛運(yùn)用于工業(yè)、服務(wù)業(yè)、制造業(yè)等。一些自主移動(dòng)的機(jī)器人，大多都用自己獨(dú)特的運(yùn)輸行走系統(tǒng)。底盤(pán)可以運(yùn)輸執(zhí)行維護(hù)任務(wù)的機(jī)械手，一個(gè)良好質(zhì)量的底盤(pán)，可以提高機(jī)械手的維護(hù)效率，降低維護(hù)成本，提高運(yùn)動(dòng)體和運(yùn)輸?shù)妆P(pán)的使用壽命。

在不同的環(huán)境中，有不同適用的底盤(pán)類(lèi)型。底盤(pán)的分類(lèi)有多種，底盤(pán)是一個(gè)自主移動(dòng)機(jī)器必不可少的，其廣泛運(yùn)用于汽車(chē)、服務(wù)、運(yùn)輸類(lèi)行業(yè)。主要分輪式底盤(pán)、履帶式底盤(pán)。按懸掛系統(tǒng)分類(lèi)，也分成多類(lèi)。底盤(pán)的驅(qū)動(dòng)形式也分多種，主要有后輪驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，兩輪驅(qū)動(dòng)加萬(wàn)向輪，而比較流行的是多輪驅(qū)動(dòng)的形式。按驅(qū)動(dòng)的方式不同，其特點(diǎn)也不同。第一種后輪驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方式具有價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但由于靠前輪來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎的半徑會(huì)受到限制。第二種具有成本低、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，兩輪驅(qū)動(dòng)加萬(wàn)向輪相對(duì)來(lái)說(shuō)控制較為靈活。比較常見(jiàn)的多輪驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)成本較高，電控較為復(fù)雜，優(yōu)點(diǎn)也較明顯，具有更大的驅(qū)動(dòng)力。目前的驅(qū)動(dòng)底盤(pán)中，一般還設(shè)有避震機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，許多底盤(pán)具有獨(dú)立懸掛系統(tǒng)，運(yùn)載體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，即使在路面凹凸不平，或者收到其他外力作用下，依舊能保持相對(duì)的穩(wěn)定。

在設(shè)計(jì)底盤(pán)時(shí)候，分析校核其性能是必不可少的，隨著運(yùn)載體的多次長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，底盤(pán)多次使用，底盤(pán)亦會(huì)隨之性能降低，伴隨而來(lái)的是底盤(pán)穩(wěn)定性下降，磨損加大，動(dòng)力性能降低。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)底盤(pán)的時(shí)候需要對(duì)底盤(pán)進(jìn)行認(rèn)真的分析。尤其是底盤(pán)的強(qiáng)度指標(biāo)。在眾多企業(yè)生產(chǎn)一個(gè)合格的底盤(pán)的時(shí)候，往往需要增設(shè)場(chǎng)地，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行多次往復(fù)測(cè)試，需要消耗大量的人力、資源、場(chǎng)地、時(shí)間等，增大的生產(chǎn)成本。本研究利用有限元軟件，進(jìn)行模擬分析，最大限度節(jié)省時(shí)間。根據(jù)分析的運(yùn)載機(jī)械手的工況，定義其材料強(qiáng)度，計(jì)算出運(yùn)載體的質(zhì)量，計(jì)算出對(duì)底盤(pán)施加的作用力，并對(duì)底盤(pán)進(jìn)行校核強(qiáng)度。

2 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)輸?shù)妆P(pán)其主要作用是支撐運(yùn)載活動(dòng)體的整體重量，提供動(dòng)力使得其產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)并保持穩(wěn)定，保證運(yùn)輸體能到達(dá)預(yù)定位置執(zhí)行任務(wù)。（見(jiàn)圖1）

針對(duì)狹窄且長(zhǎng)度較長(zhǎng)的運(yùn)輸通道，采用多級(jí)運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行運(yùn)輸，如圖1所示，機(jī)械手需要穿過(guò)的空間比較狹小，同時(shí)較長(zhǎng)，這里設(shè)計(jì)了兩層運(yùn)輸?shù)妆P(pán)，第一級(jí)運(yùn)輸至軌道盡頭時(shí)候，第二級(jí)運(yùn)輸?shù)妆P(pán)繼續(xù)前進(jìn)。（圖2）

機(jī)械手在維護(hù)過(guò)程中涉及許多高精度操作，這就要求底盤(pán)在滿足受力強(qiáng)度要求同時(shí)，還應(yīng)需要嚴(yán)格及高穩(wěn)定性的約束，尤其在機(jī)械手極限位置運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，底盤(pán)不能有任何不穩(wěn)定因素存在。如圖2，這里設(shè)計(jì)鎖扣裝置，在底盤(pán)和機(jī)械手到達(dá)某預(yù)定位置的時(shí)候進(jìn)行緊鎖固定。

機(jī)械手執(zhí)行任務(wù)需要依靠多個(gè)部件：軌道部件，移動(dòng)底盤(pán)，機(jī)械手，末端執(zhí)行器，其中運(yùn)輸系統(tǒng)主要為存儲(chǔ)軌道部件和移動(dòng)底盤(pán)兩個(gè)模塊。機(jī)械手通過(guò)底盤(pán)可以負(fù)責(zé)執(zhí)行作用。底盤(pán)系統(tǒng)除了運(yùn)輸，還包括日常存放功能，單一底盤(pán)系統(tǒng)包含一級(jí)底盤(pán)、二級(jí)底盤(pán)、基座、底梁框架四個(gè)部分。

機(jī)械手在維護(hù)過(guò)程中涉及許多高精度操作，這就要求底盤(pán)在滿足受力強(qiáng)度要求同時(shí)，還應(yīng)需要嚴(yán)格及高穩(wěn)定性的約束，尤其在機(jī)械手極限位置運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，底盤(pán)不能有任何不穩(wěn)定因素存在?；顒?dòng)機(jī)械手執(zhí)行一次維護(hù)任務(wù)需要依靠多個(gè)服務(wù)系統(tǒng)，機(jī)械手在存儲(chǔ)在二級(jí)底盤(pán)上面，通過(guò)底盤(pán)中軌道引導(dǎo)，從狹窄室外圍運(yùn)輸至預(yù)定窗口內(nèi)部。

3 ?強(qiáng)度校核

使用ANSYS分析軟件進(jìn)行整體校核，添加重力加速度，在底盤(pán)機(jī)械手到達(dá)最前端的時(shí)候，取底盤(pán)的極限情況，進(jìn)行分析。底盤(pán)材料采用馬氏體C250，這里按照材料性能進(jìn)行校核，其材料性能如表1所示。

載重體活動(dòng)物重量設(shè)置大約為20T，根據(jù)實(shí)際機(jī)械手運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果，在底盤(pán)前端設(shè)置載荷負(fù)重點(diǎn)，在兩側(cè)設(shè)置固定約束點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行約束固定。

分析結(jié)果如圖3所示，得出底盤(pán)最大的應(yīng)力為201.95MPa。取C250屈服應(yīng)力2/3作為許用應(yīng)力，即1100MPA，分析所得結(jié)果的最大應(yīng)力569.3MPA遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于C250鋼許用應(yīng)力，符合強(qiáng)度要求。

4 ?結(jié)論

基于一種復(fù)雜狹長(zhǎng)運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境和機(jī)械手高穩(wěn)定性要求，設(shè)計(jì)了一種多級(jí)運(yùn)輸，并可實(shí)施抬舉鎖緊固定的底盤(pán)。該多級(jí)運(yùn)輸設(shè)計(jì)有利于底盤(pán)穿過(guò)狹窄的空間，并在機(jī)械手執(zhí)行維護(hù)任務(wù)時(shí)提供可靠的約束。底盤(pán)的初步設(shè)計(jì)概念模型將用于后續(xù)更精細(xì)的設(shè)計(jì)參考。

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