□ 湯愛軍 □ 胡艷娥 □ 諸進才 □ 張建剛 □ 王偉晗

1.深圳市裕展精密科技有限公司 廣東深圳 5181102.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院 廣州 510430

1 研究背景

移動機器人是機器人學(xué)的重要分支之一,主要功能是協(xié)助甚至直接取代人工進行較大范圍物流與作業(yè)。自動導(dǎo)引小車是一種輪式移動機器人,是集機械、電子、控制、計算機、人工智能等技術(shù)于一體的自動化智能裝備[1]。相比傳統(tǒng)物流線方式及行走軸+機器人移動上下料方式[2],通過自動導(dǎo)引小車實現(xiàn)物流自動化,不需要在作業(yè)區(qū)固定安裝軌道、支座架等輔助裝置,不存在物流方案變更調(diào)整困難、維護操作空間狹小等問題,具有自動化程度高、柔性好、安全可靠等特點,可以廣泛應(yīng)用于倉儲物流和產(chǎn)線物流[3]。

自動導(dǎo)引小車技術(shù)包括驅(qū)動方式、導(dǎo)引方式、供電方式、系統(tǒng)控制及應(yīng)用等方面,在科研人員的努力下,不斷取得突破和發(fā)展[4-5]。隨著計算機、通信、消費電子產(chǎn)品少量多樣柔性生產(chǎn)制造、智能制造、智慧生產(chǎn)模式的發(fā)展,自動導(dǎo)引小車的負載、行走速度、精度、應(yīng)用面臨了更高的要求。將自動導(dǎo)引小車與機器人相結(jié)合,實現(xiàn)大負載、高速運輸、精確定位,并且與其它智能制造設(shè)備進行物料高效自動交換,直接完成自動化功能操作,這是智能工廠智能制造的發(fā)展需求,可以提升效率,降低生產(chǎn)物流成本。筆者對機器人攜帶自動導(dǎo)引小車進行車體設(shè)計與分析。

2 機器人攜帶自動導(dǎo)引小車概念

計算機、通信、消費電子產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快,零件日益復(fù)雜,精度要求不斷提高,在自動化、精度、彈性、效率等方面對制造企業(yè)的生產(chǎn)提出了比較高的要求[6]。依據(jù)計算機、通信、消費電子行業(yè)制造產(chǎn)線物流連線自動化應(yīng)用需求的特點,提出機器人攜帶自動導(dǎo)引小車概念,對機器人與自動導(dǎo)引小車進行技術(shù)整合,通過車體實現(xiàn)將物料自動運輸至目標(biāo)工站,再通過車載實現(xiàn)物料自動交換。機器人攜帶自動導(dǎo)引小車中的機器人是廣義的,既包括四軸及六軸工業(yè)機器人,又包括倒掛直角坐標(biāo)機器人和各類客制物流線,可以實現(xiàn)生產(chǎn)物料的自動運送交換。

所設(shè)計的機器人攜帶自動導(dǎo)引小車包括車體、車載、控制系統(tǒng)等,如圖1所示。自動導(dǎo)引小車本體采用標(biāo)準化設(shè)計。車載即機器人,安裝在自動導(dǎo)引小車上,采用模組化設(shè)計,可以根據(jù)需求切換不同類型?？刂葡到y(tǒng)包括車體控制系統(tǒng)、車載物料交換功能控制系統(tǒng)、智能移動機器人調(diào)度系統(tǒng)。

設(shè)計機器人攜帶自動導(dǎo)引小車時,需要設(shè)計車體、車載、激光導(dǎo)航、安全防護、控制系統(tǒng)等。其中,車體設(shè)計是基礎(chǔ),也是重點,決定了機器人攜帶自動導(dǎo)引小車的承載、速度、穩(wěn)定性等性能參數(shù),并且與導(dǎo)航控制模式、行走精度、停靠精度等重要性能指標(biāo)相關(guān)聯(lián)。車體設(shè)計具體分為動力單元設(shè)計、驅(qū)動力分析、靜力學(xué)分析、抗傾覆分析、外觀設(shè)計,通過車體設(shè)計使機器人攜帶自動導(dǎo)引小車在滿足負載要求的前提下,結(jié)構(gòu)合理、穩(wěn)固、可靠,滿足人因工程要求,具有科技感外觀。

3 動力單元設(shè)計

自動導(dǎo)引小車按驅(qū)動方式一般分為三類:雙舵輪、單舵輪、差動輪[7-8]。所設(shè)計的機器人攜帶自動導(dǎo)引小車優(yōu)選雙舵輪驅(qū)動方式,如圖2所示。在車體的前后各安裝一臺驅(qū)動舵機,通過調(diào)整前后驅(qū)動舵機的角度和速度,使機器人攜帶自動導(dǎo)引小車在不轉(zhuǎn)動車頭的情況下實現(xiàn)全方位轉(zhuǎn)向、平移、變道等動作,具有很高的靈活性。車體四個邊角安裝無動力萬向從動輪,起平衡和支撐作用,保證機器人攜帶自動導(dǎo)引小車行駛平穩(wěn)。

所設(shè)計開發(fā)的機器人攜帶自動導(dǎo)引小車驅(qū)動舵機如圖3所示。采用集行走和轉(zhuǎn)向于一體的驅(qū)動舵機,分別通過直流伺服電機和直流無刷電機進行驅(qū)動,實現(xiàn)行走和轉(zhuǎn)向。編碼器檢測直流伺服電機的轉(zhuǎn)動量,實時反饋至控制單元?？刂茊卧ㄟ^計算得到車體行走速度和轉(zhuǎn)向角度,由控制器控制機器人攜帶自動導(dǎo)引小車完成下一步動作。驅(qū)動舵機設(shè)計有緩沖機構(gòu),可以有效適應(yīng)地面的不平整性,確保驅(qū)動輪著地,不產(chǎn)生打滑。

4 驅(qū)動力分析

根據(jù)計算機、通信、消費電子產(chǎn)品智能工廠、智慧生產(chǎn)相關(guān)制程應(yīng)用需求特點,各類車載及相應(yīng)載質(zhì)量合計均小于200 kg,于是將機器人攜帶自動導(dǎo)引小車車體有效載質(zhì)量設(shè)計為250 kg,同時要求較高的運載速度,將額定行走速度設(shè)計為0.8 m/s。車體設(shè)計與關(guān)鍵零部件初步選型后,選用400 W直流伺服電機提供驅(qū)動動力。機器人攜帶自動導(dǎo)引小車重要設(shè)計參數(shù)見表1,其中,車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量包括鋰電池質(zhì)量,驅(qū)動輪、萬向輪材料為聚氨酯。

表1 機器人攜帶自動導(dǎo)引小車設(shè)計參數(shù)

機器人攜帶自動導(dǎo)引小車受力分析如圖4所示。機器人攜帶自動導(dǎo)引小車要能正常啟動和運行,必須同時滿足兩個條件。

第一,驅(qū)動輪不打滑,即:

Fqj>Fz=Fqg+Fwg+Fgz

(1)

式中:Fqj為驅(qū)動輪靜摩擦力;Fz為機器人攜帶自動導(dǎo)引小車阻力;Fqg為驅(qū)動輪滾動摩擦力;Fwg為萬向輪滾動摩擦力;Fgz為機器人攜帶自動導(dǎo)引小車慣性阻力。

第二,電機驅(qū)動力足夠,牽引力通過驅(qū)動輪的靜摩擦力實現(xiàn),即:

Fq>Fz=Fqg+Fwg+Fgz

(2)

式中:Fq為額定牽引力。

根據(jù)設(shè)計參數(shù),機器人攜帶自動導(dǎo)引小車車體質(zhì)量Mc為:

Mc=Mq+Mj=320 kg

在額定載質(zhì)量為250 kg的情況下,機器人攜帶自動導(dǎo)引小車整車質(zhì)量M為:

M=Mc+Mz=570 kg

在驅(qū)動單元1 000 N彈簧預(yù)緊力的作用下,驅(qū)動輪緊貼地面,增大驅(qū)動靜摩擦力,防止驅(qū)動輪打滑,此時作用在驅(qū)動輪上的載荷Nqz為:

Nqz= 2Nt+Mqg=2 686 N

式中:g為重力加速度。

萬向輪上承受的載荷Nwz為:

Nwz=Mg-Nqz=2 900 N

驅(qū)動輪產(chǎn)生的滾動摩擦力Fqg為:

Fqg=μ2Nqz=45.6 N

萬向輪產(chǎn)生的最大滾動摩擦力Fwg為:

Fwg=μ3Nwz=493 N

機器人攜帶自動導(dǎo)引小車整車質(zhì)量加減速產(chǎn)生的慣性阻力Fgz為:

Fgz=Ma=205.2 N

機器人攜帶自動導(dǎo)引小車阻力Fz為:

Fz=Fqg+Fwg+Fgz=743.8 N

驅(qū)動輪產(chǎn)生的靜摩擦力Fqj為:

Fqj=μ1Nqz=1 611.6 N>Fz

由此可見,條件一滿足,驅(qū)動輪不會打滑,通過驅(qū)動輪可以傳遞機器人攜帶自動導(dǎo)引小車的牽引力。

機器人攜帶自動導(dǎo)引小車的額定牽引力Fq為:

Fq=2×2Ti/D=948.3 N>Fz

由此可見,所選直流伺服電機驅(qū)動力足夠,條件二滿足,機器人攜帶自動導(dǎo)引小車能夠正常啟動運行。

機器人攜帶自動導(dǎo)引小車額定速度V為:

綜合以上分析,所設(shè)計的機器人攜帶自動導(dǎo)引小車整車質(zhì)量為320 kg,選用400 W直流伺服電機驅(qū)動,減速機減速比為28,額定載質(zhì)量為250 kg,額定行走速度為0.8 m/s。

5 靜力學(xué)分析

要求機器人攜帶自動導(dǎo)引小車車體設(shè)計合理,滿足輕量化要求,同時堅固、可靠。車體的主體結(jié)構(gòu)選用Q235鋼焊接,安裝面板選用45號鋼。采用SolidWorks軟件Simulation模塊,對關(guān)鍵零部件進行靜力學(xué)分析,以確認結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

車載安裝橫梁面板是機器人攜帶自動導(dǎo)引小車關(guān)鍵受力零件之一,進行掏料減質(zhì)量處理,同時增加兩塊筋板在豎直承載方向補強,車載安裝橫梁面板受力分析如圖5所示。SolidWorks軟件Simulation模塊車載安裝橫梁面板仿真分析靜應(yīng)力變形云圖如圖6所示。由圖6可以看出,車載安裝橫梁面板的最大變形量為0.047 mm,相對車體總體尺寸變形量極小,結(jié)構(gòu)滿足剛度要求。

6 抗傾覆分析

機器人攜帶自動導(dǎo)引小車質(zhì)量較大,質(zhì)心較高,運行時必須確保不會前后或側(cè)向傾覆,以保證運載物和周圍工作人員的安全[7]?？箖A覆研究方法有穩(wěn)定因數(shù)法、平臺試驗法、質(zhì)心法[9]。考虎到所設(shè)計的機器人攜帶自動導(dǎo)引小車應(yīng)用于計算機、通信、消費電子產(chǎn)品,車載的負載相對較輕,并且運動范圍較小,質(zhì)心變化不大,因此采用穩(wěn)定因數(shù)法進行抗傾覆分析。

由機器人攜帶自動導(dǎo)引小車運動特性分析可知,機器人攜帶自動導(dǎo)引小車前行、平移啟動或停止時,在整體重力和慣性力的作用下,有前后或橫向傾覆的風(fēng)險。以最極端的使用條件,即質(zhì)心最高,最偏離車體中心來進行抗傾覆分析。

以倒掛直角坐標(biāo)機器人車載為例,滿負載物料交換過程中質(zhì)心偏離車體中心最大時的抗傾覆分析如圖7所示。

機器人攜帶自動導(dǎo)引小車質(zhì)心坐標(biāo)為(4.6 mm,35.4 mm,624.7 mm)。前后運行加減速時,機器人攜帶自動導(dǎo)引小車有前后傾覆風(fēng)險,BC為傾覆軸線,以慣性矩產(chǎn)生傾覆力矩Mqh,以重力力矩作為穩(wěn)定力矩Mwd,此時前后穩(wěn)定因數(shù)Kqh為:

側(cè)向平移加減速時,機器人攜帶自動導(dǎo)引小車有側(cè)向傾覆風(fēng)險,AB為傾覆軸線,以慣性矩產(chǎn)生傾覆力矩Mcx,以重力力矩作為穩(wěn)定力矩Mwd,此時側(cè)向穩(wěn)定因數(shù)Kcx為:

綜合以上分析結(jié)果,機器人攜帶自動導(dǎo)引小車前后和側(cè)向運動均有較大的穩(wěn)定因數(shù),由此確認所設(shè)計的機器人攜帶自動導(dǎo)引小車具有較好的抗傾覆性能。

7 外觀設(shè)計

機器人攜帶自動導(dǎo)引小車一般采用薄鈑金制作,除滿足功能性要求外,還要符合人因工程,有效減振和防碰撞。機器人攜帶自動導(dǎo)引小車外觀盡量圓滑過渡,不出現(xiàn)明顯棱角及可使人受傷的結(jié)構(gòu),同時做好充分的絕緣和防腐蝕處理。

8 應(yīng)用

在機器人攜帶自動導(dǎo)引小車車體設(shè)計的基礎(chǔ)上,進行了激光導(dǎo)航設(shè)計、安全防護設(shè)計,并根據(jù)各類實際應(yīng)用需要進行了各類車載標(biāo)準化模組化設(shè)計和相應(yīng)的控制系統(tǒng)設(shè)計。圖1所示為以倒掛直角坐標(biāo)機器人為車載的機器人攜帶自動導(dǎo)引小車,以四軸機器人和皮帶線為車載的機器人攜帶自動導(dǎo)引小車分別如圖8、圖9所示。多款機器人攜帶自動導(dǎo)引小車已實現(xiàn)標(biāo)準化、模組化、產(chǎn)品化,應(yīng)用于數(shù)控加工中心上下料、派刀、料盤堆疊等場景。2019年1月10日入選世界經(jīng)濟論壇“制造業(yè)燈塔工廠”項目的智能工廠機器人攜帶自動導(dǎo)引小車如圖10所示。

9 結(jié)束語

根據(jù)計算機、通信、消費電子產(chǎn)品少量多樣、彈性生產(chǎn)制造需求特點,提出了機器人攜帶自動導(dǎo)引小車概念,并進行了車體設(shè)計,包括動力單元設(shè)計、驅(qū)動力分析、靜應(yīng)力分析、抗傾覆分析和外觀設(shè)計。所設(shè)計的機器人攜帶自動導(dǎo)引小車整車質(zhì)量為320 kg,額定載質(zhì)量為250 kg,額定行走速度為0.8 m/s,滿足性能要求。在車體設(shè)計的基礎(chǔ)上,進一步完成導(dǎo)航設(shè)計、車載標(biāo)準化模組化設(shè)計等,使機器人攜帶自動導(dǎo)引小車成功應(yīng)用于多個智能工廠。機器人攜帶自動導(dǎo)引小車的設(shè)計和應(yīng)用對發(fā)展、拓寬自動導(dǎo)引小車在智能工廠和智能制造中的應(yīng)用推廣具有推動作用,可以提升企業(yè)生產(chǎn)制造自動化水平,提高生產(chǎn)效率和競爭力。