一种多级运输底盘结构设计

罗晨珲

摘要：针对狭长通道不方便运输的特点，设计了一种可以通过狭长通道的多级运输底盘结构，该底盘采用了多级运输设计，可以通过不同狭窄的运输通道，同时在运输的过程中，可以进行固定约束，为运输的机械手运动体提供更稳定可靠的约束。设计的底盘具有多级运输功能，以便于能穿过狭窄的颈管空间室，同时通过有限元分析，验证了底盘机构设计的合理性，为底盘的初步设计和未来结构优化提供必要的设计及分析依据。

关键词：多级运输;固定约束;结构优化

0  引言

一个底盘往往包括制动系统、传动系统、驱动系统、悬挂系统等。影响底盘性能有许多因素。质心的高度和底盘的质量分布可以决定底盘的运动性能，并影响其运动时候的惯性大小，底盘质心高度较高的底盘，在运动的时候，容易发生失速。在进行拐弯的时候，会有较大的离心力。因此，在一些要求较高的运动场合，往往会采用降低底盘重心来提高精度。

一个良好的底盘，可以决定载重或活动体的运动稳定性。在许多时候，底盘不单要运输机械手，还要在机械手活动的时候保证其工作稳定性。对于运输机械手的运输底盘，除了保证运输过程稳定性，不出意外，还需要在机械手运动时候，给予足够稳固的固定约束。

只有在足够固定约束的情况下，机械手在执行各种任务的时候，才能够平稳不发生振动。

本设计致力于利用多级运输底盘，解决运输过程中长廊狭窄特点的难题。运输底盘的设计也是重要环节，运输体需要借助底盘稳定地运输至特定狭窄通道。

1  国内外现状

从目前发展来看，全球机器人规模增长迅速，在2014年到2019年两年间，机器人市场增长了17%，与之同时，伴随而来的是底盘技术的发展。机器人、机械手的发展，离不开底盘，机器越精细，需要的底盘技术越高。目前在各广大服务领域，如快递、餐饮、清洁领域、机器人都采用通用底盘，然而，在一些复杂情况，底盘的使用需要根据不同场景，进行不同的具体化定制。越来越多的企业开始大量投入底盘的研发之中，如科技巨头百度、腾讯也加大对底盘的投资。近年来，我国汽车行业发展迅猛，目前，随着我国科技经济发展，我国的汽车生产数量已居于全世界第一水平，底盘数量随着增加，要求也越来越高。同时随着我国工业化水平的发展，在中国制造2025等政策下，我国机器人和运载底盘的各类开发速度日新月异，一大批与底盘、机械手相关的产业蓬勃发展。通讯电子信息也越来越发达，借助网络信息，可以做到更深入的机械智能协同技术。高效率的网络通讯系统，可以提高与底盘密切相关的智能配件。通过网络，可以远程控制机械手与运输底盘，机械智能协同技术也正在加快。在一些工厂地区，底盘运用于运输货物、重型机械。在一些快递行业，某些特殊的运输底盘也用来运用于运输快递。在煤矿行业，有部分煤礦掘进设备采用特定的运输底盘。由此可见，运输底盘与国家工业发展进步密切相关，目前我国的重载底盘自主创新力度依旧不够，许多运输底盘的核心部件依赖进口。高端液压元器件、关键的部件，很大程度依靠国外产品。

目前我国对于底盘各规格，依旧缺乏统一的校核标准，随着改革开放，我国进入机械制造时代，运输底盘越来越多地与智能控制相结合。底盘的运输，广泛运用于工业、服务业、制造业等。一些自主移动的机器人，大多都用自己独特的运输行走系统。底盘可以运输执行维护任务的机械手，一个良好质量的底盘，可以提高机械手的维护效率，降低维护成本，提高运动体和运输底盘的使用寿命。

在不同的环境中，有不同适用的底盘类型。底盘的分类有多种，底盘是一个自主移动机器必不可少的，其广泛运用于汽车、服务、运输类行业。主要分轮式底盘、履带式底盘。按悬挂系统分类，也分成多类。底盘的驱动形式也分多种，主要有后轮驱动前轮转动，两轮驱动加万向轮，而比较流行的是多轮驱动的形式。按驱动的方式不同，其特点也不同。第一种后轮驱动前轮转动的方式具有价格低廉，结构简单相对简单的特点，但由于靠前轮来进行转动，转弯的半径会受到限制。第二种具有成本低、控制简单等优点，两轮驱动加万向轮相对来说控制较为灵活。比较常见的多轮驱动设计成本较高，电控较为复杂，优点也较明显，具有更大的驱动力。目前的驱动底盘中，一般还设有避震机构设计，许多底盘具有独立悬挂系统，运载体在运动过程中，即使在路面凹凸不平，或者收到其他外力作用下，依旧能保持相对的稳定。

在设计底盘时候，分析校核其性能是必不可少的，随着运载体的多次长时间运转，底盘多次使用，底盘亦会随之性能降低，伴随而来的是底盘稳定性下降，磨损加大，动力性能降低。因此我们在设计底盘的时候需要对底盘进行认真的分析。尤其是底盘的强度指标。在众多企业生产一个合格的底盘的时候，往往需要增设场地，进行模拟实验，进行多次往复测试，需要消耗大量的人力、资源、场地、时间等，增大的生产成本。本研究利用有限元软件，进行模拟分析，最大限度节省时间。根据分析的运载机械手的工况，定义其材料强度，计算出运载体的质量，计算出对底盘施加的作用力，并对底盘进行校核强度。

2  结构设计

运输底盘其主要作用是支撑运载活动体的整体重量，提供动力使得其产生直线运动并保持稳定，保证运输体能到达预定位置执行任务。（见图1）

针对狭窄且长度较长的运输通道，采用多级运输的方式进行运输，如图1所示，机械手需要穿过的空间比较狭小，同时较长，这里设计了两层运输底盘，第一级运输至轨道尽头时候，第二级运输底盘继续前进。（图2）

机械手在维护过程中涉及许多高精度操作，这就要求底盘在满足受力强度要求同时，还应需要严格及高稳定性的约束，尤其在机械手极限位置运动的时候，底盘不能有任何不稳定因素存在。如图2，这里设计锁扣装置，在底盘和机械手到达某预定位置的时候进行紧锁固定。

机械手执行任务需要依靠多个部件：轨道部件，移动底盘，机械手，末端执行器，其中运输系统主要为存储轨道部件和移动底盘两个模块。机械手通过底盘可以负责执行作用。底盘系统除了运输，还包括日常存放功能，单一底盘系统包含一级底盘、二级底盘、基座、底梁框架四个部分。

机械手在维护过程中涉及许多高精度操作，这就要求底盘在满足受力强度要求同时，还应需要严格及高稳定性的约束，尤其在机械手极限位置运动的时候，底盘不能有任何不稳定因素存在。活动机械手执行一次维护任务需要依靠多个服务系统，机械手在存储在二级底盘上面，通过底盘中轨道引导，从狭窄室外围运输至预定窗口内部。

3  强度校核

使用ANSYS分析软件进行整体校核，添加重力加速度，在底盘机械手到达最前端的时候，取底盘的极限情况，进行分析。底盘材料采用马氏体C250，这里按照材料性能进行校核，其材料性能如表1所示。

载重体活动物重量设置大约为20T，根据实际机械手运动模拟结果，在底盘前端设置载荷负重点，在两侧设置固定约束点，并根据实际情况进行约束固定。

分析结果如图3所示，得出底盘最大的应力为201.95MPa。取C250屈服应力2/3作为许用应力，即1100MPA，分析所得结果的最大应力569.3MPA远远低于C250钢许用应力，符合强度要求。

4  结论

基于一种复杂狭长运输的环境和机械手高稳定性要求，设计了一种多级运输，并可实施抬举锁紧固定的底盘。该多级运输设计有利于底盘穿过狭窄的空间，并在机械手执行维护任务时提供可靠的约束。底盘的初步设计概念模型将用于后续更精细的设计参考。

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