机器人携带自动导引小车车体设计与分析*

□ 汤爱军 □ 胡艳娥 □ 诸进才 □ 张建刚 □ 王伟晗

1.深圳市裕展精密科技有限公司 广东深圳 5181102.广州铁路职业技术学院 机电工程学院 广州 510430

1 研究背景

移动机器人是机器人学的重要分支之一,主要功能是协助甚至直接取代人工进行较大范围物流与作业。自动导引小车是一种轮式移动机器人,是集机械、电子、控制、计算机、人工智能等技术于一体的自动化智能装备[1]。相比传统物流线方式及行走轴+机器人移动上下料方式[2],通过自动导引小车实现物流自动化,不需要在作业区固定安装轨道、支座架等辅助装置,不存在物流方案变更调整困难、维护操作空间狭小等问题,具有自动化程度高、柔性好、安全可靠等特点,可以广泛应用于仓储物流和产线物流[3]。

自动导引小车技术包括驱动方式、导引方式、供电方式、系统控制及应用等方面,在科研人员的努力下,不断取得突破和发展[4-5]。随着计算机、通信、消费电子产品少量多样柔性生产制造、智能制造、智慧生产模式的发展,自动导引小车的负载、行走速度、精度、应用面临了更高的要求。将自动导引小车与机器人相结合,实现大负载、高速运输、精确定位,并且与其它智能制造设备进行物料高效自动交换,直接完成自动化功能操作,这是智能工厂智能制造的发展需求,可以提升效率,降低生产物流成本。笔者对机器人携带自动导引小车进行车体设计与分析。

2 机器人携带自动导引小车概念

计算机、通信、消费电子产品更新换代速度快,零件日益复杂,精度要求不断提高,在自动化、精度、弹性、效率等方面对制造企业的生产提出了比较高的要求[6]。依据计算机、通信、消费电子行业制造产线物流连线自动化应用需求的特点,提出机器人携带自动导引小车概念,对机器人与自动导引小车进行技术整合,通过车体实现将物料自动运输至目标工站,再通过车载实现物料自动交换。机器人携带自动导引小车中的机器人是广义的,既包括四轴及六轴工业机器人,又包括倒挂直角坐标机器人和各类客制物流线,可以实现生产物料的自动运送交换。

所设计的机器人携带自动导引小车包括车体、车载、控制系统等,如图1所示。自动导引小车本体采用标准化设计。车载即机器人,安装在自动导引小车上,采用模组化设计,可以根据需求切换不同类型。控制系统包括车体控制系统、车载物料交换功能控制系统、智能移动机器人调度系统。

设计机器人携带自动导引小车时,需要设计车体、车载、激光导航、安全防护、控制系统等。其中,车体设计是基础,也是重点,决定了机器人携带自动导引小车的承载、速度、稳定性等性能参数,并且与导航控制模式、行走精度、停靠精度等重要性能指标相关联。车体设计具体分为动力单元设计、驱动力分析、静力学分析、抗倾覆分析、外观设计,通过车体设计使机器人携带自动导引小车在满足负载要求的前提下,结构合理、稳固、可靠,满足人因工程要求,具有科技感外观。

3 动力单元设计

自动导引小车按驱动方式一般分为三类:双舵轮、单舵轮、差动轮[7-8]。所设计的机器人携带自动导引小车优选双舵轮驱动方式,如图2所示。在车体的前后各安装一台驱动舵机,通过调整前后驱动舵机的角度和速度,使机器人携带自动导引小车在不转动车头的情况下实现全方位转向、平移、变道等动作,具有很高的灵活性。车体四个边角安装无动力万向从动轮,起平衡和支撑作用,保证机器人携带自动导引小车行驶平稳。

所设计开发的机器人携带自动导引小车驱动舵机如图3所示。采用集行走和转向于一体的驱动舵机,分别通过直流伺服电机和直流无刷电机进行驱动,实现行走和转向。编码器检测直流伺服电机的转动量,实时反馈至控制单元。控制单元通过计算得到车体行走速度和转向角度,由控制器控制机器人携带自动导引小车完成下一步动作。驱动舵机设计有缓冲机构,可以有效适应地面的不平整性,确保驱动轮着地,不产生打滑。

4 驱动力分析

根据计算机、通信、消费电子产品智能工厂、智慧生产相关制程应用需求特点,各类车载及相应载质量合计均小于200 kg,于是将机器人携带自动导引小车车体有效载质量设计为250 kg,同时要求较高的运载速度,将额定行走速度设计为0.8 m/s。车体设计与关键零部件初步选型后,选用400 W直流伺服电机提供驱动动力。机器人携带自动导引小车重要设计参数见表1,其中,车体结构质量包括锂电池质量,驱动轮、万向轮材料为聚氨酯。

表1 机器人携带自动导引小车设计参数

机器人携带自动导引小车受力分析如图4所示。机器人携带自动导引小车要能正常启动和运行,必须同时满足两个条件。

第一,驱动轮不打滑,即:

Fqj>Fz=Fqg+Fwg+Fgz

(1)

式中:Fqj为驱动轮静摩擦力;Fz为机器人携带自动导引小车阻力;Fqg为驱动轮滚动摩擦力;Fwg为万向轮滚动摩擦力;Fgz为机器人携带自动导引小车惯性阻力。

第二,电机驱动力足够,牵引力通过驱动轮的静摩擦力实现,即:

Fq>Fz=Fqg+Fwg+Fgz

(2)

式中:Fq为额定牵引力。

根据设计参数,机器人携带自动导引小车车体质量Mc为:

Mc=Mq+Mj=320 kg

在额定载质量为250 kg的情况下,机器人携带自动导引小车整车质量M为:

M=Mc+Mz=570 kg

在驱动单元1 000 N弹簧预紧力的作用下,驱动轮紧贴地面,增大驱动静摩擦力,防止驱动轮打滑,此时作用在驱动轮上的载荷Nqz为:

Nqz= 2Nt+Mqg=2 686 N

式中:g为重力加速度。

万向轮上承受的载荷Nwz为:

Nwz=Mg-Nqz=2 900 N

驱动轮产生的滚动摩擦力Fqg为:

Fqg=μ2Nqz=45.6 N

万向轮产生的最大滚动摩擦力Fwg为:

Fwg=μ3Nwz=493 N

机器人携带自动导引小车整车质量加减速产生的惯性阻力Fgz为:

Fgz=Ma=205.2 N

机器人携带自动导引小车阻力Fz为:

Fz=Fqg+Fwg+Fgz=743.8 N

驱动轮产生的静摩擦力Fqj为:

Fqj=μ1Nqz=1 611.6 N>Fz

由此可见,条件一满足,驱动轮不会打滑,通过驱动轮可以传递机器人携带自动导引小车的牵引力。

机器人携带自动导引小车的额定牵引力Fq为:

Fq=2×2Ti/D=948.3 N>Fz

由此可见,所选直流伺服电机驱动力足够,条件二满足,机器人携带自动导引小车能够正常启动运行。

机器人携带自动导引小车额定速度V为:

综合以上分析,所设计的机器人携带自动导引小车整车质量为320 kg,选用400 W直流伺服电机驱动,减速机减速比为28,额定载质量为250 kg,额定行走速度为0.8 m/s。

5 静力学分析

要求机器人携带自动导引小车车体设计合理,满足轻量化要求,同时坚固、可靠。车体的主体结构选用Q235钢焊接,安装面板选用45号钢。采用SolidWorks软件Simulation模块,对关键零部件进行静力学分析,以确认结构强度满足要求。

车载安装横梁面板是机器人携带自动导引小车关键受力零件之一,进行掏料减质量处理,同时增加两块筋板在竖直承载方向补强,车载安装横梁面板受力分析如图5所示。SolidWorks软件Simulation模块车载安装横梁面板仿真分析静应力变形云图如图6所示。由图6可以看出,车载安装横梁面板的最大变形量为0.047 mm,相对车体总体尺寸变形量极小,结构满足刚度要求。

6 抗倾覆分析

机器人携带自动导引小车质量较大,质心较高,运行时必须确保不会前后或侧向倾覆,以保证运载物和周围工作人员的安全[7]。抗倾覆研究方法有稳定因数法、平台试验法、质心法[9]。考虎到所设计的机器人携带自动导引小车应用于计算机、通信、消费电子产品,车载的负载相对较轻,并且运动范围较小,质心变化不大,因此采用稳定因数法进行抗倾覆分析。

由机器人携带自动导引小车运动特性分析可知,机器人携带自动导引小车前行、平移启动或停止时,在整体重力和惯性力的作用下,有前后或横向倾覆的风险。以最极端的使用条件,即质心最高,最偏离车体中心来进行抗倾覆分析。

以倒挂直角坐标机器人车载为例,满负载物料交换过程中质心偏离车体中心最大时的抗倾覆分析如图7所示。

机器人携带自动导引小车质心坐标为(4.6 mm,35.4 mm,624.7 mm)。前后运行加减速时,机器人携带自动导引小车有前后倾覆风险,BC为倾覆轴线,以惯性矩产生倾覆力矩Mqh,以重力力矩作为稳定力矩Mwd,此时前后稳定因数Kqh为:

侧向平移加减速时,机器人携带自动导引小车有侧向倾覆风险,AB为倾覆轴线,以惯性矩产生倾覆力矩Mcx,以重力力矩作为稳定力矩Mwd,此时侧向稳定因数Kcx为:

综合以上分析结果,机器人携带自动导引小车前后和侧向运动均有较大的稳定因数,由此确认所设计的机器人携带自动导引小车具有较好的抗倾覆性能。

7 外观设计

机器人携带自动导引小车一般采用薄钣金制作,除满足功能性要求外,还要符合人因工程,有效减振和防碰撞。机器人携带自动导引小车外观尽量圆滑过渡,不出现明显棱角及可使人受伤的结构,同时做好充分的绝缘和防腐蚀处理。

8 应用

在机器人携带自动导引小车车体设计的基础上,进行了激光导航设计、安全防护设计,并根据各类实际应用需要进行了各类车载标准化模组化设计和相应的控制系统设计。图1所示为以倒挂直角坐标机器人为车载的机器人携带自动导引小车,以四轴机器人和皮带线为车载的机器人携带自动导引小车分别如图8、图9所示。多款机器人携带自动导引小车已实现标准化、模组化、产品化,应用于数控加工中心上下料、派刀、料盘堆叠等场景。2019年1月10日入选世界经济论坛“制造业灯塔工厂”项目的智能工厂机器人携带自动导引小车如图10所示。

9 结束语

根据计算机、通信、消费电子产品少量多样、弹性生产制造需求特点,提出了机器人携带自动导引小车概念,并进行了车体设计,包括动力单元设计、驱动力分析、静应力分析、抗倾覆分析和外观设计。所设计的机器人携带自动导引小车整车质量为320 kg,额定载质量为250 kg,额定行走速度为0.8 m/s,满足性能要求。在车体设计的基础上,进一步完成导航设计、车载标准化模组化设计等,使机器人携带自动导引小车成功应用于多个智能工厂。机器人携带自动导引小车的设计和应用对发展、拓宽自动导引小车在智能工厂和智能制造中的应用推广具有推动作用,可以提升企业生产制造自动化水平,提高生产效率和竞争力。