機器人攜帶自動導引小車車體設計與分析*

□ 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)技術學院 機電工程學院 廣州 510430

1 研究背景

移動機器人是機器人學的重要分支之一,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,可以廣泛應用于倉儲物流和產(chǎn)線物流[3]。

自動導引小車技術包括驅(qū)動方式、導引方式、供電方式、系統(tǒng)控制及應用等方面,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,自動導引小車的負載、行走速度、精度、應用面臨了更高的要求。將自動導引小車與機器人相結合,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引小車進行車體設計與分析。

2 機器人攜帶自動導引小車概念

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用需求的特點,提出機器人攜帶自動導引小車概念,對機器人與自動導引小車進行技術整合,通過車體實現(xiàn)將物料自動運輸至目標工站,再通過車載實現(xiàn)物料自動交換。機器人攜帶自動導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。

所設計的機器人攜帶自動導引小車包括車體、車載、控制系統(tǒng)等,如圖1所示。自動導引小車本體采用標準化設計。車載即機器人,安裝在自動導引小車上,采用模組化設計,可以根據(jù)需求切換不同類型。控制系統(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)。

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

3 動力單元設計

自動導引小車按驅(qū)動方式一般分為三類:雙舵輪、單舵輪、差動輪[7-8]。所設計的機器人攜帶自動導引小車優(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引小車在不轉動車頭的情況下實現(xiàn)全方位轉向、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引小車行駛平穩(wěn)。

所設計開發(fā)的機器人攜帶自動導引小車驅(qū)動舵機如圖3所示。采用集行走和轉向于一體的驅(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)行走和轉向。編碼器檢測直流伺服電機的轉動量,實時反饋至控制單元。控制單元通過計算得到車體行走速度和轉向角度,由控制器控制機器人攜帶自動導引小車完成下一步動作。驅(qū)動舵機設計有緩沖機構,可以有效適應地面的不平整性,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)相關制程應用需求特點,各類車載及相應載質(zhì)量合計均小于200 kg,于是將機器人攜帶自動導引小車車體有效載質(zhì)量設計為250 kg,同時要求較高的運載速度,將額定行走速度設計為0.8 m/s。車體設計與關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。機器人攜帶自動導引小車重要設計參數(shù)見表1,其中,車體結構質(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 機器人攜帶自動導引小車設計參數(shù)

機器人攜帶自動導引小車受力分析如圖4所示。機器人攜帶自動導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)設計參數(shù),機器人攜帶自動導引小車車體質(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引小車的牽引力。

機器人攜帶自動導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,機器人攜帶自動導引小車能夠正常啟動運行。

機器人攜帶自動導引小車額定速度V為:

綜合以上分析,所設計的機器人攜帶自動導引小車整車質(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 靜力學分析

要求機器人攜帶自動導引小車車體設計合理,滿足輕量化要求,同時堅固、可靠。車體的主體結構選用Q235鋼焊接,安裝面板選用45號鋼。采用SolidWorks軟件Simulation模塊,對關鍵零部件進行靜力學分析,以確認結構強度滿足要求。

車載安裝橫梁面板是機器人攜帶自動導引小車關鍵受力零件之一,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,結構滿足剛度要求。

6 抗傾覆分析

機器人攜帶自動導引小車質(zhì)量較大,質(zhì)心較高,運行時必須確保不會前后或側向傾覆,以保證運載物和周圍工作人員的安全[7]。抗傾覆研究方法有穩(wěn)定因數(shù)法、平臺試驗法、質(zhì)心法[9]。考虎到所設計的機器人攜帶自動導引小車應用于計算機、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引小車運動特性分析可知,機器人攜帶自動導引小車前行、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。

機器人攜帶自動導引小車質(zhì)心坐標為(4.6 mm,35.4 mm,624.7 mm)。前后運行加減速時,機器人攜帶自動導引小車有前后傾覆風險,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:

側向平移加減速時,機器人攜帶自動導引小車有側向傾覆風險,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,此時側向穩(wěn)定因數(shù)Kcx為:

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

7 外觀設計

機器人攜帶自動導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構,同時做好充分的絕緣和防腐蝕處理。

8 應用

在機器人攜帶自動導引小車車體設計的基礎上,進行了激光導航設計、安全防護設計,并根據(jù)各類實際應用需要進行了各類車載標準化模組化設計和相應的控制系統(tǒng)設計。圖1所示為以倒掛直角坐標機器人為車載的機器人攜帶自動導引小車,以四軸機器人和皮帶線為車載的機器人攜帶自動導引小車分別如圖8、圖9所示。多款機器人攜帶自動導引小車已實現(xiàn)標準化、模組化、產(chǎn)品化,應用于數(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引小車如圖10所示。

9 結束語

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引小車概念,并進行了車體設計,包括動力單元設計、驅(qū)動力分析、靜應力分析、抗傾覆分析和外觀設計。所設計的機器人攜帶自動導引小車整車質(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。在車體設計的基礎上,進一步完成導航設計、車載標準化模組化設計等,使機器人攜帶自動導引小車成功應用于多個智能工廠。機器人攜帶自動導引小車的設計和應用對發(fā)展、拓寬自動導引小車在智能工廠和智能制造中的應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。