基于Adams的智能清掃機器人卸料機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TH122 DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2025.06.020

0 引言

無人駕駛技術(shù)深度融合人工智能、5G通信、大數(shù)據(jù)等高科技領(lǐng)域，具備高度智能化、無人化、數(shù)字化的技術(shù)特點。無人駕駛技術(shù)既能夠提高全要素生產(chǎn)率，推動經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)質(zhì)的有效提升，也能夠催生新產(chǎn)業(yè)、新模式、新動能，是新質(zhì)生產(chǎn)力的典型代表，具有重要的戰(zhàn)略意義。

Robo-Sweep智能清掃機器人的定位為一款適用于工業(yè)園區(qū)、機場車站、景區(qū)公園等室外封閉場景的無人駕駛純電動掃地機，能夠?qū)崿F(xiàn)自動清掃、卸料、充電、加水等功能，具備全流程無人化作業(yè)的能力。該機器人的商業(yè)落地運營具有里程碑的意義。它改變了傳統(tǒng)環(huán)衛(wèi)作業(yè)模式，可降低人力成本，提高作業(yè)安全性和標(biāo)準(zhǔn)化程度，引領(lǐng)環(huán)衛(wèi)行業(yè)向智能化、高效化、綠色化方向邁進(jìn)。

目前，市面上多數(shù)清掃機器人產(chǎn)品是通過與普通標(biāo)準(zhǔn)660L垃圾桶對接，實現(xiàn)清掃機器人垃圾箱內(nèi)垃圾的清理。卸料過程為： ① 清掃機器人在指定位置停穩(wěn)； ② 垃圾箱舉升到一定高度； ③ 整機再次移動，直至靠近 660L 垃圾桶處停止； ④ 垃圾箱傾翻一定角度進(jìn)行卸料[。

卸料時，清掃機器人需要將垃圾箱舉升到 660L 垃圾桶的高度，如果此時整機進(jìn)行二次移動，存在幾點不足： ① 整機重心不穩(wěn)，控制難度增大，存在嚴(yán)重的安全隱患； ② 箱體內(nèi)垃圾容易掉落，造成二次污染； ③ 卸料時間較長，效率較低。為此，本文旨在設(shè)計一套滿足Robo-Sweep智能清掃機器人的自動卸料機構(gòu)，避免二次移動卸料造成的不足[2]

1總體方案設(shè)計

Robo-Sweep智能清掃機器人對卸料裝置的設(shè)計提出了更高的要求，設(shè)計難點主要包括： ① 為保證卸料點設(shè)置靈活，減少對基礎(chǔ)設(shè)施的改造，卸料時需確保垃圾箱能夠與標(biāo)準(zhǔn)660L的垃圾桶對接，這種方式簡單、成本低廉； ② 為提高清掃機器人的機動靈活性，保證整機結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸較小、高度較低，卸料時需采用高位卸料； ③ 為達(dá)到更長的作業(yè)時間，不僅需要均衡垃圾箱和清水箱的容積配比，同時還需確保在有限的空間內(nèi)兩者容積盡可能大； ④ 為體現(xiàn)產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)和創(chuàng)新理念，提升吸引力和辨識度，傳遞品牌的科技感和未來感，采用更具動感的線條曲面。因此，卸料機構(gòu)與造型之間的干涉約束條件變得更加復(fù)雜。卸料機構(gòu)的性能需求參數(shù)如表1所示。

1.1 總布置及卸料方案

根據(jù)整機總體設(shè)計方案，完成總布置、造型及卸料方案的設(shè)計，如圖1所示。

由圖1可知，提出的Robo-Sweep智能清掃機器人的卸料方案包括3個步驟：

注：1.清掃裝置；2.線控底盤；3.吸嘴裝置；4.外觀造型；5.清水箱；6.電控系統(tǒng)；7.風(fēng)機總成；8.過濾腔；9.垃圾箱；10.標(biāo)準(zhǔn)660L垃圾桶。

首先，清掃機器人識別標(biāo)準(zhǔn) 660L 垃圾桶并對齊，在與垃圾桶距離 L 的位置時停穩(wěn)，此時垃圾箱初始位置為abcd。

其次，垃圾箱平行舉升到一定高度，此時垃圾箱舉升極限位置為 a^′b^′c^′d^′ ○

最后，垃圾箱繞 σ_o 點旋轉(zhuǎn)傾翻至卸料角度 α 時完成卸料，此時垃圾箱傾翻極限位置為 a^′′b^′′c^′′d^′′ 。

在設(shè)計卸料機構(gòu)時，需綜合考慮多方面因素的影響： ① 由于制造裝配誤差或結(jié)構(gòu)形變可能造成的運動干涉； ② 垂向由于不同載重造成卸料高度的變化； ③ 橫縱向由于底盤運動控制精度造成卸料停車位置的變化； ④ 電動推桿需優(yōu)先選用廠家量產(chǎn)產(chǎn)品，避免定制化造成物料成本增加等。

1. 2 卸料機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述清掃機器人的卸料方案，卸料機構(gòu)的運動可以分解為兩組動作：舉升和傾翻。

圖2為卸料裝置運動機構(gòu)簡圖。其中，轉(zhuǎn)動副A、B、 E 固定于車架。

注：1.舉升電動推桿 EF ；2.傾翻電動推桿 GH ；3.前舉升臂ACF ；4.后舉升臂BD；5.翻轉(zhuǎn)座 CDOG ；6.垃圾箱 HO

在舉升過程中，需要保證垃圾箱平行移動。因此，舉升動作可以由前舉升臂 ACF 、后舉升臂 BD 組成的平行四邊形四連桿機構(gòu)實現(xiàn)。舉升電動推桿 EF 通過伸縮動作，驅(qū)動四連桿機構(gòu)從初始位置ABCD運動至舉升極限位置 ABC^′D^′ 。（注：為簡化模型，此處暫不考慮后舉升臂 BD^′ 與圖1中 e 點的干涉，后續(xù)在詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計階段將對桿件進(jìn)行處理。）

在傾翻過程中，需要保證垃圾箱繞軸旋轉(zhuǎn)。因此，傾翻動作可以由垃圾箱 HO 、翻轉(zhuǎn)座CDOG組成的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)。當(dāng)達(dá)到舉升極限位置時，傾翻電動推桿 G^′H^′ 通過伸縮動作驅(qū)動垃圾箱 H^′O^′ 繞著翻轉(zhuǎn)座 C^′D^′O^′G^′ 上的 O^′ 點進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，垃圾箱運動至傾翻極限位置 H^′′O^′ 時完成卸料。

上文中涉及的有關(guān)符號含義說明如表2所示。

根據(jù)上述已知條件，通過圖解法可以確定各個鉸接點的初始位置坐標(biāo)。參照圖1和圖2，對作圖方法說明如下：

① 由于空間布置的限制，固定鉸接點A、 B 的位置坐標(biāo)已確定。

② 分別取垃圾箱舉升和傾翻的3個狀態(tài)，繪制垃圾箱 a 1 ， ∣c∣ 點的舉升運動軌跡和 ∣c∣ 點的傾翻運動軌跡，并代入表1中的性能約束條件（卸料角度 α= 40^° ）、表2中干涉約束條件 L₁～L₇ 的初始值。

③ 在垃圾箱的初始位置，作鉸接點 H 與垃圾箱前端面的垂線 HH₁ 和底面的垂線 HH₂ ，垂足分別為 H₁ 和 H₂ 。在垃圾箱舉升和傾翻不同狀態(tài)下進(jìn)行相同處理，并確保相應(yīng)垂線長度相等。同理，對鉸接點 o 作相同的處理。（為簡化圖形，圖2僅體現(xiàn)初始位置的相關(guān)輔助線和符號并作為示例。）

④ 根據(jù)卸料機構(gòu)的結(jié)構(gòu)條件限制，結(jié)合電動推桿產(chǎn)品選型手冊，初步確定電動推桿參數(shù)。表3所示為卸料機構(gòu)的電動推桿參數(shù)。圖2中， 表示舉升電動推桿初始狀態(tài)； 表示舉升電動推桿伸出到最大長度，即舉升極限位置； 表示傾翻電動推桿初始狀態(tài)； 表示傾翻電動推桿伸出到最大長度，即傾翻極限位置。

⑤ 假設(shè)初始狀態(tài)時的連桿 鉸接點 E（-900 ， 380）mm 。

此時，可以確定卸料機構(gòu)在初始位置的各鉸接點坐標(biāo)，如表4所示。同時獲得表2中的 f 點坐標(biāo)和長度 L

2優(yōu)化設(shè)計與參數(shù)化分析

采用Adams軟件建立卸料機構(gòu)的參數(shù)化虛擬樣機，對其進(jìn)行運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)、設(shè)計變量和約束條件，實現(xiàn)多變量多目標(biāo)的機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。由于Adams軟件中構(gòu)建的零件具體形狀特征對仿真研究沒有影響，所以只考慮構(gòu)件的質(zhì)量及質(zhì)心位置。同時，因為卸料機構(gòu)是左右兩側(cè)完全對稱布置結(jié)構(gòu)，因此，只將其中一側(cè)作為研究對象[3]70-71[4]。

2.1建立卸料機構(gòu)虛擬樣機

2.1.1 定義剛體

根據(jù)表2＼～表4中的相關(guān)參數(shù)，在Adams中建立卸料機構(gòu)的參數(shù)化虛擬樣機模型。對各部件添加材料屬性，如表5所示。

2.1.2 添加約束

約束副類型如表6所示。

2.1.3 添加驅(qū)動

根據(jù)實際工況，卸料和復(fù)位兩個過程從運動學(xué)角度的分析是一致的；而在動力學(xué)方面，由于垃圾載荷的作用，卸料比復(fù)位更復(fù)雜。在此只對卸料過程進(jìn)行研究。在0＼～50s的時間內(nèi)，舉升電動推桿 EF 從 0mm 伸出到 400mm ，達(dá)到垃圾箱的舉升極限位置；在50＼～65s的時間內(nèi)，傾翻電動推桿 GH 從 0mm 伸出到 300mm ，達(dá)到垃圾箱的傾翻極限位置。表7所示為電動推桿的驅(qū)動函數(shù)。

2.1.4 添加負(fù)載

在極限工況下，卸料機構(gòu)除了受到自身重力影響之外，垃圾箱還需裝載 180kg 的垃圾，因此，機構(gòu)兩側(cè)會分別受到 900N 的載荷。為了更真實地反映卸料過程，垃圾箱負(fù)載變化采用階躍函數(shù)5表示：在0s滿載 900N 的垃圾載荷情況下進(jìn)行卸料，當(dāng)垃圾箱旋轉(zhuǎn)至卸料角度 α=0^° 時，開始進(jìn)行卸料；當(dāng)達(dá)到最大卸料角度 α=40^° 時，完成卸料，此時垃圾載荷變?yōu)?0N 。表8所示為卸料機構(gòu)的負(fù)載函數(shù)。

注：表3中電動推桿的安裝距離通過LOC_RELATIVE_TO位置函數(shù)實現(xiàn)，行程則由此處的step位移驅(qū)動函數(shù)實現(xiàn)。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

在卸料機構(gòu)舉升和傾翻的運動過程中，要求電動推桿的驅(qū)動力 F 盡量平緩。因此，將優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為卸料過程中電動推桿最大驅(qū)動力的最小值，其中，舉升和傾翻電動推桿的目標(biāo)函數(shù)分別為

minG₁（x）=max（F_{（MOTION1）max}）

2.3設(shè)計變量及敏感度

鉸接點的位置布局直接影響卸料機構(gòu)的性能和受力大小[3]72-74。在優(yōu)化設(shè)計時進(jìn)行敏感度分析，選取影響較大的設(shè)計變量再進(jìn)行最終的優(yōu)化分析，可以有效地降低計算規(guī)模，提高優(yōu)化效率。

受限于結(jié)構(gòu)條件和空間布置的限制，鉸接點A、B 不進(jìn)行優(yōu)化。由于優(yōu)化自標(biāo)為電動推桿的驅(qū)動力，舉升過程驅(qū)動力受鉸接點 C 、D、 E 、 F 的影響，傾翻過程驅(qū)動力受鉸接點 G 、 H 、 o 的影響。因此，在進(jìn)行優(yōu)化分析時，可以將舉升和傾翻視為兩個獨立的子系統(tǒng)進(jìn)行研究[8-9]

通過仿真分析得到設(shè)計變量 E_x （表示鉸接點 E 的X 軸坐標(biāo)值，其他同理）的目標(biāo)函數(shù)迭代曲線和敏感度曲線，如圖3所示。對其他設(shè)計變量進(jìn)行同理過程的設(shè)計研究，在設(shè)計研究過程中適當(dāng)調(diào)整設(shè)計變量的取值范圍，獲得最優(yōu)的設(shè)計研究結(jié)果[10]

各設(shè)計變量相對于目標(biāo)函數(shù)的敏感度對比如表9所示。從表9中可以看出， D_Y 對舉升驅(qū)動力的影響可以忽略， G_χ 、 O_x 對傾翻驅(qū)動力的影響較小。因此，這些坐標(biāo)不作為優(yōu)化設(shè)計變量。

2.4 約束條件

式（3）＼～式（10）為性能約束和干涉約束條件。其中，設(shè)置約束條件式（6）、式（7），以避免底盤縱向運動控制精度誤差 ±50mm 的影響；設(shè)置約束條件式（8），以避免不同載重造成卸料高度變化的影響；設(shè)置約束條件式（9），避免傾翻電動推桿 GH 在伸出過程中與鉸接點 o 發(fā)生干涉。

2.5 優(yōu)化分析

在滿載工況下，卸料機構(gòu)優(yōu)化前的電動推桿驅(qū)動力及驅(qū)動特性曲線如圖4所示。由圖4可知，舉升驅(qū)動力的最大值為 5284.8N ，超過舉升電動推桿 EF 的極限負(fù)載，不滿足使用要求，必須進(jìn)行卸料機構(gòu)優(yōu)化或者電動推桿重新選型；傾翻驅(qū)動力最大值為2945.1N ，在傾翻電動推桿 GH 的極限負(fù)載之內(nèi)，滿足使用要求。

將設(shè)計變量、約束條件及優(yōu)化目標(biāo)輸人DesignEvaluation模塊中的Optimization進(jìn)行優(yōu)化計算，優(yōu)化算法選擇MSCADS-修正可行方向算法。

第1步，以式（1）為優(yōu)化目標(biāo)，式（3）＼～式（10）為約束條件，以 D_x ， E_x ： E_?Y ： F_X 、 F_Y 為設(shè)計變量，對舉升驅(qū)動力進(jìn)行優(yōu)化，保存優(yōu)化后的最優(yōu)解。圖5所示為第1步優(yōu)化結(jié)果，即舉升驅(qū)動力優(yōu)化迭代曲線。由圖5可知，迭代4為經(jīng)過優(yōu)化之后的最優(yōu)解，最大舉升驅(qū)動力減小至4353.6N，小于舉升電動推桿 EF 的極限負(fù)載，滿足使用要求。

第2步，以式（2）為優(yōu)化目標(biāo)，約束條件同樣為式（3）＼～式（10），以 H_x 、 H_?Y ： O_?Y 為設(shè)計變量，同時代入第1步獲得設(shè)計變量最優(yōu)解，對傾翻驅(qū)動力進(jìn)行優(yōu)化。圖6所示為第2步優(yōu)化結(jié)果，即傾翻驅(qū)動力優(yōu)化迭代曲線。由圖6可知，迭代4為經(jīng)過優(yōu)化之后的最優(yōu)解，最大傾翻驅(qū)動力減小至 2775.3N ，傾翻性能得到提升。

圖7所示為優(yōu)化前后的垃圾箱加速度變化曲線。優(yōu)化后的垃圾箱加速度波動明顯降低。其中，傾翻開始時垃圾箱處于滿載狀態(tài)，此時，最大加速度由優(yōu)化前的 63.78mm/s² 降低至 46.65mm/s² ，對機構(gòu)的沖擊顯著減小。

表10所示為設(shè)計變量的優(yōu)化結(jié)果。表11所示為約束變量的優(yōu)化結(jié)果。由表10、表11可知，優(yōu)化后的結(jié)果符合預(yù)期，滿足設(shè)計方案要求。

圖8為Robo-Sweep智能清掃機器人實物圖。通過對本文介紹的卸料機構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)工程化結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成樣機試制及試驗，并經(jīng)過批量落地運營測試，完全滿足使用要求。結(jié)果表明，該虛擬樣機與實際相吻合，可為后續(xù)類似的設(shè)計應(yīng)用提供參考。

3結(jié)論

1）采用圖解法完成了卸料機構(gòu)的初步設(shè)計，并通過Adams對卸料機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計與參數(shù)化分析，避免了復(fù)雜煩瑣的數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)計算，獲得了較滿意的卸料機構(gòu)優(yōu)化結(jié)果。

2）優(yōu)化后的舉升電動推桿最大驅(qū)動力降低了17.6% ，傾翻電動推桿最大驅(qū)動力降低了 5.8% ，優(yōu)化效果顯著。優(yōu)化后的垃圾箱加速度波動更加平緩，其中，傾翻開始時的最大加速度降低了 26.9% ，對機構(gòu)的沖擊減小，提高了設(shè)備的使用壽命。

3）通過Adams進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，改善了卸料機構(gòu)運動性能，提高了機構(gòu)的安全性、可靠性，有利于實現(xiàn)輕量化、經(jīng)濟(jì)性等，為后續(xù)卸料機構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐。

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Optimization design of unloading mechanism for intelligent cleaning robots based on Adams

LIN Xinqiang （FulongmaCITIBOTTechnologyCo.，Ltd.，Longyan364000，China）

Abstract：[Objective]Inorder toachieve thecapabilityof wholeprocessunmannedoperationof theRobo-Sweep inteligentcleaningrobot，itisnecessarytodevelopasetofunloadingmechanismsthatmeetvarious neds.[Methods]Firstly according totheoveralldesignschemeofthewhole machine，thepreliminarydesignoftheunloading mechanismwascarried outhroughthegrapicalmethod.econdlyasedonAdamsoftware，aparameterzedvirtualprototypemodeloftheloading mechanism wasestablished toperform kinematicanddynamicsimulationsof theunloadingmechanism.Finaly，taking the maximumthrustofthelinearactuatorduring thelftingandtiltingprocessastheoptimizationobjective，through sensitivity analysis，thehingejointsthathaveagreaterimpactontheoptimizationobjectivewereselectedasdesignvariables，and performanceconstraints and interferenceconstraint functions were set.Byusingits parameteroptimization design function，the optimaldesignvaluesofthehingejointpositionsoftheunloading mechanismweredetermined，whichinturnprovidesabasis fortheselectionof linearactuators.[Results]Throughcomparingthedata beforeandaftertheoptimization，themaximum driving force of the lifting linear actuator is reduced by 17.6% ，the maximum driving force of the tilting linear actuator is reduced by 5.8% ，andthe maximum accelerationof the garbage bin at the beginning of tilting is reduced by 26.9% ：

Key Words： Cleaning robot; Adams software; Unloading mechanism; Simulation analysis; Optimization design