一種多級運輸底盤結構設計

羅晨琿

摘要：針對狹長通道不方便運輸的特點，設計了一種可以通過狹長通道的多級運輸底盤結構，該底盤采用了多級運輸設計，可以通過不同狹窄的運輸通道，同時在運輸的過程中，可以進行固定約束，為運輸的機械手運動體提供更穩定可靠的約束。設計的底盤具有多級運輸功能，以便于能穿過狹窄的頸管空間室，同時通過有限元分析，驗證了底盤機構設計的合理性，為底盤的初步設計和未來結構優化提供必要的設計及分析依據。

關鍵詞：多級運輸;固定約束;結構優化

0 ?引言

一個底盤往往包括制動系統、傳動系統、驅動系統、懸掛系統等。影響底盤性能有許多因素。質心的高度和底盤的質量分布可以決定底盤的運動性能，并影響其運動時候的慣性大小，底盤質心高度較高的底盤，在運動的時候，容易發生失速。在進行拐彎的時候，會有較大的離心力。因此，在一些要求較高的運動場合，往往會采用降低底盤重心來提高精度。

一個良好的底盤，可以決定載重或活動體的運動穩定性。在許多時候，底盤不單要運輸機械手，還要在機械手活動的時候保證其工作穩定性。對于運輸機械手的運輸底盤，除了保證運輸過程穩定性，不出意外，還需要在機械手運動時候，給予足夠穩固的固定約束。

只有在足夠固定約束的情況下，機械手在執行各種任務的時候，才能夠平穩不發生振動。

本設計致力于利用多級運輸底盤，解決運輸過程中長廊狹窄特點的難題。運輸底盤的設計也是重要環節，運輸體需要借助底盤穩定地運輸至特定狹窄通道。

1 ?國內外現狀

從目前發展來看，全球機器人規模增長迅速，在2014年到2019年兩年間，機器人市場增長了17%，與之同時，伴隨而來的是底盤技術的發展。機器人、機械手的發展，離不開底盤，機器越精細，需要的底盤技術越高。目前在各廣大服務領域，如快遞、餐飲、清潔領域、機器人都采用通用底盤，然而，在一些復雜情況，底盤的使用需要根據不同場景，進行不同的具體化定制。越來越多的企業開始大量投入底盤的研發之中，如科技巨頭百度、騰訊也加大對底盤的投資。近年來，我國汽車行業發展迅猛，目前，隨著我國科技經濟發展，我國的汽車生產數量已居于全世界第一水平，底盤數量隨著增加，要求也越來越高。同時隨著我國工業化水平的發展，在中國制造2025等政策下，我國機器人和運載底盤的各類開發速度日新月異，一大批與底盤、機械手相關的產業蓬勃發展。通訊電子信息也越來越發達，借助網絡信息，可以做到更深入的機械智能協同技術。高效率的網絡通訊系統，可以提高與底盤密切相關的智能配件。通過網絡，可以遠程控制機械手與運輸底盤，機械智能協同技術也正在加快。在一些工廠地區，底盤運用于運輸貨物、重型機械。在一些快遞行業，某些特殊的運輸底盤也用來運用于運輸快遞。在煤礦行業，有部分煤礦掘進設備采用特定的運輸底盤。由此可見，運輸底盤與國家工業發展進步密切相關，目前我國的重載底盤自主創新力度依舊不夠，許多運輸底盤的核心部件依賴進口。高端液壓元器件、關鍵的部件，很大程度依靠國外產品。

目前我國對于底盤各規格，依舊缺乏統一的校核標準，隨著改革開放，我國進入機械制造時代，運輸底盤越來越多地與智能控制相結合。底盤的運輸，廣泛運用于工業、服務業、制造業等。一些自主移動的機器人，大多都用自己獨特的運輸行走系統。底盤可以運輸執行維護任務的機械手，一個良好質量的底盤，可以提高機械手的維護效率，降低維護成本，提高運動體和運輸底盤的使用壽命。

在不同的環境中，有不同適用的底盤類型。底盤的分類有多種，底盤是一個自主移動機器必不可少的，其廣泛運用于汽車、服務、運輸類行業。主要分輪式底盤、履帶式底盤。按懸掛系統分類，也分成多類。底盤的驅動形式也分多種，主要有后輪驅動前輪轉動，兩輪驅動加萬向輪，而比較流行的是多輪驅動的形式。按驅動的方式不同，其特點也不同。第一種后輪驅動前輪轉動的方式具有價格低廉，結構簡單相對簡單的特點，但由于靠前輪來進行轉動，轉彎的半徑會受到限制。第二種具有成本低、控制簡單等優點，兩輪驅動加萬向輪相對來說控制較為靈活。比較常見的多輪驅動設計成本較高，電控較為復雜，優點也較明顯，具有更大的驅動力。目前的驅動底盤中，一般還設有避震機構設計，許多底盤具有獨立懸掛系統，運載體在運動過程中，即使在路面凹凸不平，或者收到其他外力作用下，依舊能保持相對的穩定。

在設計底盤時候，分析校核其性能是必不可少的，隨著運載體的多次長時間運轉，底盤多次使用，底盤亦會隨之性能降低，伴隨而來的是底盤穩定性下降，磨損加大，動力性能降低。因此我們在設計底盤的時候需要對底盤進行認真的分析。尤其是底盤的強度指標。在眾多企業生產一個合格的底盤的時候，往往需要增設場地，進行模擬實驗，進行多次往復測試，需要消耗大量的人力、資源、場地、時間等，增大的生產成本。本研究利用有限元軟件，進行模擬分析，最大限度節省時間。根據分析的運載機械手的工況，定義其材料強度，計算出運載體的質量，計算出對底盤施加的作用力，并對底盤進行校核強度。

2 ?結構設計

運輸底盤其主要作用是支撐運載活動體的整體重量，提供動力使得其產生直線運動并保持穩定，保證運輸體能到達預定位置執行任務。（見圖1）

針對狹窄且長度較長的運輸通道，采用多級運輸的方式進行運輸，如圖1所示，機械手需要穿過的空間比較狹小，同時較長，這里設計了兩層運輸底盤，第一級運輸至軌道盡頭時候，第二級運輸底盤繼續前進。（圖2）

機械手在維護過程中涉及許多高精度操作，這就要求底盤在滿足受力強度要求同時，還應需要嚴格及高穩定性的約束，尤其在機械手極限位置運動的時候，底盤不能有任何不穩定因素存在。如圖2，這里設計鎖扣裝置，在底盤和機械手到達某預定位置的時候進行緊鎖固定。

機械手執行任務需要依靠多個部件：軌道部件，移動底盤，機械手，末端執行器，其中運輸系統主要為存儲軌道部件和移動底盤兩個模塊。機械手通過底盤可以負責執行作用。底盤系統除了運輸，還包括日常存放功能，單一底盤系統包含一級底盤、二級底盤、基座、底梁框架四個部分。

機械手在維護過程中涉及許多高精度操作，這就要求底盤在滿足受力強度要求同時，還應需要嚴格及高穩定性的約束，尤其在機械手極限位置運動的時候，底盤不能有任何不穩定因素存在。活動機械手執行一次維護任務需要依靠多個服務系統，機械手在存儲在二級底盤上面，通過底盤中軌道引導，從狹窄室外圍運輸至預定窗口內部。

3 ?強度校核

使用ANSYS分析軟件進行整體校核，添加重力加速度，在底盤機械手到達最前端的時候，取底盤的極限情況，進行分析。底盤材料采用馬氏體C250，這里按照材料性能進行校核，其材料性能如表1所示。

載重體活動物重量設置大約為20T，根據實際機械手運動模擬結果，在底盤前端設置載荷負重點，在兩側設置固定約束點，并根據實際情況進行約束固定。

分析結果如圖3所示，得出底盤最大的應力為201.95MPa。取C250屈服應力2/3作為許用應力，即1100MPA，分析所得結果的最大應力569.3MPA遠遠低于C250鋼許用應力，符合強度要求。

4 ?結論

基于一種復雜狹長運輸的環境和機械手高穩定性要求，設計了一種多級運輸，并可實施抬舉鎖緊固定的底盤。該多級運輸設計有利于底盤穿過狹窄的空間，并在機械手執行維護任務時提供可靠的約束。底盤的初步設計概念模型將用于后續更精細的設計參考。

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