基于模塊化可重構(gòu)設(shè)計(jì)理念的移動(dòng)加濕機(jī)器人設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析

崔方圓，秦義同，張解語(yǔ)，高志強(qiáng)，蘇金虎

(河南工學(xué)院 1.機(jī)械工程學(xué)院；2.河南省機(jī)電裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造工程技術(shù)研究中心，河南 新鄉(xiāng) 453000)

我國(guó)《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，到2025年我國(guó)將成為全球機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應(yīng)用新高地。隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的不斷擴(kuò)大和興起，服務(wù)類機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，并在醫(yī)療健康、家庭服務(wù)、教育娛樂(lè)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。《中國(guó)制造2025》文件中提出，服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向，具有較大的市場(chǎng)潛在需求[2-3]。大力發(fā)展服務(wù)類機(jī)器人是21世紀(jì)智能服務(wù)行業(yè)的重要組成力量，對(duì)提升我國(guó)高新技術(shù)發(fā)展水平，躋身世界制造業(yè)強(qiáng)國(guó)有著重要意義。

家用服務(wù)類機(jī)器人是服務(wù)類機(jī)器人的一個(gè)重要發(fā)展方向，這類機(jī)器人具有較好的人機(jī)交互和環(huán)境感知能力，如掃地機(jī)器人、加濕機(jī)器人和消毒機(jī)器人等[4]。針對(duì)加濕機(jī)器人，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者做出了諸多研究。在加濕控制算法方面，胡銀偉等[5]通過(guò)對(duì)多源智能超聲霧化加濕器的設(shè)計(jì)，提出了利用多個(gè)超聲霧化振子形成行列矩陣，通過(guò)濕度傳感器收集數(shù)據(jù)，經(jīng)微處理單元模糊智能調(diào)控，來(lái)精確控制空氣濕度。劉清龍等[6]通過(guò)對(duì)家用加濕器適用面積計(jì)算及測(cè)試方法探討，開創(chuàng)性的通過(guò)試驗(yàn)推論得出了一個(gè)家用加濕器的加濕量與適用面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Sakid等[7]利用無(wú)線傳感器和微控制單元，通過(guò)設(shè)定濕度閾值，解決了加濕反饋和濕度精確控制的問(wèn)題。在移動(dòng)加濕技術(shù)方面，朱宇軒等[8]提出了一種基于單片機(jī)系統(tǒng)控制的兩輪可移動(dòng)加濕小車，克服了傳統(tǒng)加濕器不能移動(dòng)的缺點(diǎn)，同時(shí)該設(shè)計(jì)可以讓家用加濕器在濕度控制精度方面有較高的提升。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要是追求環(huán)境濕度的精確控制，而對(duì)加濕機(jī)器人的集成化、多功能化和模塊化方面研究較少。21世紀(jì)是科技發(fā)展的時(shí)代，多功能模塊化可拓展服務(wù)類機(jī)器人正逐步成為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分和信息承載主體[9]。未來(lái)家用機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)是兼?zhèn)湫∏伞⒃O(shè)備互聯(lián)、多功能、智能等科技新特點(diǎn)[10-12]。

因此，本文基于模塊化可重構(gòu)設(shè)計(jì)理念，完成了一種家用多功能移動(dòng)加濕機(jī)器人的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)集成了加濕機(jī)器人、消毒機(jī)器人和掃地機(jī)器人的關(guān)鍵功能，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)清潔、消毒、殺菌和加濕等功能，以便更好的提升消費(fèi)者對(duì)家用服務(wù)類機(jī)器人的體驗(yàn)。本文的研究有利于智能家居領(lǐng)域的發(fā)展以及讓不同領(lǐng)域的專用功能機(jī)器人進(jìn)行多樣化融合，具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，對(duì)未來(lái)智能家用服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文提出的移動(dòng)加濕機(jī)器人設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式加濕、固定式加濕、清潔、消毒、殺菌等多個(gè)功能，并且各主要模塊可拆卸，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。移動(dòng)加濕機(jī)器人主要由清潔模塊和加濕模塊組成。清潔模塊主要由萬(wàn)向輪、左驅(qū)動(dòng)輪、右驅(qū)動(dòng)輪、清潔軸、清潔收集箱、吸塵模塊、電源、下殼體、上殼體、傳感器模塊等組成。加濕模塊主要由控制模塊、加濕機(jī)構(gòu)、加濕模塊下殼，加濕模塊中殼，加濕模塊上殼、導(dǎo)管、風(fēng)機(jī)、電源接口模塊等零件組成。加濕模塊下殼與加濕模塊中殼通過(guò)螺釘連接組成，為了保證盛水容器的密封性，加濕模塊中殼體與上殼體則是采用膠合的方式進(jìn)行連接。

圖1 移動(dòng)加濕機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

2 多樣化工作模式介紹

為滿足家用移動(dòng)加濕機(jī)器人多樣化功能的需求，本設(shè)計(jì)中清潔模塊根據(jù)現(xiàn)有清潔機(jī)器人的功能及外觀特點(diǎn)，賦予它一般清潔機(jī)器人的使用功能及外觀。加濕模塊的主要功能是能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)加濕、固定加濕和清潔三種工作模式。

2.1 移動(dòng)加濕工作模式

移動(dòng)加濕工作模式是指加濕模塊能夠與清潔模塊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)移動(dòng)加濕。在進(jìn)行移動(dòng)加濕工作模式時(shí)，加濕模塊與清潔模塊通過(guò)磁吸的方式結(jié)合，電路通過(guò)中間的接觸點(diǎn)接通，加濕模塊控制系統(tǒng)與清潔模塊的控制系統(tǒng)一起協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)移動(dòng)加濕功能。此時(shí)為了保證加濕效果，清潔模塊不會(huì)啟動(dòng)清潔模式，只作為加濕模塊的移動(dòng)載體在房間里進(jìn)行移動(dòng)式加濕，移動(dòng)加濕工作模式場(chǎng)景如圖2(a)所示。

2.2 固定加濕工作模式

固定加濕工作模式主要是指加濕模塊能脫離清潔模塊，其可以作為桌面加濕器進(jìn)行使用，進(jìn)行固定加濕。在當(dāng)清潔模塊與加濕模塊分離時(shí)，加濕模塊通過(guò)底部的電源接口與充電器電源線末端的電源接口通過(guò)磁吸的方式進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)固定式加濕。使用場(chǎng)景也變得多樣化，極大提高移動(dòng)加濕機(jī)器人的柔性工作方式。固定加濕工作模式場(chǎng)景如圖2(b)所示。

2.3 清潔工作模式

移動(dòng)加濕機(jī)器人的清潔工作模式是指其清潔模塊可以單獨(dú)作為掃地機(jī)器人來(lái)使用，主要功能是進(jìn)行地面的清潔和殺菌。工作原理是清潔機(jī)器人通過(guò)邊刷將垃圾進(jìn)行初步收集到機(jī)器中部，通過(guò)清潔模塊低面中部的清潔機(jī)構(gòu)和后置的集成機(jī)構(gòu)進(jìn)行垃圾的收集，將收集的垃圾儲(chǔ)存在清潔模塊的后端的垃圾盒。清潔工作模式場(chǎng)景如圖2(c)所示。

(a)移動(dòng)加濕工作模式場(chǎng)景(b)固定加濕工作模式場(chǎng)景(c)清潔工作模式場(chǎng)景圖2 移動(dòng)加濕機(jī)器人多樣化工作模式

3 關(guān)鍵零部件有限元強(qiáng)度分析

3.1 清潔模塊上殼體靜強(qiáng)度分析

清潔模塊作為加濕模塊的載體，其上表面為結(jié)構(gòu)較為薄弱的殼體，在工作的時(shí)候需要同時(shí)承受加濕模塊自身的重量和加濕液體的重量。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)清潔模塊的殼體結(jié)構(gòu)在工作的時(shí)候是否產(chǎn)生變形，需要對(duì)清潔模塊的上殼體零件進(jìn)行有限元分析。

基于ANSYS Workbench有限元軟件建立清潔模塊上殼體結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，如圖3所示。本文所采用的網(wǎng)格單元尺寸為2mm，共產(chǎn)生182388個(gè)單元，326149個(gè)節(jié)點(diǎn)。清潔模塊上殼體采用ABS+PC plastic材料，楊氏模量為2.51×103MPa，泊松比為0.398，屈服強(qiáng)度為45.2MPa。

圖3 清潔模塊上殼體結(jié)構(gòu)有限元模型

清潔模塊上殼體與加濕模塊的接觸區(qū)域即為上殼體的受壓區(qū)域。對(duì)殼體的上表面受壓區(qū)域施加大小為371Pa的壓力載荷(如圖4(a))。使用Fixed命令，選擇殼體的小輪廓面以及支撐柱面并將它們固定(如圖4(b))。

(a)載荷邊界條件

通過(guò)有限元分析得到清潔模塊上殼體的等效應(yīng)力云圖(如圖5)和變形云圖(如圖6)。對(duì)云圖分析可知，殼體的最大應(yīng)力集中在最后部分與垃圾盒配合的開口位置，最大應(yīng)力為0.07842MPa。最大變形位置主要分布在最后部分并且靠近邊緣的區(qū)域，分布以末端小區(qū)域呈放射狀向前擴(kuò)散，其最大變形量為5.138um。該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足以滿足使用要求，并對(duì)使用中遇到的突發(fā)狀況也有較大的應(yīng)對(duì)能力，例如家中寵物爬上正在運(yùn)行的機(jī)器人等。該分析結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性足夠。

圖5 殼體上表面等效應(yīng)力分析云圖

圖6 殼體上表面總變形分析云圖

3.2 加濕模塊盛水容器靜水壓力分析

在使用中，一般容器壁結(jié)構(gòu)對(duì)于盛水容量有很大要求，盛較多時(shí)可能會(huì)造成容器壓力過(guò)大，使得容器結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或者損壞，造成容器結(jié)構(gòu)出現(xiàn)漏水等現(xiàn)象。因此有必要對(duì)加濕模塊的盛水容器進(jìn)行靜水壓力分析，來(lái)驗(yàn)證其容器壁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形是否滿足使用要求。

基于ANSYS Workbench有限元軟件建立加濕模塊盛水容器結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，如圖7所示。加濕模塊盛水容器采用PPE+PS plastic材料，楊氏模量為2.37×103MPa，泊松比為0.399，屈服強(qiáng)度為50.2MPa。盛水容器的最大容積為2.5L，額定容量為1L，加濕液體選用純凈水進(jìn)行分析。

圖7 加濕模塊盛水容器結(jié)構(gòu)有限元模型

對(duì)加濕模塊盛水容器的底面施加固定約束，并選擇容器內(nèi)表面進(jìn)行靜水壓力分析，水的密度為1kg/m3，重力加速度為9.8m/s2，設(shè)置方向?yàn)樨Q直向下。設(shè)置完以后可以看見隨著容器高度的增加靜水壓力變小，如圖8所示。

圖8 加濕模塊盛水容器的靜水壓力云圖

通過(guò)靜水壓力分析得到加濕模塊盛水容器的等效應(yīng)力云圖(如圖9)和變形云圖(如圖10)。對(duì)云圖分析可知，根容器殼體的最大應(yīng)力集中在底部面與方形鼓風(fēng)管交叉的區(qū)域，其最大應(yīng)力為9.7×10-4MPa。殼體最大變形位置主要分布在中間的加濕管道與底面結(jié)合區(qū)域和加濕管道上，變形分布中間小區(qū)域呈放射狀向外擴(kuò)散，其最大變形為0.283um。該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足以滿足加濕模塊的正常使用要求，且不會(huì)造成加濕模塊結(jié)構(gòu)損壞或者因受力而導(dǎo)致的變形漏水現(xiàn)象，該分析結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。

圖9 容器內(nèi)表面等效應(yīng)力分析云圖

圖10 容器內(nèi)表面總變形分析云圖

4 結(jié)論與展望

本文提出了一種基于模塊化可重構(gòu)的家用電器設(shè)計(jì)理念，并完成了一種家用多功能移動(dòng)加濕機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)集成了加濕機(jī)器人、消毒機(jī)器人和掃地機(jī)器人的關(guān)鍵功能，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)清潔、消毒、殺菌和加濕等功能。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

(1)對(duì)家用多功能移動(dòng)加濕機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并分別對(duì)其移動(dòng)加濕、固定加濕和清潔三種多樣化工作模式進(jìn)行了介紹。

(2)對(duì)關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和材料選擇的合理性進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析。基于ANSYS Workbench分別對(duì)清潔模塊的上殼體和加濕模塊的盛水容器進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析。具體分析原理是根據(jù)工作的實(shí)際載荷對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，最終驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

本設(shè)計(jì)中的清潔模塊作為本體結(jié)構(gòu)，加濕模塊作為一個(gè)功能模塊。在未來(lái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，加濕模塊可以更換為其它功能模塊，如語(yǔ)音控制模塊、大功率紫外線消毒燈模塊等。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于普通家庭來(lái)說(shuō)，消費(fèi)者更容易接受更換單個(gè)功能模塊，這樣能花更少的錢去體驗(yàn)科技的發(fā)展，因此模塊化家用電器設(shè)備勢(shì)必會(huì)成為未來(lái)家用服務(wù)類機(jī)器人的一個(gè)重要發(fā)展方向。