移动机器人结构设计及仿真分析

宁波市惠贞书院 张逸博

【摘要】目前，各种机器人在人们生产生活中的应用越来越广泛，而在许多场合下机器人需具有移动的能力才能完成任务，移动机器人由此诞生，并广泛应用于自动化生产车间。本文通过对轮式移动机器人进行结构设计和分析，对设计过程的相关问题进行仿真求解，得出一套对于轮式移动机器人结构优化设计方案及仿真分析思路。【关键词】轮式；移动机器人；结构；仿真

1.移动机器人概述

自动引导运输车也被称为移动机器人，是一种以电池为动力，装有非接触式导向装置的无人驾驶自动运输车。移动机器人代表了机电一体化的最高成就，不光具有移动的功能，还具备环境感知、路径规划、运动控制等功能，集中了电子信息工程、自动化控制等学科的研究成果。随着智能移动机器人技术的不断成熟，移动机器人在各个领域得到越来越广泛的应用。目前，移动机器人主要应用于制造、物流、服务等领域。在制造领域，移动机器人的应用较为普遍，移动机器人常用于在生产线与仓库之间搬运物料以及生产线上下料的搬运。它能比人工更准确、高效地完成搬运任务且正常情况下不需要人工干预。其次，在物流领域，移动机器人主要用于大型仓库的货物挑选与搬运，以及机场码头的货柜搬运，大大提高了工作效率，节省了人工成本。近年来服务机器人逐渐增多，其主要包括餐饮机器人、家用智能机器人、导购机器人等。它们取代了部分员工，也成为了一些店铺的亮点。另外，移动机器人在巡检和救灾方面也有广泛应用。移动机器人的应用提高了工业生产的自动化水平，减少了人力成本，提高了工作效率。凭借这些优点，移动机器人将在未来的生产生活中有更广泛的应用。

移动机器人在结构上由车体、蓄电池、车上充电装置、控制系统、驱动装置等部分组成。车体由车架和机械电气结构如减速箱、电机、车轮等组成。为了使车架有足够的刚性以减小形变，车架常采用焊接钢结构。

2.移动机器人结构设计

对于移动机器人的结构设计，首先需要考虑到机器人的功能和工作状态。本文以额定负载为100kg的机器人为例。机器人自身重量预估60kg，考虑到普通地面上，轮子与地面间的摩擦系数0.3，给定一定的安全系数，因此驱动轮及脚轮至少需要提供500N的驱动力，从而选定驱动电机的额定扭矩大小，考虑到不同电机的控制方式及效果，可选用直流电机驱动形式，便于控制和维护。

对移动机器人进行方案原理设计，考虑到方便维护，对机器人内部进行模块化设计。所谓模块化设计，就是将产品的某些要素组成一个具有特定功能的子系统。对于移动机器人的结构设计，对其进行结构分析，其主要有主车架、驱动系统、脚轮系统、防撞系统、激光系统等组成。主车架作为承载件，其他部件模块化设计后与主车间相连接，同时考虑到各结构件及电气件的安装方式，留出足够余量，防止结构之间的干涉，并减少模块拆卸的工作量。

在机器人结构设计中考虑材料的选择及零件的加工方法。在普通工业领域，供选择的材料分为金属和非金属两大类。金属主要包括铁材和铝材，非金属主要包括塑料和橡胶等。对于金属结构件的加工方式，通常对于具有薄壁特征的零件，利用钣金加工结合焊接的形式，而对于其他结构件，采用cnc数控加工方法来进行。钣金加工工艺主要有折弯、打孔、切槽等，其加工工艺相对比较简单，原材料通常为薄板，因此成本较低。而CNC数控加工通过是针对具有特定结构而不能用均一薄板加工得到的零件，在数控加工中心通常铣削加工及钻孔等加工得到设计的零件。就材料而言，钢铁比铝材的强度高，承载能力强，但密度大，质量大，应综合考虑。对于折弯钣金件进行固定时，考虑到稳定性和抗冲击性，以及连接时

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螺纹强度等问题，可适当选用普通钢材或不锈钢。通常为了零件能达到较好的表面质量和外观效果，需要对成型后的零件进行表面处理。对于金属而言。普通钢的表面处理工艺主要是表面电镀，而对于铝材，可以进行表面氧化从而实现耐磨防锈等功能。对于塑料件，其加工工艺包括3d打印，机加工及注塑成型等方式。其中，注塑需要进行开合模的模具设计，适合零件批量生产的时候采用。3d打印适合快速加工成型，可以对各种复杂结构进行加工，但零件强度及韧性差，不能承受撞击等。机加工对结构设计有一定要求，但强度较高，承载能力强。

在机器人结构设计时，其主车架子及部分连接件都采用铝材进行钣金加工后表面氧化得到，对于位置精度要求较高的电气支撑件如激光固定板则利用不锈钢板或普通碳钢表面电镀得到，从而满足运动过程中的抗震效果。对于机器人外壳，分别加工钣金和塑料件机加的形式，塑料件可以设计沟槽从而进行流水灯的安装。机器人整体设计需要考虑各模块及外壳的可拆卸性。

3.移动机器人仿真分析

3.1 仿真分析简介

有限元仿真分析利用数学近似的方法对真实物件进行模拟。它将物件划分为有限的单元，计算一定条件下单元之间的相互作用来模拟物件的实际情况。机械设计仿真主要分为三大类：静力学仿真、动力学仿真和运动学仿真。这几种仿真分析的侧重点不同。静力学主要是对静止状态下的物体进行力学仿真分析；动力学主要对运动状况下的物体进行力学仿真分析，同样可以计算出应力、形变等；运动学主要对物体的运动状况、轨迹及空间范围进行仿真。由于仿真分析的计算量远超出人脑的计算能力，需要计算机进行。3.2 三维建模

仿真分析前先要对零件建模。SolidWorks一款优秀的三维机械设计软件，功能强大且简单易用，帮助工程师快速建模。用Solid-Works建立三维模型主要是通过“特征”来实现的。3.3 静力学分析

虽然SolidWorks中也有仿真分析插件，但由于不是专业的仿真分析软件，分析时容易出现问题。利用专业有限元分析软件Ansys进行仿真分析。分析前首先需要建立仿真对象的模型。Ansys自带建模功能，但其建模功能及操作便利性比专业的机械建模软件差，因此对于结构比较复杂的模型，选用专业建模软件如Solid-works进行建模后转换为3d零件的通用格式，然后倒入到Ansys中进行仿真分析。

利用Ansys进行静力学仿真分析是基于有限元的分析思路，即将完成的物体划分为有限个小的单元，对每个单元进行分析求解，再结合单元之间相邻节点的联系以及整体的边界条件，从而对整个区域进行分析计算。以对机器人主车架进行受力分析为例，在实际软件操作的过程中，首先打开Ansys软件，进入到Static Structure静力学分析模块，在模块中首先导入已经建立好的主车架的模型，之后设置材料属性，在分析模块中进行网格划分，设置边界条件，设置载荷后进行仿真计算，最后对仿真结果进行显示和分析。在网格划分阶段，需要针对零件的具体形状进行操作，对于形状简单规则的零件，则采用自动划分网格即可。边界条件是零件仿真分析时的

（下转第129页）

ELECTRONICS WORLD・技术交流线性干扰观测器能及时估计干扰变化，受被控对象参数变化影响小，干扰估计精度高。分析图4和图7，引入了自适应模糊算法的倒立摆系统能迅速准确跟踪输入，输出摆角误差衰减快，系统跟随性能变好。4 结论

本文将传统一阶非线性干扰观测器拓展到高阶，有效改善了观测器对对象模型参数变化敏感、估计误差大等不足，并扩大了其适用范围。针对常规滑模控制在系统状态运动的前一阶段抗干扰能力差的特点，引入了模糊控制，设计了自适应率，有效提高控制系统的鲁棒性。在MATLAB中，用倒立摆作为被控对象仿真验证表明，基于高阶非线性干扰观测器的自适应模糊滑模控制器估计外界干扰能力大大提高，控制器输出抖振现象改善，系统响应变快，抗扰能力增强。本文设计的方法具有较好的工程应用指导意义，适用于含有强扰动、工况复杂多变、对控制效果严格的场合。

参考文献

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作者简介：

孙明（1996—），男，江西萍乡人，大学本科，现就读于江南大学物联网工程学院自动化专业，研究方向：智能控制。

徐颖秦（1965—），女，陕西人，硕士，教授，研究方向：配电网智能监控与故障诊断。

图6 自适应模糊滑模控制率

3.2 基于非线性干扰观测器的滑模控制仿真结果

图7 摆角跟踪误差

图8 非线性干扰观测器估计误差

3.3 纯滑模控制仿真结果

图9 滑模控制率

将图6与图9对比，自适应模糊滑模控制器输出抖振幅值与频率比滑模控制器输出大大减小，有效改善了抖振现象。由图5和图8可知，高阶非（上接第126页）

外部约束，比如主车架与轮子连接的两端直接固定在地面处，此处的面应采用固定约束的边界。施加加载需根据物理的实际受力状况，主车架内连接的电池以及车身的负载重量都是对其相应表面施加的载荷。对仿真结果进行显示分析，主要是显示零件在受力过程中的变形及应力应变。其中，变形为零件相对于初始状态下的形变，应力是物体受力后产生的内力，应变则是有应力产生的内部形变。零件由于其材料选择，有需用的最大应力值，同时零件作于机器整体的一部分，其形变也许控制在一定的范围之内，这些都是有限元静力学仿真需要分析的对象。3.4 动力学分析

动力学分析主要是针对物体运动后的受力状态进行分析，采用Adams分析软件进行。Adams是由美国MDI公司开发的机械系统动力学自动分析软件，有较高的市场份额。在对于移动机器人进行动力学仿真分析中主要包括两大类。第一类是车身本体受冲击力后的变形，这种分析类似于上述的静力学分析，可以采用有限元分析的思路。另一种则是弹簧的振动分析。

在对移动机器人进行仿真分析时，考虑到车子的前部有仿真机构，车子驱动单元及部分脚轮间有减震机构，这些机构中弹簧的振动状况对机器人整体的运动状况都有一定的影响，利用Adams可以对这种影响进行定量的分析。首先需要建立仿真对象的模型，与有限元仿真类似，在Adams中进行动力学仿真分析也可以导入专业软件建立好的模型，在软件需建立每个零件的约束以及各个零件之间的接触，之后按照实际状况建立弹簧模型并对弹簧的弹性系数及阻尼系数等进行设置，仿真时可以对弹簧的振幅、频率等进行仿真，从而确定在结构设计时弹簧的选型及预紧力的大小。

4.结论

本文对移动机器人的结构设计方法及相应的仿真分析思路进行分析，得出以下结论；

（1）对移动机器人进行结构设计时采用模块化设计的思路，对主车架、驱动单元、防撞结构、脚轮组件等作为的单元进行设计，按照一定的规则连接，在实际维护时可对出现异常的部分整体更换单元，从而简便了维护程序，提高效率；

（2）移动机器人外壳设计时需考虑金属和非金属材料的选用以及加工工艺的选择，综合考虑功能安全、外观效果、经济性等因素；（3）结构设计时对于支撑件及各连接件的强度分析可利用有限元静力学仿真的思路，仿真结构可为结构设计提供参考和依据；

（4）对移动机器人中防撞机构及减震机构中弹簧的选型及安装预压大小的确定可利用专业软件进行仿真分析，从而得出结论；

（5）本文为移动机器人的设计方法提供一种模块化设计思路，为结构设计中存在的问题提供一种仿真分析方法。对于移动机器人的电气原理、软件控制方法等还有待于进一步研究。

参考文献

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