摘要

摘要：仓储机器人底盘是AGV的承重部件，其结构刚度和重量对整车性能有重要影响。本文以小精灵仓储机器人为例，在现有仓储机器人底盘结构有限元分析的基础上，应用拓扑优化方法对底盘进行了减重设计，使底盘减重约20%，降低了AGV运行能耗并增大了有效搬运载荷。

在《中国制造2025》的战略推动下， AGV（自动导引搬运车）也逐渐发展成为现代仓储自动化物流不可或缺的重要设备。深圳怡丰机器人科技有限公司生产的“小精灵仓储机器人”底盘是AGV的承重部件,且需保证AGV和顶升机构等各零部件的安装位置，因此必须具有足够的强度和刚度。研究表明，减轻汽车车身重量可以显著降低车辆动力需求，每减少10%的重量，燃油可节约5%～8%。对于频繁启停的仓储机器人更是如此，减轻AGV底盘重量，可减少减速和制动所需的能耗。在动力不变的情况下，底盘减少的重量，可有效提高AGV搬运的有效载荷。
本文以“小精灵仓储机器人”为例，在保证底盘结构强度和刚度的前提下，应用拓扑优化方法对底盘结构进行了优化设计。

一、小精灵仓储机器人整车结构

小精灵仓储机器人采用二维码导航方式，整车底盘采用六轮结构，其中前后各安装有两个万向脚轮，在车体前后中心的两侧对称安装有驱动轮。两个驱动总成可实现差速驱动和转向，因而整车可实现原地转向。整车最大载荷为500kg，行驶速度为1.5m/s。其结构如图1，主要由举升总成、外罩、激光避障传感器、底盘、接触式防撞条和两个驱动总成等组成。其中，底盘焊接结构，如图2。

小精灵仓储机器人底盘焊接结构总重为70.5kg，为了减小精灵仓储机器人空载运行能源的消耗，提高整车的有效承载，因而有必要对底盘焊接结构进行拓扑优化和减重设计。

二、小精灵底盘结构的有限元分析

在不影响计算结果的前提下，为了提高网格划分质量和减小计算时间，对底盘焊接结构进行如下适当的简化：
1.忽略直径小于5mm的圆孔；
2.忽略焊缝对结构的影响；
3.忽略小于5mm的倒角。
并且，对底盘焊接结构采用多域法（Multizone）进行网格划分，划分20559个节点和3065个单元，单元畸变度（Skewness）平均值为0.24，最大值为0.8，并且97%以上都在0.5以内，因而底盘焊接结构网格划分质量较优，确保了求解结果的正确性。根据小精灵仓储机器人最大载重为500kg，对其进行加载，同时考虑重力的影响，根据实际工况在底盘焊接结构进行支撑约束。底盘有限元分析结果，如图3和图4。

从图3底盘焊接结构变形云图可知，最大变形发生底盘前端约为0.07mm，车架整体变形均很小。从图4底盘焊接结构应力云图可知，底盘焊接结构最大应力约为58.9MPa，远小于材料的屈服强度235MPa。

三、小精灵仓储机器人底盘结构的优化分析

1.底盘焊接结构的拓扑优化分析

小精灵仓储机器人底盘是整车的承重部件，其结构优化的准则就是在保证底盘结构强度和刚度的前提下，尽量使底盘重量减轻；同时考虑底盘结构制作的工艺性，确保制作简单，成本低。依据底盘优化设计准则，对底盘焊接结构进行拓扑优化，结构的拓扑优化主要就是把寻求结构的最优拓问题，转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题。对小精灵仓储机器人底盘焊接结构进行拓扑优化，优化结果如图5。

从图5可知，在不影响底盘焊接结构的强度和刚度的前提下，红色区域是表示此部分材料是可以去除的。因此，可按此拓扑优化结果对底盘焊接结构进行优化设计。

2.底盘的改进结构

根据小精灵仓储机器人底盘焊接结构拓扑优化结果，并考虑底盘上电气元件的布置，对底盘焊接结构改进，如图6。
改进后底盘焊接结构总重56.3kg，相比改进前的70.5kg，减少14.2kg，减重约20%。

3.改进结构的仿真分析

根据改进后的底盘焊接结构，同理，对其采用多域法（Multizone)进行网格划分，划分28275个节点和3823个单元，单元畸变度（Skewness）平均值为0.27，最大值为0.8，并且96%以上都在0.5以内，因而底盘焊接结构网格划分质量较优，确保了求解结果的正确性。并设置与改进前相同的载荷与约束，对其进行有限元仿真。改进后底盘焊接结构变形云图和应力云图，分别如图7和图8。

从图7改进后底盘焊接结构变形云图可知，最大变形依然发生在底盘前端约为0.09mm，底盘焊接结构整体变形很小，与改进前底盘焊接结构基本相同，所以改进后底盘焊接结构刚度基本不变。从图8改进后底盘焊接结构应力云图可知，底盘焊接结构最大应力64MPa，比原来增加了5.1MPa，应力稍有增加，但仍然远小于材料的屈服强度。因此，改进后底盘焊接结构是符合减重设计要求的。

四、结语

应用拓扑优化方法对小精灵底盘焊接结构进行了优化分析，并根据优化的结果，改进设计底盘焊接结构。相比原底盘焊接结构，在刚度基本不变、强度满足使用要求的情况下，减重约20%，达到了底盘焊接结构优化设计的目标，改善了AGV的性能以及安全性，降低了制造成本，顺应节能减排的发展趋势。