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汽车无线充电机械臂设计研究 |
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随着地球资源的日益枯竭，各国政府都在寻求和扶持各种绿色产业或绿色经济形势，新能源汽车和共享经济就是其中正在蓬勃发展的两个项目：新能源是从根本上提高能源利用率;共享经济则是在提高资源的社会利用率和降低人工和资源成本上产生效益。在无人值守的汽车充电领域，德国大众公司的E-SmartConnect充电系统和哈尔滨工业大学的范凯强设计的有线机器人都是其中的佼佼者，但是其依旧摆脱不了需要较高的对准精度的问题;而无线充电装置则因为可以降低对准精度要求和反复使用不易磨损的优点，被德国政府所看重。作为户外使用的无人值守的智能化设备，共享新能源汽车的无线充电装置的运行稳定是需要额外受到重视的;而由于其本身是一种占用公共空间的务设施，对设备静止状态的体积也应该优先予以限制。
构型设计
共享新能源汽车的无线充电装置在关节选型上有很大的设计空间。因此以移动关节和转动关节在同一视图中的两种不同表现形式作为基本元素，形成的基本的构型空间树如图1所示。接下来需要根据实际的工作情况对构型树进行筛选。最终从构型树中选择出了三种不同较为优秀的构型：HBBB型、HBPB型、HPPB型。构型优化对于优化函数中的主要目标函数，主要是建立于Gosselin的全域性能指标和自行提出的收缩度上，结合自重载重及传导弯矩等特性指标，对机械臂的长度l1、l2、l3进行优化。其中，Gosselin的全域性能指标函数为：(1)对于收缩度指标，取工作空间VW与机械臂静止状态所占空间Vm的体积比，即：(2)另外还有自重及弯矩的相关函数，将各部分依据量级及重要程度，分别取不同系数，通过线性加权法进行统合，得到最终的函数：(3)各部分宜采用3：4：1.5：1.5的比例进行加权，对函数进行MATLAB的编程求解后，得出各部分的优化结果如表1所示。故而可以看出，纯粹的关节型(HBBB)机械臂得出的优化结果最优。
建模与工作空间验证
根据之前得到的最优杆长组合进行3D模型的建立，并且完善各部分的细节，得到的模型如图2所示。通过MATLAB对模型的工作空间进行计算，即依据机械臂自身的物理关系，计算得出末端点坐标与各关节角位移及各杆杆长的关系。再使用MonteCarlo法，对各个关节的角位移进行许可范围内的一组随机取值，得出一组相应的坐标。将此过程用编程方式进行重复循环，当随机数据样本足够大时，所有数据点形成的点云图就是机械臂的工作空间，其工作空间云图如图3所示。由机械臂的工作云图可以看出，优化后的构型没有拓扑结构上的死点或盲区;且其工作空间在限定杆长的情况下依旧有足够大的范围，由此可以证明机械臂的结构优化是合理的。
结语
(1)按照星状拓扑结构构建构型空间树，按照技术参数进行初步筛选，从而得到三种构型。(2)提出一种针对构型杆长的多目标优化函数，其由各个需要优化的指标用线性加权法统合得到。使用函数对几种构型分别计算，得出最优构型方案。(3)对构型方案做进一步的结构设计，并对机械臂的工作空间进行计算，通过分析得到的结果图，证实优化后构型的合理性。
化工管理杂志社整理 |
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