鄭宏遠(yuǎn)，袁靖，金坤鋒

可拋投移動(dòng)機(jī)器人跌落分析及電池變形優(yōu)化

鄭宏遠(yuǎn)，袁靖，金坤鋒

（中電?？导瘓F(tuán)有限公司創(chuàng)新賦能中臺(tái)，杭州 266555）

對(duì)可拋投移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行跌落仿真并優(yōu)化電池保護(hù)結(jié)構(gòu)。為了承受至少跌落6 m的強(qiáng)大沖擊力，選取EVA及碳纖維材料對(duì)拋投機(jī)器人進(jìn)行抗摔設(shè)計(jì)?；贚s-Dyna對(duì)拋投機(jī)器人的3種工況進(jìn)行跌落仿真，探究機(jī)器人各部件的受力情況以及損傷的原因。同時(shí)著重對(duì)機(jī)器人的電池及其箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行跌落仿真，分析電池失效的原因，并提出整改方案。表明了整體抗摔設(shè)計(jì)的有效性，沒有超出設(shè)計(jì)材料的屈服點(diǎn)。同時(shí)，得出了電池失效的根本原因是電池材質(zhì)較軟以及保護(hù)結(jié)構(gòu)包絡(luò)面積不夠，優(yōu)化后的機(jī)器人的電池變形量減小了60%，電池失效得到了根本性改善。經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)際拋投驗(yàn)證，所提優(yōu)化方法可用于指導(dǎo)拋投和抗摔類機(jī)器人的抗摔設(shè)計(jì)。

拋投機(jī)器人；抗摔設(shè)計(jì)；跌落仿真；Ls-Dyna；電池防護(hù)

可拋投移動(dòng)機(jī)器人在反恐和維穩(wěn)行動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用[1]。美國(guó)、日本等國(guó)家均對(duì)拋投移動(dòng)機(jī)器人展開了大量研究[2]，其安全跌落高度對(duì)應(yīng)用價(jià)值的影響很大，所需求的跌落高度越來(lái)越高，然而，這么高的跌落工況對(duì)機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)及元器件的損傷是極其復(fù)雜的。因此，需要設(shè)計(jì)緩沖層減小對(duì)機(jī)器人內(nèi)部的沖擊力，并需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行仿真和試驗(yàn)分析。同時(shí)，由于移動(dòng)機(jī)器人常用鋰離子動(dòng)力電池作為能量源，其材質(zhì)偏軟且為了滿足長(zhǎng)航時(shí)需求往往重量較大，導(dǎo)致其跌落瞬時(shí)需要承受的能量很大，是機(jī)器人內(nèi)部各元器件抗摔能力中最薄弱的一環(huán)，嚴(yán)重制約了可拋投移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用前景。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)可拋投機(jī)器人進(jìn)行了大量的仿真和試驗(yàn)研究。樊海廷等[3]對(duì)微型快換拋投式機(jī)器人進(jìn)行了5 m高度的跌落仿真，找出了轉(zhuǎn)動(dòng)軸發(fā)生變形的最薄弱的部位，并進(jìn)行了優(yōu)化。李佳龍等[4]基于Ls-Dyna對(duì)機(jī)器人進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到拋投機(jī)器人不同跌落高度、不同著地姿態(tài)下各個(gè)部件碰撞力的大小，對(duì)機(jī)器人整體以及危險(xiǎn)部位進(jìn)行了強(qiáng)度分析。姜濤等[5]討論了緩沖材料在高過(guò)載情況下的吸能特性，設(shè)計(jì)了拋投式機(jī)器人緩沖保護(hù)殼的結(jié)構(gòu)，并研究了緩沖材料的性質(zhì)。楊怡蓓等[6]基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，采用多體動(dòng)力學(xué)手段研究了機(jī)器人跌落碰撞過(guò)程中各個(gè)參數(shù)對(duì)沖擊力大小的影響。在其他跌落仿真中，王驍?shù)萚7]分析了某容器的6種典型工況跌落工況的計(jì)算結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。王天佑等[8]對(duì)圓柱形的車用動(dòng)力鋰電池進(jìn)行運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)及跌落仿真試驗(yàn)分析。林麗等[9]對(duì)跌落測(cè)試中的破壞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和改進(jìn)。張宇婷等[10]對(duì)橢球型結(jié)構(gòu)的無(wú)傘空投儲(chǔ)液罐進(jìn)行了跌落分析。

同時(shí)，對(duì)電池包的安全性方面研究逐漸成為熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在使用復(fù)合材料、輕質(zhì)合金等輕量化材料對(duì)電池包進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)或采用尺寸優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化以及形貌優(yōu)化等優(yōu)化方法對(duì)電池包箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Hartmann等[11]采用形貌優(yōu)化，提升了箱體固有頻率，在此基礎(chǔ)上減輕了電池箱體的重量。Wang等[12]綜合考慮靜剛度和動(dòng)頻率，對(duì)電池包的固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化。謝暉等[13]對(duì)鋁合金一體式電池箱上蓋進(jìn)行了形貌優(yōu)化，輕量化的同時(shí)提高了電池箱體的剛強(qiáng)度。蘭鳳崇等[14]建立了電池包箱體多材料選材與優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)了電池包綜合性能提升。

本文首先介紹拋投機(jī)器人的抗摔結(jié)構(gòu)；其次，基于Ls-Dyna對(duì)機(jī)器人的3種跌落工況進(jìn)行仿真分析，分析在6 m高度跌落時(shí)機(jī)器人內(nèi)部的狀態(tài)情況；同時(shí)，針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的電池包變形的情況，單獨(dú)提取電池包及其電池支架分析，找出容易受損的主要部位和變形方向，結(jié)合實(shí)際可使用的空間和重量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；最后對(duì)改進(jìn)后的拋投機(jī)器人進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證拋投機(jī)器人6 m抗摔能力以及改進(jìn)后電池包裹結(jié)構(gòu)的有效性。

1 可拋投移動(dòng)機(jī)器人跌落原理分析

1.1 拋投機(jī)器人抗摔設(shè)計(jì)與受力分析

可拋投移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖1a所示，機(jī)器人為2個(gè)半球組成的橢球體外觀。如圖1b所示，機(jī)器人抗摔層由EVA抗摔層、碳纖維抗摔層以及橡膠輪胎組成。如圖1c所示，機(jī)器人內(nèi)部主要受力部件為碳纖維抗摔層、卡扣、圓環(huán)支架、基座架、受力銷軸、電池支架等。受力部件在不同跌落工況下的受力狀況不同。當(dāng)機(jī)器人水平跌落時(shí)，機(jī)器人著地端的卡扣互相擠壓，而另一端卡扣互相拉扯，此時(shí)卡扣受力比較極端；圓環(huán)支架吸收了碳纖維抗摔層變形時(shí)沖擊到其上的力，該工況下著地端的圓環(huán)支架受力較大；電池支架受到電機(jī)的慣性力沖擊，受到一個(gè)向下的壓力，使得電池支架變形，同時(shí)在基座架與電池支架的連接處也會(huì)受到電池支架的拉力；水平工況下導(dǎo)向桿發(fā)生位移的趨勢(shì)小，故受力銷軸受力小。當(dāng)機(jī)器人豎直跌落時(shí)，機(jī)器人碳纖維抗摔層吸收大部分沖擊力，卡扣之間相互碰撞，但碰撞力分布在整個(gè)卡扣上，圓環(huán)支架受到力也分散于支架上，電池支架側(cè)邊受到電池的壓力，受力同樣不好；該工況下導(dǎo)向桿有發(fā)生竄動(dòng)的趨勢(shì)，受力銷軸此時(shí)為克服導(dǎo)向桿的位移，受到剪切力。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，不同的跌落工況下，受力部件之間的受力方式是不同的。

圖1 可拋投移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

1.2 拋投機(jī)器人跌落理論分析

由于機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單純理論計(jì)算難以得出準(zhǔn)確的數(shù)值解，并且實(shí)際物理樣機(jī)驗(yàn)證的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本往往很高，所以采用離散模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真是高效、低成本獲取可靠結(jié)果的有效途徑。機(jī)器人在跌落過(guò)程中較符合柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)碰撞過(guò)程，具有高度非線性及非定長(zhǎng)和變邊界的特點(diǎn)。Ls-Dyna采用中心差分法對(duì)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問題進(jìn)行顯式求解，相較于隱式求解方法，顯式積分更適合求解大變形、碰撞、接觸等瞬間動(dòng)態(tài)變化的動(dòng)力學(xué)問題[3-4,15]。根據(jù)達(dá)朗貝爾動(dòng)力學(xué)原理，利用有限元法求解結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的普遍方程見式（1）。

由于可拋投機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)器人基座架并未完全固定在左右抗摔結(jié)構(gòu)上，存在一定的左右滑移量，并且具有多個(gè)導(dǎo)向桿和滑套，導(dǎo)致在跌落過(guò)程中內(nèi)部零部件還存在較大的三維空間方向的位移。同時(shí)內(nèi)部受力部件較多，工況多變，受力復(fù)雜，動(dòng)力學(xué)建模求解理論值難度大，且準(zhǔn)確性不高，因此，本次計(jì)算采用ANSYS/Ls-Dyna軟件進(jìn)行。

2 仿真分析

2.1 前處理

機(jī)器人整體有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，采用了殼單元、beam單元和實(shí)體單元，共生成1 102 547個(gè)實(shí)體單元、8 515個(gè)殼單元和96個(gè)beam單元。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。機(jī)器人跌落高度為6 m，機(jī)器人整體初始速度為10 844 mm/s，選取機(jī)器人3種典型跌落工況，典型工況1為水平跌落（0°），典型工況2為側(cè)向跌落（45°），典型工況3為豎直跌落（90°）。

圖2 機(jī)器人整體網(wǎng)格劃分

2.2 結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖3—7所示。機(jī)器人基座架應(yīng)力云圖如圖3所示，工況1中最大應(yīng)力為448.9 MPa、工況2中最大應(yīng)力為414.2 MPa、工況3中最大應(yīng)力為446.8 MPa?？芍?種工況下基座架最大應(yīng)力接近，且均未達(dá)到材料的屈服點(diǎn)。機(jī)器人圓環(huán)支架應(yīng)力云圖如圖4所示，工況1中最大應(yīng)力為940.6 MPa、工況2中最大應(yīng)力為802.2 MPa、工況3中最大應(yīng)力為305.8 MPa?？芍趶墓r1向工況3轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，圓環(huán)支架的受力減小。這是由于在0°跌落時(shí)，沖擊力會(huì)直接傳遞到圓環(huán)支架上，且在工況1下，圓環(huán)支架達(dá)到了材料的屈服點(diǎn)，發(fā)生了塑性變形，但未斷裂。機(jī)器人受力銷軸應(yīng)力云圖如圖5所示，工況1中最大應(yīng)力為189 MPa、工況2中最大應(yīng)力為1 081 MPa、工況3中最大應(yīng)力為1 243 MPa?？芍r1向工況3轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，受力銷軸的應(yīng)力增加，工況2和工況3均已達(dá)到材料的屈服點(diǎn)，但未斷裂。機(jī)器人卡扣應(yīng)力云圖如圖6所示，工況1中最大應(yīng)力為926.6 MPa、工況2中最大應(yīng)力為476.3 MPa、工況3中最大應(yīng)力為242.1 MPa。可知工況1向工況3轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，卡扣受力減小。這是由于在90°跌落時(shí)，卡扣受力均勻分布，而在0°跌落時(shí)，卡扣一側(cè)會(huì)受到極大的力，所以會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，但都未達(dá)到材料的屈服點(diǎn)。機(jī)器人電池支架應(yīng)力云圖如圖7所示，工況1中最大應(yīng)力為466.8 MPa、工況2中最大應(yīng)力為427 MPa、工況3中最大應(yīng)力為452.7 MPa。3種工況下應(yīng)力接近，且都接近材料的屈服點(diǎn)。機(jī)器人重要部件的最大應(yīng)力值如表1所示。綜上，3種工況下主要受力的部件不同：水平跌落時(shí)，EVA緩沖過(guò)后首先受力的是卡扣，且受力比較集中，一側(cè)壓力，一側(cè)拉力，然后圓環(huán)受到?jīng)_擊力，接觸面的受力較大；轉(zhuǎn)為豎直跌落時(shí)，導(dǎo)向桿有位移趨勢(shì)，因此受力銷軸受到較大剪切力。分析結(jié)果顯示，機(jī)器人整體沒有發(fā)生零部件的斷裂，零部件都在材料的屈服點(diǎn)內(nèi)，因此滿足跌落6 m的設(shè)計(jì)工況。

圖3 機(jī)器人基座架應(yīng)力云圖

圖4 機(jī)器人圓環(huán)支架應(yīng)力云圖

圖5 機(jī)器人受力銷軸應(yīng)力云圖

3 電池包變形優(yōu)化

3.1 電池包損傷分析

事實(shí)上，依據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)機(jī)器人物理樣機(jī)的多個(gè)典型角度進(jìn)行了10次6 m跌落試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)方案中電池的多個(gè)部位發(fā)生了不可逆損壞。主要損壞形式是電池受到電池支架的擠壓，出現(xiàn)了局部壓潰現(xiàn)象，并且電池支架也出現(xiàn)了細(xì)微裂紋?？蓲佂兑苿?dòng)機(jī)器人中采用了一塊2 600 mA·h軟包鋰離子動(dòng)力電池，質(zhì)量為102 g，布置在機(jī)器人的中下部，通過(guò)電池支架固定在機(jī)器人主承力部件中心支架上，如圖8所示。拆解試驗(yàn)后的電池包如圖9所示。

圖6 機(jī)器人卡扣應(yīng)力云圖

電池變形及其與中間支架之間銜接件失效的直接后果是電池短路和起火，因此，無(wú)論機(jī)器人本體設(shè)計(jì)的多么精妙，電池防護(hù)不達(dá)標(biāo)，就會(huì)導(dǎo)致電池失效甚至事故。由于電池本身不能替換，所以必須找出機(jī)器人在典型方向跌落期間的失效趨勢(shì)，并計(jì)算出易損壞件的最大受力，然后在有限重量下進(jìn)行對(duì)應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖7 機(jī)器人電池支架應(yīng)力云圖

表1 機(jī)器人重要部件的最大應(yīng)力值

Tab.1 Maximum stress of important components of robot MPa

圖8 機(jī)器人鋰電池布置位置

圖9 實(shí)測(cè)電池?fù)p傷情況

3.2 電池包仿真分析

為了接近實(shí)際電池狀態(tài)，在電池外面包裹緩沖泡棉，選取典型工況1和典型工況3的電池變形云圖，如圖10所示。由圖10a可知，電池下方與電池支架接觸位置發(fā)生較大變形，最大變形量為3.68 mm。由圖10b可知，電池在與電池支架接觸的位置發(fā)生較大變形，最大變形量為3.83 mm。以上2處電池的最大變形量包含了電池的位移。對(duì)比2種工況下和圖9受損電池的變形云圖可知，仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果近似。機(jī)器人在跌落過(guò)程中，電池由于自身重量大，在機(jī)器人落地后仍具有較大速度。電池沖擊到電池支架上，一方面使得電池支架與中心支架連接處應(yīng)力增大；另一方面電池沖擊在電池支架上，使得電池在沖擊處變形，電池受到了不可逆的破壞。

3.3 改進(jìn)方案

對(duì)機(jī)器人物理樣機(jī)多次試驗(yàn)以及電池艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析。根據(jù)分析結(jié)果，得出導(dǎo)致電池支架連接處應(yīng)力大以及電池變形的主要原因有：電池支架上方存在懸臂梁結(jié)構(gòu)，在電池沖擊電池支架時(shí)，懸臂梁末端受力，懸臂梁根部應(yīng)力增大；電池支架設(shè)計(jì)為2根寬度較窄的梁結(jié)構(gòu)，在電池沖擊時(shí)，相當(dāng)于電池支架在對(duì)電池進(jìn)行擠壓，使得電池在擠壓處變形。

圖10 機(jī)器人電池變形云圖

針對(duì)以上2個(gè)原因，本著在有限設(shè)計(jì)質(zhì)量下必須大幅度增強(qiáng)銜接零件強(qiáng)度，并明顯降低電池各向所受壓強(qiáng)的思想做出以下改進(jìn)：

1）拋棄電池支架的懸臂梁結(jié)構(gòu)，將中心支架與電池接觸的地方向兩側(cè)延伸。

2）將電池支架做成一體化，增加其與電池各個(gè)面的接觸面積，避免電池沖擊時(shí)受到梁的擠壓。改進(jìn)后的機(jī)器人電池艙結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 改進(jìn)后的機(jī)器人電池艙結(jié)構(gòu)

3.4 仿真驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)后的機(jī)器人電池艙的2種典型工況進(jìn)行仿真，分析結(jié)果如圖12—13所示。由圖12a可知，在典型工況1下電池艙應(yīng)力最大位置發(fā)生在電池支架與中心支架連接外側(cè)處，最大應(yīng)力達(dá)到295.18 MPa，比改進(jìn)前的應(yīng)力減小了171.62 MPa。由圖12b可知，電池下方與電池支架接觸位置的最大變形量為1.28 mm，比改進(jìn)前的變形量減小了2.4 mm。由圖13a可知，在典型工況2下電池艙應(yīng)力最大位置發(fā)生在受力一側(cè)中間支架處，最大應(yīng)力達(dá)到330.48 MPa，比改進(jìn)前的應(yīng)力減小了50.67 MPa。由圖13b可知，電池側(cè)方與電池支架接觸位置的最大變形量為1.45 mm，比改進(jìn)前的變形量減小了2.38 mm。以上2處電池的最大變形量包含了電池的位移，比改進(jìn)前電池的變形量大幅減小。改進(jìn)后的機(jī)器人在2種典型工況下的對(duì)比如表2所示。

圖12 改進(jìn)后的機(jī)器人典型工況1分析結(jié)果

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證可拋投機(jī)器人6 m跌落的實(shí)際情況，以及改進(jìn)電池保護(hù)結(jié)構(gòu)的電池情況，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了跌落試驗(yàn)。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖如圖14所示，可拋投機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求是滿足至少10次從6 m高度跌落的工作任務(wù)，對(duì)典型工況1、工況2、工況3都進(jìn)行了至少4次的跌落試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后機(jī)器人仍能正常工作，將測(cè)試完成的機(jī)器人進(jìn)行拆解，內(nèi)部零件均未發(fā)生損壞，測(cè)試后的電池?fù)p傷情況如圖15所示。對(duì)比改進(jìn)前的電池?fù)p傷情況，發(fā)現(xiàn)在之前被電池支架擠壓變形部分已看不到明顯的變形。驗(yàn)證了可拋投機(jī)器人的性能以及改進(jìn)后的電池保護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性。

圖13 改進(jìn)后的機(jī)器人典型工況3分析結(jié)果

表2 改進(jìn)后的機(jī)器人2種典型工況對(duì)比

Tab.2 Comparison of two typical working conditions for the improved robot

圖14 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖15 跌落試驗(yàn)后電池?fù)p傷情況

5 結(jié)語(yǔ)

首先介紹了可拋投移動(dòng)機(jī)器人的抗摔結(jié)構(gòu)，并基于Ls-dyna對(duì)機(jī)器人3種典型工況進(jìn)行了跌落仿真。結(jié)果表明3種工況下主要受力的部件不同，整體沒有發(fā)生零部件的斷裂，大部分都在材料的屈服點(diǎn)內(nèi)，因此滿足跌落6 m的設(shè)計(jì)工況。然后根據(jù)實(shí)際跌落試驗(yàn)暴露出來(lái)的電池?fù)p傷問題對(duì)電池部分進(jìn)行了仿真，并提出了改進(jìn)方案。最后對(duì)改進(jìn)后的機(jī)器人進(jìn)行了跌落試驗(yàn)，驗(yàn)證了可拋投移動(dòng)機(jī)器人6 m抗摔能力，以及改進(jìn)后的電池保護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)電池的保護(hù)作用。證明在拋投機(jī)器人跌落場(chǎng)景下，采用離散多體動(dòng)力學(xué)碰撞方程和有限元分析方法可以在設(shè)計(jì)階段有效驗(yàn)證和提升其內(nèi)部器件的抗摔能力。

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Drop Analysis and Deformation Optimization of Battery for Throwable Mobile Robot

ZHENG Hong-yuan, YUAN Jing, JIN Kun-feng

(Innovation Empowerment Center, Zhongdian Haikang Group Co., Ltd., Hangzhou 266555, China)

The work aims to simulate the drop of a throwable mobile robot and optimize the battery protection structure. In order to withstand a strong impact force of at least 6 meters, EVA and carbon fiber materials were selected for anti drop design of the throwable robot. Based on Ls-Dyna, a drop simulation was conducted on three working conditions of the throwable robot, exploring the force conditions of each component of the robot and the reasons for damage. At the same time, a drop simulation was conducted on the robot battery and its box structure to analyze the reasons for battery failure and propose improvement plans. This indicated the effectiveness of the overall anti drop design and did not exceed the yield point of the designed material. At the same time, it was found that the root cause of battery failure was the soft material of the battery and the insufficient envelope area of the protection structure. The optimized robot battery deformation was reduced by 60%, and the battery failure was fundamentally improved. After simulation and actual throwing verification, the proposed optimization method can be used to guide the anti-drop design of throwable and anti-drop robots.

throwable robot; anti-drop design; drop simulation; Ls-Dyna; battery protection

TP391.9

A

1001-3563(2023)17-0304-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.17.038

2023-03-30

責(zé)任編輯：曾鈺嬋