基于响应面法的光伏清扫机器人结构优化设计

针对光伏清扫机器人质量较大、平稳性差及运行过程中容易发生偏摆等问题，首先对光伏清扫机器人结构进行了优化设计；其次在保证机器人结构的强度和刚度情况下，实现轻量化设计。以车架杆子厚度、防偏架厚度以及上下端板子的厚度作为设计变量，以机器人质量最轻、等效应力最小和变形最小作为目标函数，通过Box-Behnken试验方法设计了57个样本点，构建了响应面近似数学模型，并采用多目标遗传算法求最优解。结果表明：优化后的光伏清扫机器人的质量降低到18.35 kg，降低了30.9%，实现对机器人的轻量化设计。

当前生态环境的污染与不可再生能源的巨大消耗之间的关系日益恶化[1] [2] [3] [4] [5]；而随着太阳能电池板组件技术的不断发展和发电成本的降低，光伏发电产业进入了快速发展的时期，未来或将成为潜力最大、增长最快的新型能源[6]。但是由于光伏组件长期处于室外，容易被灰尘、落叶等覆盖，使光伏板的发电效率和使用寿命受到影响[7] [8] [9]。因此需要对光伏板进行定期清洗，来提高光伏发电效率[10] [11] [12] [13]。目前市面上大型光伏发电站普遍使用的清洁机器人，普遍存在质量较大、越障能力较差及在清扫过程中容易发生偏摆，导致机器人卡死等问题。为了解决上述存在的问题，需设计挂板式光伏清扫机器人的结构；以及在保证机器结构的强度、刚度的条件下，对机器人结构进行轻量化处理具有重大的研究意义和经济价值。

国内外诸多学者对机器人结构轻量化设计均进行了研究， 如陈清朋等将ANSYS 和ABAQUS 有限元软件相结合， 利用变密度拓扑优化方法， 实现对机翼肋板的轻量化设计[14]；栾宪超等利用基于非支配排序的NSGA-II 和基于分解的MOEA-D 多目标遗传算法对具备肌肉注射功能的蛇形机器人结构参数进行了优化[15]；Shanmugasundar G 等利用ANSYS 对5 自由度码垛机器人进行了结构优化设计， 成功减少了机器人的总质量[16]。Shihao Liu 等提出了一种集零阶优化、参数舍入、结构再优化于一体的二次优化设计方法，用其开发了具有参数化设计、轻量化设计等功能的龙门机床轻量化结构优化设计系统，完成某龙门机床龙门架的轻量化结构优化设计，优化了龙门架的结构参数[17]；Ya-Li Ma 提出了一种复杂结构件受力–性能–结构一体化结构拓扑与尺寸协同优化的轻量化设计方法；Luthfi A 等提出了一种基于A-FloW 人形机器人行走运动临界姿态的轻量级腿结构优化设计方法， 临界姿态可以从行走运动过程中机器人身体各关节的最大力和力矩中获得，从有限元分析(FEA)结果可以实现A-FLoW 仿人机器人的腿部结构轻量化设计[18]。

本文对光伏清扫机器人结构进行优化设计，在保证机器人强度和刚度的情况下，达到轻量化设计的目的。以车架杆子厚度、防偏架厚度以及上下端板子的厚度作为设计变量，通过Box-Behnken 试验方法进行实验设计，构建了响应面近似数学模型；以机器人质量最轻、等效应力最小和变形最小作为目标函数，采用基于响应面模型的多目标遗传算法求最优解，实现对机器人的轻量化设计。