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基於ANSYS的（de）移動機（jī）器人底盤結構穩定性分析

2017-3-24 來源：上海大學作者：高慧慧, 鮑晟,洪銀芳

摘要：以移動機器人自動打鉚係統（tǒng）為例，運用 UG 軟件對麥克納姆輪式移動機器人底盤結構實體建模。利用 ANSYS Workbench 軟件分析底盤結構（gòu）在四輪同時著地、單輪懸空和機械（xiè）手臂末端反衝力 3 種工況下的靜（jìng）態特性，得出（chū）不同工況下載荷分布對底盤結構穩定性的影響，為後續優化設計提供重要（yào）依據。

關鍵詞：移動（dòng）機器人底盤（pán）結構有限元分析穩定（dìng）性

隨著工業化的快速發展，對於機器（qì）人技術（shù）的應用研究越來越受到人們的重視和關注。全方位移動機器人是機器人家族中靈活性更（gèng）好（hǎo）、自主性更強、智能（néng）化更高的一員，在加工製造領域獲得越來越（yuè）多關注［1］。麥克納姆輪式全方位移動（dòng）機器人具有（yǒu）平麵內（nèi）的全部自由度，能夠實現橫向（xiàng）、縱向的平移和繞任意中心點（diǎn）的旋轉，可以在狹小空（kōng）間靈（líng）活運動到達目標位置［2］。與其它全方位移動機器人相比，麥克納姆輪式全方位（wèi）移動機器人在移動精度和承載能力等方麵具有明（míng）顯的優勢（shì），適用於（yú）工業應用需求。通過在麥克納姆輪式全方位移動（dòng）機器人平台上（shàng）添（tiān）加相應的操作臂［3］，增加了係統的柔性和適應性，可以進行搬運、打鉚、裝配等（děng）工作，同時也對機器（qì）人的（de）承載力、移動（dòng）穩定性和精確定位方麵（miàn）提出了更高要求。

底盤結（jié）構是移動機器（qì）人最重要的承載部件，承受著複雜的空間力和力矩作用［4］。為確保移動機器人的移動精度和運行性能，有（yǒu）必要采用有限元（yuán）法對該底（dǐ）盤結構進行靜（jìng）態穩定性分析［5］，以驗（yàn）證其可靠性（xìng），並為結構（gòu）優化設計提供參考。

筆者基於 ANSYS Workbench 軟件，分析（xī）底盤結構的靜態特性［6］，通過分析底盤結（jié）構在四輪同時著地、單輪懸空、機械手臂末端反（fǎn）衝力 3 種工況下的（de）穩定性，得（dé）出不同工況下載荷分布對其穩定性的影響（xiǎng），並加以校核與優化改進（jìn），使其滿（mǎn）足麥克納姆輪式全方位移動機器人（rén）的精（jīng）度和穩定性要求。

1.移動機器人及底盤結構

麥克納姆輪式（shì）全方位移動機器人由動力機構（gòu）、底盤結（jié）構、升降係統、底盤、三點支撐等組成。電機驅動克納姆輪，減速電機（jī）調節速度，底盤結（jié）構支撐整個車體（tǐ），升（shēng）降係統由螺旋升降組件提供動力，實現平台的升降，底盤輔助支撐起到加工時穩定車（chē）體作（zuò）用。

移動（dòng）機器人底盤作（zuò）為麥克（kè）納姆輪式全方位移動機器人的支撐機構，主要由兩組（zǔ）對稱主梁、兩對側梁以及上部結構安裝板組（zǔ）成，如圖（tú） 1 和圖 2 所示，其結構強度直接影響全方（fāng）位移動機器人的移（yí）動精度和運行性能。

2.移動機器人底盤結構模型建立（lì）

采用（yòng）有限元軟件建立底盤（pán）結構三維（wéi）模型［7］，底盤材料選取 Q235A。在 ANSYS Workbench 中對底盤模型進行自動劃分網格，單元格平均（jun1）質量（liàng）為 83，滿足有限元（yuán）分（fèn）析的要求，劃分結果如圖 3 所示。

3.移動（dòng）機器人底盤結構穩定性分析

對底（dǐ）盤結構的穩定性分（fèn）析分為（wéi） 3 種情況［8］：4 個輪子同時著地（dì）、單輪懸空、機械手臂末端反衝力的影響。

3.1 4 個麥（mài）克納姆輪同（tóng）時著地工（gōng）況分析

在 ANSYS Workbench 中對底盤結構施加載荷，可將底盤受（shòu）力（lì）看作恒等靜態載荷，對其支撐麵施加力約束，主要包括機器人自重（約280 kg）、電池自重（約150kg）、控製（zhì）箱自重（chóng）（約（yuē） 150 kg）、螺旋升降機構和其它（tā）輔助機構質量（約 60 kg，對底盤應變影響微小，分析時（shí）可忽略其大小）。施加載荷的相（xiàng）應位置分（fèn）別如圖 4 中的 B、C、D 所示。

在相應平麵（miàn）和軸上施加約束條件［9］:對 4 個麥克納姆輪支撐平（píng）麵進行固定約束和無摩擦約束，施加位置如圖 4 中 A；在 ANSYS Workbench 中（zhōng）進行計（jì）算（suàn），得到該工況下的等效應力和位移雲圖，得出底（dǐ）盤結構的最大應力、最大位移變形和位置，如圖 5 所示（shì）。

由圖 5 可見，底盤結構等效最大應力為 216.8MPa，發生在底盤中間橫梁（liáng）處；底（dǐ）盤最（zuì）大應力變形為2.575 mm，發生在底盤中間橫梁位置靠（kào）近前輪處；可以得出該工況下最大（dà）應力小於（yú）材料屈（qū）服強度 235 MPa，符合設計和使用要求。

3.2 單輪懸空工（gōng）況（kuàng）分（fèn）析

在路麵不平時車輪會出現單輪懸空狀況，難以保證底盤結構的強度（dù）、精度和運行性能，因此有必要對該工況進行分析［10］。底盤結（jié）構呈左右對稱布置，分別以底盤右後輪、右前輪（lún）懸空兩種工況為例分析。

（1）右後輪懸（xuán）空工況。底盤右後輪懸空時，在右（yòu）後輪處不加任何約束，對其餘 3 個麥克納姆輪（lún）施加固定約束和無摩（mó）擦約束（shù）；在 ANSYS Workbench 中（zhōng）分析計算，得到此工況下（xià）的底盤結構等效應力和總變形雲圖，如圖 6 所示。底盤等（děng）效（xiào）最（zuì）大應力為 260 MPa，發生在底盤中間（jiān）和前（qián）兩輪橫梁處，大於材料的（de）屈（qū）服強度 235MPa，所（suǒ）以該工況比較危（wēi）險，需要添加加強（qiáng）筋和橫梁減小應力分布（bù）。底盤最大變形為 2.88 mm，發生在不受約（yuē）束的右（yòu）後輪處。在底盤結構（gòu）後續的優化時（shí），需要添加橫梁或者改變（biàn）尺寸減小變形（xíng）。

（2）右前輪懸空工況分析。底盤右前輪懸空時，在右前輪處不（bú）加任何約束，對其餘 3 個麥克納姆輪施（shī）加（jiā）固定約束和無摩擦約束；在（zài） ANSYS Workbench 中分析計算，得到該工況下的（de）底盤結構等效應力和總變形雲圖，如圖 7 所示。底盤等效最大應力為 255.03 MPa，發生在底盤（pán）中間和左前（qián）輪橫梁處（chù），大於材料（liào）的屈服（fú）強度235 MPa，因此該工（gōng）況會引起底盤的破壞，需要添加加強筋來減小應力分布。底盤最大變形為（wéi） 4.35 mm，發（fā）生在底盤中間橫梁處和不受約束的（de）右前輪處。對底盤結構後（hòu）續的優化，應（yīng）該改變尺寸或者（zhě）添加橫（héng）梁減小變形。

綜上所述（shù），得出不同工況下的（de）分析結果：從圖 8 可知，全方位（wèi）移動機器人在路麵狀況良好時能夠（gòu）正常工作，查閱（yuè）設計手冊可知（zhī），結構強度滿足使用要求；在單（dān）輪懸空時受（shòu）力不理想，底盤結構出現較嚴重的扭（niǔ）轉變形，應盡量避（bì）免這（zhè）種（zhǒng）情況。

4.機械手臂末端反（fǎn）衝（chōng）力對底盤（pán）穩定（dìng）性的影響（xiǎng）

以機器人鑽鉚加工應用為例，在鑽鉚過程中（zhōng），機械臂末端反衝力引起的力和力矩對底盤結（jié）構（gòu）的穩定性會造成影響，因此，分析機械手臂反衝力的影響也（yě）是至關重要的［11-12］。

圖 5 底盤結（jié）構等效應力和總變形雲圖

圖 6 底盤結構等效應力和總變形

圖 7 底盤結構等效應力和總變形雲（yún）圖（tú）

以移動工（gōng）業機器人自動打鉚係統為（wéi）例，根（gēn）據機械臂型號和鉚槍型號，由實驗（yàn）估計機械手臂反衝力（lì）在30～5 000 N 範圍（wéi）內變化，機器人手臂末端距離底座高度約為 1 300 mm，可以計算出反衝力引起的附加力矩在39～6 500 N·m 範圍內變化。

分析最大反（fǎn）衝力 F=5 000 N 對移動機械（xiè）手臂（bì）底（dǐ）盤結構穩定性的影響。經 ANSYS Workbench 分（fèn）析計算，得到底（dǐ）盤結構的等效應力和總變形（xíng）雲圖，如圖 9 所示。危險位（wèi）置（zhì）發生在底盤中間橫梁處（chù），底（dǐ）盤等效最大應力為 243.63 MPa，大於材料的屈服強度極限 235 MPa，底盤結構嚴（yán）重扭轉變形。底盤最（zuì）大變形為 0.866 mm，發（fā）生在（zài）底盤中間橫梁（liáng）並靠近後輪位（wèi）置。

由（yóu）實驗數據得出（chū）結論：當（dāng）機械手臂（bì）末端的反衝（chōng）力（lì）小於 5 000 N 時，底盤結構的應力（lì）和位（wèi）移變形（xíng）滿足強度要求；當反衝力大於 5 000 N 時，底（dǐ）盤結構出現嚴重扭轉變形，穩定性受到嚴重影響，全方位移動機器人不能正常工作（zuò），需要對底（dǐ）盤結（jié）構進行後續的優化與改（gǎi）進。

圖 9 底盤結（jié）構等效應力雲圖和結構總變形圖（F=5 000 N）

5.總（zǒng）結

分析了底盤（pán）結構在四輪同時著地、單輪懸空和機械手（shǒu）臂末端反衝力 3 種工況下的穩定性，得出最（zuì）大應力和最大變形的位置，理論分析結果與實（shí）際情況相符，驗證了有限元分析的正確性。實驗證明，該底盤結（jié）構的強度和變形完全符合實際要求（qiú），單輪懸空工（gōng）況由於會（huì）導致較大扭轉形變，應盡量避免；根據（jù）本文分析的數據（jù）以及最大應力及變形的位置（zhì），為後續底盤結構的優化設計與完善（shàn）提（tí）供了重要依據；對後續的移動機械臂係統的關鍵結構（gòu）的優（yōu）化（huà）分析提供了（le）借鑒和保（bǎo）障。

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