全方位轮式移动机器人车体设计及分析

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1、全方位轮式移动机器人车体设计及分析倪广树王力秦战龙【文章】本文将全方位轮式移动机器人的整体结构作为研究对象，根据作用于车体机构的外载荷确定了整体结构的受力状态，对车体结构进行了设计。根据设计结果在ANSYS中建立了结构模型，进行刚度校核并对移动机器人结构的动力学特性进行了有限元数值计算.通过数值分析计算发现，在车体构件重量减小，静特性没有明显改变的条件下，固有频率有所提高,达到了保持结构基本动力学品质指标。【关键词】全方位移动机器人；动力学；有限元；优化设计1移动机器人车体结构设计全方位轮式移动机器人整体采用对称结构，由2个可操舵驱动轮，4个带有减震的自由轮，以及钢结构车

2、体构成，外观如图1所示。操舵驱动轮布置在车体的中间相对称，每个驱动轮都有一个伺服驱动电机与行星减速器，操舵轮则采用伺服电机与谐波减速器，结构选取40×40的方钢对移动机器人的整体结构进行焊接搭建，底盘采用8mm钢板，机器人的几何模型如图2所示，车体中部用于装载控制系统pmac、电机驱动器、逆变器、电池以及其他各种设备。图1图2机器人的整体结构要求从强度和刚度上满足机器人运行和加速时的要求，同时又不能太重，外形上要便于各个模块的安装和拆卸，设计上要简单可靠。机器人的主要承重是负载、电池的重量、机器人的自重以及执行机构的重量。2移动机器人车体的有限元模型移动机器人车体的强度和

3、刚度直接关系到机器人的行走性能和精度，因此是衡量机器人移动平台设计成败的关键，对底盘进行强度刚度分析十分必要。本文采用数值模拟的方法，利用ANSYS软件，建立移动机器人车体的有限元模型。具体实现步骤如下：1）建立分析模型首先需要将分析对象的结构模型转换为便于分析的结构分析模型或力学模型，在这个转换中首要的是对分析对象进行简化，并确保原始分析对象的主要结构力学性能不发生变化。针对本文所研究的机器人结构特点和工作状况，按照以下三条建模原则进行了建模：a对于明显不会影响机身整体强度、刚度的部位，如螺钉孔、销孔、圆角等予以简化、不作考虑；b机器人正常运行时，必须保证行走机构在一条

4、直线上，也就是说，机架的下平面要保证平行度，机架的变形要小；c机器人主要的重量集中在负载和电池上，因此负载对车架的载荷施加主要设定在载荷对车架的区域，电池载荷施加在电池所在的区域内。2）单元类型的选取机架是由40╳40的方钢焊接而成的，形状比较规则,车体底板采用8mm厚的钢板，侧板采用2mm的钢板。选用ANSYS的Solid186建立车体结构优化模型，弹性模量为2.07E+11，泊松比为0.3。图4图53）单元的划分单元的划分应遵循“均匀应力区域粗划，应力梯度大的区域细划”的原则，具体到机器人本体上，X格应细划的位置是钢管之间的焊接处、电池箱所对应的位置、车轮机构与之连接

5、的位置的位置等部位，其余地方粗划即可，如图4所示。一般来说，单元划分的越细计算精度就越高，但单元划分存在一条收敛曲线，过细对计算的精度贡献不大，同时造成计算量的陡增。另外，过细有时还会产生计算精度的漂移与误差。4）边界条件的施加机器人本体静态分析的边界条件包括两个方面：载荷的施加和边界约束。载荷主要是来自于负载、电池的重量，再加上其他逆变器、控制器等承重。边界约束为两个操舵驱动轮与带有减震的四个自由轮对其向上的支撑。在计算机中建立的移动机器人车体有限元模型如图5所示。3移动机器人车体结构的动力学特性数值计算3.1结构静力分析在前述的工作基础上，完全获得了移动机器人车体结构

6、的动力学分析的有限元计算模型，进行刚度及强度计算，由于承重500kg，进行简化加载到车体方钢上，即车体的长方钢上加载26042pa，宽方向的方钢上加载36764pa。经过在计算机上运算，可以得出在静止条件下的变形图。结构优化前静力分析：图6图7ANSYS分析可以得到各个方向的变形，其中总变形图显示的是各向变形的矢量和。在本文中，移动机器人车体的变形主要表现在垂直方向，即Z向，故还需考虑Z向变形图。结构优化前移动机器人车体的总变形图如图6所示，Z向变形分布如图7所示，得出变形为11.45um，即静特性好。3.2模态分析模态分析是研究结构动态性能的基础，移动机器人车体结构可看

7、成一个多自由度弹性振动系统，作用于这个系统的各种激振力就是使移动机器人车体产生复杂振动的动力源。本文中，引起移动机器人车体激振力的因素主要是机器人行驶时路面不平度对车轮作用的随机激振。如果此激励力的激振频率和车架的某一固有频率相吻合时，就会产生共振，并导致在车架上某些部位产生数值很大的共振动载荷，会造成车架的破坏。本文先以模态分析求出车架的固有频__率和振型，并在此基础上分析路面不平度对车架作用的随机激振情况，确定车架的动态特性。本文计算移动机器人车体结构的低阶模态频率及模态振型，得到前六阶模态频率的数值解。优化前车体从第一阶