輪式機(jī)器人底盤(pán)的應(yīng)力應(yīng)變分析

程 穎 劉 安 高升華 段金水 陶華彪 李慧鰲（皖西學(xué)院 機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院，安徽 六安237012）

1 輪式機(jī)器人介紹

通常，地面移動(dòng)機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)底盤(pán)主要分為履帶式、腿式和輪式3 種，其中輪式機(jī)器人由于具備移動(dòng)速度快，控制方便的優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及日常生活方面有著較為廣泛的應(yīng)用。[1]而輪式移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)輪子的數(shù)量分為單輪、雙輪，三輪及四輪移動(dòng)機(jī)器人，其中三輪及四輪移動(dòng)機(jī)器人由于具有承載能力強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)控制相對(duì)簡(jiǎn)單，[2]易于在平面上行駛等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域有著較多的應(yīng)用，相應(yīng)的研究也比較多。

2 底盤(pán)的組成

底盤(pán)上作為輪式機(jī)器人的重要部件，安裝有驅(qū)動(dòng)裝置，前輪，后輪等部件。對(duì)底盤(pán)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，可以選擇性布置避障傳感器，激光傳感器，電子羅盤(pán)，主動(dòng)輪懸掛系統(tǒng)，從動(dòng)輪懸掛系統(tǒng)等。[3]在此底盤(pán)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，亦可根據(jù)需要安裝不同外殼，組裝成教育機(jī)器人，送餐機(jī)器人，陪護(hù)機(jī)器人等各種服務(wù)機(jī)器人，具有維護(hù)性強(qiáng)，降低機(jī)器人整機(jī)成本的優(yōu)點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

在四輪機(jī)器人中，驅(qū)動(dòng)方式一般分為三種：前輪轉(zhuǎn)向，后輪差速驅(qū)動(dòng)、兩輪驅(qū)動(dòng)+萬(wàn)向輪、四輪驅(qū)動(dòng)。現(xiàn)有的輪式機(jī)器人底盤(pán)中，前輪轉(zhuǎn)向，后輪差速驅(qū)動(dòng)采用兩個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)，其中一個(gè)電機(jī)與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成兩個(gè)前輪的控制，另一個(gè)電機(jī)結(jié)合差速結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)后輪，如圖1（a）所示。兩輪驅(qū)動(dòng)+萬(wàn)向輪布置靈活，如圖1（b）、（c），結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。四輪驅(qū)動(dòng)即采用四個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，如圖1（d），每一個(gè)車(chē)輪都是驅(qū)動(dòng)輪，車(chē)輪在凹凸不平的路面時(shí)不會(huì)互相影響，運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，具有較好的靈活性。[4]表1 為幾種驅(qū)動(dòng)類型的比較。

圖1 車(chē)輪布置方案

表1 驅(qū)動(dòng)類型的比較

根據(jù)參加比賽的機(jī)器人要求，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)靈活以及相關(guān)指令，采用四輪驅(qū)動(dòng)的方式，選擇圖1（d）的布局方案，選用內(nèi)置有輪毅電機(jī)的麥克納姆輪，麥克納姆輪于1973 年由瑞典工程師發(fā)明，它由一組圍繞輪體對(duì)稱放置的若干個(gè)全等輥?zhàn)咏M成，其中輥?zhàn)泳邆涮厥廨喞€，具有零轉(zhuǎn)半徑的特點(diǎn)，能夠在在平面內(nèi)做任意方向的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全方位移動(dòng)的功能。[5]

3 底盤(pán)上的受力分析

本次設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人底盤(pán)主要包括底盤(pán)框架以及四個(gè)麥克納姆輪，每個(gè)車(chē)輪內(nèi)設(shè)有輪轂電機(jī)。底盤(pán)作為機(jī)器人的重要組成部分，支撐結(jié)構(gòu)，幾乎承受了整個(gè)機(jī)器人的重量，機(jī)器人底盤(pán)上板與電機(jī)之間用方鋁固定連接，為機(jī)器人在不平整地面上的行駛過(guò)程中四個(gè)麥克納姆輪可以保持同時(shí)著地驅(qū)動(dòng)，[6]滿足正常工作時(shí)的強(qiáng)度和剛度要求，底盤(pán)的受載情況影響著底盤(pán)的結(jié)構(gòu)和形狀。底盤(pán)上設(shè)置有若干安裝孔，用于安裝通信、電源等模塊，考慮到機(jī)器人底盤(pán)的自重和受力情況，底盤(pán)材料選用鋁合金6061，彈性模量E=71GPa，泊松比μ=0.33，屈服強(qiáng)度σs=175MPa，底盤(pán)尺寸為160×200×4，建立的底盤(pán)的三維模型如圖2 所示。

圖2 底盤(pán)三維模型圖

圖3 底盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型的等效應(yīng)力與總變形云圖

根據(jù)底盤(pán)使用時(shí)的受力情況，將模型簡(jiǎn)化，約束設(shè)置在電機(jī)固定孔，底盤(pán)上的受力視為靜載荷，在支撐面上施加載荷，在ANSYS Workbench 中進(jìn)行計(jì)算，得出底盤(pán)結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和位移云圖如圖3 所示?？梢钥闯龅妆P(pán)結(jié)構(gòu)等效最大應(yīng)力為5.19MPa，底盤(pán)最大應(yīng)力變形為0.006mm，發(fā)生在底盤(pán)中間連接孔處，主要由于此處有用于安裝孔的應(yīng)力集中較為明顯，但是考慮到本次機(jī)器人的承重范圍，符合設(shè)計(jì)和使用要求，可以正常使用。

4 結(jié)論

根據(jù)本文分析的數(shù)據(jù)以及最大應(yīng)力及變形的位置，可以進(jìn)一步在滿足使用條件的情況下，調(diào)整底盤(pán)上的安裝孔的形狀和位置，為后續(xù)底盤(pán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與完善提供了相關(guān)參考。