基于ANSYS的移動機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系統為例，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 軟件分析底盤結構在四輪同時著地、單輪懸空和機械手臂末端反沖力 3 種工況下的靜態特性，得出不同工況下載荷分布對底盤結構穩定性的影響，為后續優化設計提供重要依據。
關鍵詞：移動機器人 底盤結構 有限元分析 穩定性
隨著工業化的快速發展， 對于機器人技術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好、自主性更強、智能化更高的一員，在加工制造領域獲得越來越多關注［1］。 麥克納姆輪式全方位移動機器人具有平面內的全部自由度， 能夠實現橫向、 縱向的平移和繞任意中心點的旋轉，可以在狹小空間靈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移動機器人在移動精度和承載能力等方面具有明顯的優勢，適用于工業應用需求。通過在麥克納姆輪式全方位移動機器人平臺上添加相應的操作臂［3］，增加了系統的柔性和適應性 ，可以進行搬運、打鉚、裝配等工作，同時也對機器人的承載力、移動穩定性和精確定位方面提出了更高要求。
底盤結構是移動機器人最重要的承載部件， 承受著復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， 有必要采用有限元法對該底盤結構進行靜態穩定性分析［5］，以驗證其可靠性 ，并為結構優化設計提供參考。
筆者基于 ANSYS Workbench 軟件，分析底盤結構的靜態特性［6］，通過分析底盤結構在四輪同時著地 、單輪懸空、機械手臂末端反沖力 3 種工況下的穩定性，得出不同工況下載荷分布對其穩定性的影響， 并加以校核與優化改進， 使其滿足麥克納姆輪式全方位移動機器人的精度和穩定性要求。
1.移動機器人及底盤結構
麥克納姆輪式全方位移動機器人由動力機構、底盤結構、升降系統、底盤、三點支撐等組成。電機驅動克納姆輪， 減速電機調節速度， 底盤結構支撐整個車體，升降系統由螺旋升降組件提供動力，實現平臺的升降，底盤輔助支撐起到加工時穩定車體作用。
移動機器人底盤作為麥克納姆輪式全方位移動機器人的支撐機構，主要由兩組對稱主梁、兩對側梁以及上部結構安裝板組成，如圖 1 和圖 2 所示，其結構強度直接影響全方位移動機器人的移動精度和運行性能。
2.移動機器人底盤結構模型建立
采用有限元軟件建立底盤結構三維模型［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，單元格平均質量為 83，滿足有限元分析的要求，劃分結果如圖 3 所示。
3.移動機器人底盤結構穩定性分析
對底盤結構的穩定性分析分為 3 種情況［8］：4 個輪子同時著地、單輪懸空、機械手臂末端反沖力的影響。
3.1 4 個麥克納姆輪同時著地工況分析
在 ANSYS Workbench 中對底盤結構施加載荷，可將底盤受力看作恒等靜態載荷， 對其支撐面施加力約束，主要包括機器人自重（約280 kg）、電池自重（約150kg）、控制箱自重 （約 150 kg）、螺旋升降機構和其它輔助機構質量（ 約 60 kg，對底盤應變影 響 微 小 ，分析時可忽略其大?。?。施加載荷的相應位置分別如圖 4 中的 B、C、D 所示。
在相應平面和軸上施加約束條件［9］:對 4 個麥克納姆輪支撐平面進行固定約束和無摩擦約束， 施加位置如圖 4 中 A；在 ANSYS Workbench 中進行計算，得到該工況下的等效應力和位移云圖， 得出底盤結構的最大應力、最大位移變形和位置，如圖 5 所示。
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處 ； 底盤最大應力變形為2.575 mm，發生在底盤中間橫梁位置靠近前輪處 ；可以得出該工況下最大應力小于材料屈服強度 235 MPa，符合設計和使用要求。
3.2 單輪懸空工況分析
在路面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、精度和運行性能，因此有必要對該工況進行分析［10］。 底盤結構呈左右對稱布置，分別以底盤右后輪、右前輪懸空兩種工況為例分析。
（1） 右后輪懸空工況。 底盤右后輪懸空時，在右后輪處不加任何約束， 對其余 3 個麥克納姆輪施加固定約束和無摩擦約束； 在 ANSYS Workbench 中分析計算，得到此工況下的底盤結構等效應力和總變形云圖，如圖 6 所示。 底盤等效最大應力為 260 MPa，發生在底盤 中 間 和 前 兩 輪橫梁處，大于材料的 屈 服 強 度 235MPa，所以該工況比較危險 ，需要添加加強筋和橫梁減小應力分布。 底盤最大變形為 2.88 mm，發生在不受約束的右后輪處。在底盤結構后續的優化時，需要添加橫梁或者改變尺寸減小變形。
（2） 右前輪懸空工況分析。 底盤右前輪懸空時，在右前輪處不加任何約束， 對其余 3 個麥克納姆輪施加固定約束和無摩擦約束；在 ANSYS Workbench 中分析計算， 得到該工況下的底盤結構等效應力和總變形云圖，如圖 7 所示。 底盤等效最大應力為 255.03 MPa，發生在底盤中間和左前輪橫梁處， 大于材料的屈服強度235 MPa，因此該工況會 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 4.35 mm，發生在底盤中間橫梁處和不受約束的右前輪處。 對底盤結構后續的優化，應該改變尺寸或者添加橫梁減小變形。
綜上所述，得出不同工況下的分析結果：從圖 8 可知， 全方位移動機器人在路面狀況良好時能夠正常工作，查閱設計手冊可知，結構強度滿足使用要求；在單輪懸空時受力不理想， 底盤結構出現較嚴重的扭轉變形，應盡量避免這種情況。
4.機械手臂末端反沖力對底盤穩定性的影響
以機器人鉆鉚加工應用為例，在鉆鉚過程中，機械臂末端反沖力引起的力和力矩對底盤結構的穩定性會造成影響，因此，分析機械手臂反沖力的影響也是至關重要的［11-12］。
圖 5 底盤結構等效應力和總變形云圖
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云圖
以移動工業機器人自動打鉚系統為例， 根據機械臂型號和鉚槍型號，由實驗估計機械手臂反沖力在30～5 000 N 范圍內變化，機器人手臂末端距離底座高度約為 1 300 mm， 可以計算出反沖力引起的附加力矩在39～6 500 N·m 范圍內變化。
分析最大反沖力 F=5 000 N 對移動機械手臂底盤結構穩定性的影響。 經 ANSYS Workbench 分析計算，得到底盤結構的等效應力和總變形云圖，如圖 9 所示。危險位置發生在底盤中間橫梁處， 底盤等效最大應力為 243.63 MPa，大于材料的屈服強度極限 235 MPa，底盤結構嚴重扭轉變形。 底盤最大變形為 0.866 mm，發生在底盤中間橫梁并靠近后輪位置。
由實驗數據得出結論： 當機械手臂末端的反沖力小于 5 000 N 時， 底盤結構的應力和位移變形滿足強度要求；當反沖力大于 5 000 N 時，底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，需要對底盤結構進行后續的優化與改進。
圖 9 底盤結構等效應力云圖和結構總變形圖（F=5 000 N）
5.總結
分析了底盤結構在四輪同時著地、 單輪懸空和機械手臂末端反沖力 3 種工況下的穩定性， 得出最大應力和最大變形的位置，理論分析結果與實際情況相符，驗證了有限元分析的正確性。實驗證明，該底盤結構的強度和變形完全符合實際要求， 單輪懸空工況由于會導致較大扭轉形變，應盡量避免；根據本文分析的數據以及最大應力及變形的位置， 為后續底盤結構的優化設計與完善提供了重要依據； 對后續的移動機械臂系統的關鍵結構的優化分析提供了借鑒和保障。
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