白程瀚 李縣法

【摘 要】本文對(duì)可在山地和城市內(nèi)作業(yè)的機(jī)器人用底盤(pán)做了動(dòng)力學(xué)分析和有限元分析。首先使用RecurDyn完成了底盤(pán)動(dòng)力學(xué)模型的建立，并且模擬了地盤(pán)在平地行駛和在軟土面的極限爬坡，最后利用Ansys結(jié)合動(dòng)力學(xué)分析得出的數(shù)據(jù)完成了靜力學(xué)分析與模態(tài)分析。

【關(guān)鍵詞】履帶底盤(pán)；動(dòng)力學(xué)仿真；有限元分析；RecurDyn；Ansys

一、緒論

為了解決人工作業(yè)的短板，各種用于運(yùn)輸、救援和軍事任務(wù)的可移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。[1]這些機(jī)器人的移動(dòng)底盤(pán)大致上可分為輪式、履帶式和腿式。其中，履帶底盤(pán)具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、性能可靠、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛用于執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器人底盤(pán)中，用以代替人進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)或者到達(dá)人力難以實(shí)戰(zhàn)工作的地方工作。[2]

二、履帶底盤(pán)的結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵參數(shù)

（一）底盤(pán)的總體結(jié)構(gòu)與性能

本次分析的履帶底盤(pán)是適用于復(fù)雜工況的中小型機(jī)器人的履帶底盤(pán)，采用倒梯形履帶布局，輪孔式驅(qū)動(dòng)和半剛性懸架結(jié)構(gòu)。車(chē)架由鋁板和鋁方管焊接而成，采用雙電機(jī)直接輸出至驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪推動(dòng)橡膠履帶的傳動(dòng)形式，可在室內(nèi)和山地進(jìn)行作業(yè)，其整體模型如圖1。

（二）底盤(pán)的關(guān)鍵參數(shù)

此底盤(pán)為總重為120kg的機(jī)器人設(shè)計(jì)，其中輪系重量為30kg，運(yùn)輸質(zhì)量為20kg。總體尺寸約為900x700x400mm。履帶接地長(zhǎng)度為530mm，履帶的節(jié)距為60mm，履帶寬為148mm，其兩側(cè)都安裝了兩個(gè)并聯(lián)的500N/cm的彈簧減震器，并且使用了兩個(gè)廣東東莞中大力德電機(jī)公司的Z5BLD60無(wú)刷直流電機(jī)作為動(dòng)力源。

三、基于RecurDyn的動(dòng)力學(xué)仿真

（一）動(dòng)力學(xué)模型的建立

首先將車(chē)架的模型導(dǎo)入至RecurDyn中，然后根據(jù)輪系的參數(shù)建立履帶輪系，建立履帶輪系后完善底盤(pán)的張緊裝置和懸架裝置，之后添加約束。最后在驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)為STEP（0，0.1，0.5，830D），可解釋為驅(qū)動(dòng)輪的角速度從0.1s開(kāi)始從0開(kāi)始增加，在0.5s達(dá)到830°/s的最高值并維持這個(gè)轉(zhuǎn)速。

（二）底盤(pán)在各工況下模擬和驗(yàn)證

1、小車(chē)在硬質(zhì)平路面運(yùn)行的模擬

建立兩個(gè)直線段，分別為兩條地面的輪廓線。由于直線段比較簡(jiǎn)單，所建立的坐標(biāo)點(diǎn)比較少，分別為（-500，-215，400），（25000，-215，400）和（-500，-215，-400），（25000，-215，-400），而模擬硬質(zhì)路面時(shí)并不需要定義履帶接觸參數(shù)。開(kāi)始仿真，設(shè)置運(yùn)行時(shí)間為6s，計(jì)算步驟為350步。

車(chē)經(jīng)過(guò)加速后和驅(qū)動(dòng)中設(shè)置的一樣，速率在0.5s時(shí)達(dá)到1000mm/s的峰值后，速度經(jīng)過(guò)小幅度的波動(dòng)后逐漸進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，最終速度穩(wěn)定在970mm/s上下并保持13Hz左右的小幅度的波動(dòng)。總體而言，在平整路面的運(yùn)行速度比較平穩(wěn)。

在平地上行駛的過(guò)程中小車(chē)沿著運(yùn)行方向垂直方向的速度存在一定波動(dòng)，但偏航速度的峰值不超過(guò)±5mm/s，偏航距離也只有5mm，偏航在可接受的范圍。

在此工況行駛時(shí)，小車(chē)垂直方向受的加速度較小，運(yùn)行達(dá)到一定狀態(tài)后總體上比較平穩(wěn)。

2、小車(chē)在山地爬坡的模擬

由于山地的路面不是硬質(zhì)路面，需要在模擬時(shí)需要另外設(shè)置履帶和地面的接觸參數(shù)。建立的路面與前一節(jié)建立的路面相似，只是迎合在松軟地面達(dá)到40°爬坡角的要求。而履帶與地面的接觸參數(shù)可在履帶節(jié)嚙合模塊進(jìn)行修改，改為了軟件中自帶的黏性土（Clayey soil），建立路面和路面參數(shù)后即可進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間設(shè)置為6s，計(jì)算步驟為350步。

小車(chē)可以在軟土路況下攀爬40°的斜坡。1s左右，小車(chē)開(kāi)始爬坡，小車(chē)在爬坡的初期，速度不穩(wěn)定，整體有一個(gè)外翻趨勢(shì)，到2s左右才達(dá)到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的速率。4s時(shí)重心離開(kāi)斜坡，整車(chē)掉落至平地后依靠減震裝置的作用速度逐漸趨近于一個(gè)穩(wěn)定值。

在此工況運(yùn)行時(shí)，小車(chē)在離坡時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)。在軟路面運(yùn)行時(shí)因?yàn)槁膸孪莸脑?，總體偏移量較小。總體而言，在軟土面的偏移量比起在硬質(zhì)路面小。雖然整體偏移的位移不大，只有5.5mm左右，整車(chē)的運(yùn)行穩(wěn)定性也較高。

在爬坡過(guò)程中小車(chē)的縱向加速度較為不穩(wěn)定，產(chǎn)生許多負(fù)方向的加速度，這和坡度較高導(dǎo)致底盤(pán)產(chǎn)生后翻傾向有關(guān)。

四、車(chē)架的有限元分析

（一）車(chē)架的靜力學(xué)分析

1、模型的導(dǎo)入和材料定義

建立的模型導(dǎo)出格式為x_t即可導(dǎo)入至Workbench中用以進(jìn)行有限元分析。由于整體材料使用的是鋁制材料，所以本次設(shè)計(jì)采用了Workbench材料庫(kù)中自帶的鋁合金材料（Aluminum Alloy）。

2、定義接觸并施加載荷與約束

車(chē)架各零件大部分為焊接的形式，在模型中鋁方管和鋁板上焊接的位置的接觸全部定義為bonded，唯一不同的接觸類(lèi)型是張緊機(jī)構(gòu)的內(nèi)外導(dǎo)軌面的接觸形式定義為摩擦系數(shù)為0.2的摩擦接觸，最后在承重輪架安裝軸和減震器安裝軸的載荷面上添加合約束（Fixed Support）。施加載荷方面，車(chē)體所受最大正方向加速度為2000mm/s2，以車(chē)架在滿載狀態(tài)下的承載質(zhì)量為100kg計(jì)算，總載荷為3kN。載荷分配為在電機(jī)安裝孔受力0.9kN，在車(chē)架上方分配2.1kN的載荷。同時(shí)，也添加了張緊力對(duì)車(chē)架的載荷，張緊力帶大小為100N。

3、劃分網(wǎng)格并求解

本次將網(wǎng)格大小自定義為5mm，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為974982，網(wǎng)格數(shù)量為423860。

最大等效應(yīng)力為37.7MPa，產(chǎn)生于鋁方管與鋁板的焊接位置附近。承重輪架軸處也產(chǎn)生了約25MPa的應(yīng)力集中區(qū)。而總體上來(lái)看，在車(chē)架產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于車(chē)架使用的鋁合金材料的屈服強(qiáng)度，所以，此車(chē)架完全滿足排爆小車(chē)底盤(pán)在運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

最大的變形量為0.16mm，產(chǎn)生在車(chē)尾處。整體上的變形量規(guī)律為越接近前后兩端，變形量越大；越接近頂部，變形量也越大?？傮w而言，0.16mm的位移數(shù)值較小，符合本次的設(shè)計(jì)要求。

（二）車(chē)架的模態(tài)分析

第一階固有頻率為157.57Hz，振型為圍繞z軸的彎曲運(yùn)動(dòng)；第二階固有頻率為180.25Hz，振型同樣為繞z軸的彎曲運(yùn)動(dòng)；第三到第五階的振型為均為繞x軸的彎曲運(yùn)動(dòng)，固有頻率分別為247.18Hz、283.03Hz和332.37Hz；第六階固有頻率為342.28Hz，振型為圍繞z軸的彎曲運(yùn)動(dòng)。而在設(shè)計(jì)中均沒(méi)有設(shè)計(jì)工作頻率接近這些數(shù)據(jù)的原件，底盤(pán)符合安全要求。

五、結(jié)論

（1）本文依靠RecurDyn對(duì)已經(jīng)完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的履帶式機(jī)器人進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。仿真結(jié)果為，此底盤(pán)在動(dòng)力性、穩(wěn)定性和通過(guò)性上均有良好的表現(xiàn)。

（2）使用Ansys Workbench結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真中得到的數(shù)據(jù)，對(duì)車(chē)架進(jìn)行了靜力學(xué)分析與模態(tài)分析。分析結(jié)果顯示車(chē)架滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也沒(méi)有因?yàn)楣舱袼a(chǎn)生嚴(yán)重毀壞的可能。

參考文獻(xiàn)：

[1]李琳.反恐排爆機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].太原理工大學(xué).

[2]劉鐵軍.小型排爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究[D].南京理工大學(xué).