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

【文章摘要】

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5

3）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，网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7

ANSYS 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到第二阶对应的弹性体模态变形图如图9、图10 所示。车体优化前模态分析：

图8

图9

模态分析结果表明，其一阶频率为55.5HZ，由于路面不平度的激励频率大都集中在 0-20Hz 之间，故车体可有效避免由于道路载荷而引起的共振。

4 移动机器人车体结构的减重优化设计

4.1 减重优化模型分析

从减重优化设计角度考虑问题，尚需顾及移动机器人车体的承载性能、结构体的噪声抑制功能以及其他力学性能的技术要求，因此，仅以结构体的动力学特性实施结构减重不能以大面积的结构减重为主，特别虑及结构的细节形态更是如此。本文首先分析了对结构体动力学振型影响的非敏感变量，面对这些非敏感变量在适当的尺寸范围内实施减重优化设计是可行的。结构减重优化的目的在于在不严重降低结构动力学品质的条件下，尽量减轻结构重量。减轻结构重量有可能使其刚度降低，而质量的减小又可能会使固有频率增大。由于路面激振频率比较低，故本文的车体结构优化是在保证移动机器人车体的固有频率不降低的情况下，减小其结构重量。决定车体重量的各种变量，如梁架的长度、宽度、钢板的厚度等，优化时要保证在移动机器人车体静特性基本不变、固有频率增大的情况下，尽量减小其重量。

4.2 结构体动力学振型的非敏感变量分析

通过研究结构体的模态振型发现，在弹性模态振型中，车体结构以弯曲变形为主，因此可以认为，对于梁架结构而言，其轴向刚度对于模态振型可视为非敏感变量。因此，在减重优化设计分析中，对非主要承重处的梁的截面积，即钢板的厚度予以适当减小。为提高效率，对钢板的承载处多加两根筋板，保证结构的承载性能。

4.3 结构优化后的动力学特性计算与优化前同样的加载条件，承重500kg，进行简化加载到车体方钢上，即车体的长方向的方钢上加载26042pa，宽方向的方钢上加载36764pa。优化后静力学分析：

图10

图11

由上图分析可知，车体结构优化后Z 向变形最大为9.9um，车体结构优化前的整体变形和Z 向变形最大为11.4um，相对于减小了1.5um，由于优化后变形减小，即整体静特性有所提高。车体优化后模态分析：图12图13由上图分析可知，车体结构优化后的模态值都比优化前的模态值提高了很多，远离共振频率点。

4.4 结构体优化结果

优化的最终结果：车体优化前质量为121.7kg，优化后的质量为94kg，优化后的移动机器人车体结构质量比优化前的移动机器人车体结构质量为减少了 17.7kg。优化后车体的静力学变形相对于优化前减小了1.5um，静力学特性有所提高，满足设计要求。通过表一和表二，结构减重的优化设计后的模态频率结果对比原始设计的模态频率解结果可以看出，模态频率解的变化提高很多，这说明本文对非敏感变量的分析是正确的，且减重优化设计达到了既定目标。

5 结论

本文针对移动机器人的负载及移动特征，结合有限元分析，对其车体进行了刚度设计及校核，并利用 ANSYS 软件对其进行了模态分析，根据分析结果进行了减重优化设计，得到结论如下：

（1）对移动移动机器人车体结构进行了整体外形及强度设计，并在 ANSYS 中进行建模仿真，对其强度和刚度进行有限元校核分析，结果证明该设计可以满足移动移动机器人车体结构的要求。

（2）对移动移动机器人车体结构进行模态分析，得到其低阶模态频率及模态振型，分析结果证明该车架可有效避免由于道路载荷而引起的共振。

（3）根据移动机器人车体的模态振型分析出移动机器人车体结构的非敏感变量，对其进行减重优化，数值计算结果表明车体结构经过改进设计，既减轻了重量，又提高了频率，且变形还有所减小。

【参考文献】

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[2]Mori,Y;Nakano,E;Takahashi,T;Takayama,K.A study on the mechanism and control ofomni -di recti onal vehi cl e,1996

[3] 王云霞. 机器人结构动力学有限元数值计算及优化分析[C]. 全国高等学校制造自动化研究会第十三届学术年会论文集，2008

【作者简介】

倪广树（1963-），男，陕西省咸阳市人，汉族，资深结构设计师，工学学士，主要从事机械电子结构方面的研究与开发。王力，西安理工大学硕士研究生，主要从事：机械CAD/CAM 和旋转机械动力学方面的研究。__