輪式機器人底盤的應力應變分析

程 穎 劉 安 高升華 段金水 陶華彪 李慧鰲（皖西學院 機械與車輛工程學院，安徽 六安237012）

1 輪式機器人介紹

通常，地面移動機器人的行駛機構底盤主要分為履帶式、腿式和輪式3 種，其中輪式機器人由于具備移動速度快，控制方便的優點，在農業、工業以及日常生活方面有著較為廣泛的應用。[1]而輪式移動機器人根據輪子的數量分為單輪、雙輪，三輪及四輪移動機器人，其中三輪及四輪移動機器人由于具有承載能力強、驅動控制相對簡單，[2]易于在平面上行駛等優點，在各個領域有著較多的應用，相應的研究也比較多。

2 底盤的組成

底盤上作為輪式機器人的重要部件，安裝有驅動裝置，前輪，后輪等部件。對底盤進行模塊化設計，可以選擇性布置避障傳感器，激光傳感器，電子羅盤，主動輪懸掛系統，從動輪懸掛系統等。[3]在此底盤設計的基礎上，亦可根據需要安裝不同外殼，組裝成教育機器人，送餐機器人，陪護機器人等各種服務機器人，具有維護性強，降低機器人整機成本的優點，有廣泛的應用場景。

在四輪機器人中，驅動方式一般分為三種：前輪轉向，后輪差速驅動、兩輪驅動+萬向輪、四輪驅動。現有的輪式機器人底盤中，前輪轉向，后輪差速驅動采用兩個電機實現底盤的運動，其中一個電機與轉向機構完成兩個前輪的控制，另一個電機結合差速結構驅動兩個后輪，如圖1（a）所示。兩輪驅動+萬向輪布置靈活，如圖1（b）、（c），結構相對簡單。四輪驅動即采用四個輪子作為驅動輪，如圖1（d），每一個車輪都是驅動輪，車輪在凹凸不平的路面時不會互相影響，運動能力強，具有較好的靈活性。[4]表1 為幾種驅動類型的比較。

圖1 車輪布置方案

表1 驅動類型的比較

根據參加比賽的機器人要求，機器人要實現運動靈活以及相關指令，采用四輪驅動的方式，選擇圖1（d）的布局方案，選用內置有輪毅電機的麥克納姆輪，麥克納姆輪于1973 年由瑞典工程師發明，它由一組圍繞輪體對稱放置的若干個全等輥子組成，其中輥子具備特殊輪廓曲線，具有零轉半徑的特點，能夠在在平面內做任意方向的移動，從而實現機器人全方位移動的功能。[5]

3 底盤上的受力分析

本次設計的輪式機器人底盤主要包括底盤框架以及四個麥克納姆輪，每個車輪內設有輪轂電機。底盤作為機器人的重要組成部分，支撐結構，幾乎承受了整個機器人的重量，機器人底盤上板與電機之間用方鋁固定連接，為機器人在不平整地面上的行駛過程中四個麥克納姆輪可以保持同時著地驅動，[6]滿足正常工作時的強度和剛度要求，底盤的受載情況影響著底盤的結構和形狀。底盤上設置有若干安裝孔，用于安裝通信、電源等模塊，考慮到機器人底盤的自重和受力情況，底盤材料選用鋁合金6061，彈性模量E=71GPa，泊松比μ=0.33，屈服強度σs=175MPa，底盤尺寸為160×200×4，建立的底盤的三維模型如圖2 所示。

圖2 底盤三維模型圖

圖3 底盤結構簡化模型的等效應力與總變形云圖

根據底盤使用時的受力情況，將模型簡化，約束設置在電機固定孔，底盤上的受力視為靜載荷，在支撐面上施加載荷，在ANSYS Workbench 中進行計算，得出底盤結構的等效應力和位移云圖如圖3 所示。可以看出底盤結構等效最大應力為5.19MPa，底盤最大應力變形為0.006mm，發生在底盤中間連接孔處，主要由于此處有用于安裝孔的應力集中較為明顯，但是考慮到本次機器人的承重范圍，符合設計和使用要求，可以正常使用。

4 結論

根據本文分析的數據以及最大應力及變形的位置，可以進一步在滿足使用條件的情況下，調整底盤上的安裝孔的形狀和位置，為后續底盤結構的優化設計與完善提供了相關參考。