機器人用履帶底盤的動力仿真與有限元分析

白程瀚 李縣法

【摘 要】本文對可在山地和城市內作業的機器人用底盤做了動力學分析和有限元分析。首先使用RecurDyn完成了底盤動力學模型的建立，并且模擬了地盤在平地行駛和在軟土面的極限爬坡，最后利用Ansys結合動力學分析得出的數據完成了靜力學分析與模態分析。

【關鍵詞】履帶底盤；動力學仿真；有限元分析；RecurDyn；Ansys

一、緒論

為了解決人工作業的短板，各種用于運輸、救援和軍事任務的可移動機器人應運而生。[1]這些機器人的移動底盤大致上可分為輪式、履帶式和腿式。其中，履帶底盤具有結構較簡單、性能可靠、靈活性好等優點，所以被廣泛用于執行復雜任務的機器人底盤中，用以代替人進行危險作業或者到達人力難以實戰工作的地方工作。[2]

二、履帶底盤的結構與關鍵參數

（一）底盤的總體結構與性能

本次分析的履帶底盤是適用于復雜工況的中小型機器人的履帶底盤，采用倒梯形履帶布局，輪孔式驅動和半剛性懸架結構。車架由鋁板和鋁方管焊接而成，采用雙電機直接輸出至驅動輪，驅動輪推動橡膠履帶的傳動形式，可在室內和山地進行作業，其整體模型如圖1。

（二）底盤的關鍵參數

此底盤為總重為120kg的機器人設計，其中輪系重量為30kg，運輸質量為20kg。總體尺寸約為900x700x400mm。履帶接地長度為530mm，履帶的節距為60mm，履帶寬為148mm，其兩側都安裝了兩個并聯的500N/cm的彈簧減震器，并且使用了兩個廣東東莞中大力德電機公司的Z5BLD60無刷直流電機作為動力源。

三、基于RecurDyn的動力學仿真

（一）動力學模型的建立

首先將車架的模型導入至RecurDyn中，然后根據輪系的參數建立履帶輪系，建立履帶輪系后完善底盤的張緊裝置和懸架裝置，之后添加約束。最后在驅動輪轉動副上添加驅動為STEP（0，0.1，0.5，830D），可解釋為驅動輪的角速度從0.1s開始從0開始增加，在0.5s達到830°/s的最高值并維持這個轉速。

（二）底盤在各工況下模擬和驗證

1、小車在硬質平路面運行的模擬

建立兩個直線段，分別為兩條地面的輪廓線。由于直線段比較簡單，所建立的坐標點比較少，分別為（-500，-215，400），（25000，-215，400）和（-500，-215，-400），（25000，-215，-400），而模擬硬質路面時并不需要定義履帶接觸參數。開始仿真，設置運行時間為6s，計算步驟為350步。

車經過加速后和驅動中設置的一樣，速率在0.5s時達到1000mm/s的峰值后，速度經過小幅度的波動后逐漸進入穩態，最終速度穩定在970mm/s上下并保持13Hz左右的小幅度的波動。總體而言，在平整路面的運行速度比較平穩。

在平地上行駛的過程中小車沿著運行方向垂直方向的速度存在一定波動，但偏航速度的峰值不超過±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，小車垂直方向受的加速度較小，運行達到一定狀態后總體上比較平穩。

2、小車在山地爬坡的模擬

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

小車可以在軟土路況下攀爬40°的斜坡。1s左右，小車開始爬坡，小車在爬坡的初期，速度不穩定，整體有一個外翻趨勢，到2s左右才達到了一個相對穩定的速率。4s時重心離開斜坡，整車掉落至平地后依靠減震裝置的作用速度逐漸趨近于一個穩定值。

在此工況運行時，小車在離坡時會產生較大的波動。在軟路面運行時因為履帶下陷的原因，總體偏移量較小。總體而言，在軟土面的偏移量比起在硬質路面小。雖然整體偏移的位移不大，只有5.5mm左右，整車的運行穩定性也較高。

在爬坡過程中小車的縱向加速度較為不穩定，產生許多負方向的加速度，這和坡度較高導致底盤產生后翻傾向有關。

四、車架的有限元分析

（一）車架的靜力學分析

1、模型的導入和材料定義

建立的模型導出格式為x_t即可導入至Workbench中用以進行有限元分析。由于整體材料使用的是鋁制材料，所以本次設計采用了Workbench材料庫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，唯一不同的接觸類型是張緊機構的內外導軌面的接觸形式定義為摩擦系數為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，車體所受最大正方向加速度為2000mm/s2，以車架在滿載狀態下的承載質量為100kg計算，總載荷為3kN。載荷分配為在電機安裝孔受力0.9kN，在車架上方分配2.1kN的載荷。同時，也添加了張緊力對車架的載荷，張緊力帶大小為100N。

3、劃分網格并求解

本次將網格大小自定義為5mm，網格節點數量為974982，網格數量為423860。

最大等效應力為37.7MPa，產生于鋁方管與鋁板的焊接位置附近。承重輪架軸處也產生了約25MPa的應力集中區。而總體上來看，在車架產生的最大等效應力遠小于車架使用的鋁合金材料的屈服強度，所以，此車架完全滿足排爆小車底盤在運行時的結構強度要求。

最大的變形量為0.16mm，產生在車尾處。整體上的變形量規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。總體而言，0.16mm的位移數值較小，符合本次的設計要求。

（二）車架的模態分析

第一階固有頻率為157.57Hz，振型為圍繞z軸的彎曲運動；第二階固有頻率為180.25Hz，振型同樣為繞z軸的彎曲運動；第三到第五階的振型為均為繞x軸的彎曲運動，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軸的彎曲運動。而在設計中均沒有設計工作頻率接近這些數據的原件，底盤符合安全要求。

五、結論

（1）本文依靠RecurDyn對已經完成結構設計的履帶式機器人進行了動力學仿真。仿真結果為，此底盤在動力性、穩定性和通過性上均有良好的表現。

（2）使用Ansys Workbench結合動力學仿真中得到的數據，對車架進行了靜力學分析與模態分析。分析結果顯示車架滿足結構強度，也沒有因為共振所產生嚴重毀壞的可能。

參考文獻：

[1]李琳.反恐排爆機器人系統設計與研究[D].太原理工大學.

[2]劉鐵軍.小型排爆機器人總體設計的研究[D].南京理工大學.