机器人用履带底盘的动力仿真与有限元分析

白程瀚 李县法

【摘 要】本文对可在山地和城市内作业的机器人用底盘做了动力学分析和有限元分析。首先使用RecurDyn完成了底盘动力学模型的建立，并且模拟了地盘在平地行驶和在软土面的极限爬坡，最后利用Ansys结合动力学分析得出的数据完成了静力学分析与模态分析。

【关键词】履带底盘；动力学仿真；有限元分析；RecurDyn；Ansys

一、绪论

为了解决人工作业的短板，各种用于运输、救援和军事任务的可移动机器人应运而生。[1]这些机器人的移动底盘大致上可分为轮式、履带式和腿式。其中，履带底盘具有结构较简单、性能可靠、灵活性好等优点，所以被广泛用于执行复杂任务的机器人底盘中，用以代替人进行危险作业或者到达人力难以实战工作的地方工作。[2]

二、履带底盘的结构与关键参数

（一）底盘的总体结构与性能

本次分析的履带底盘是适用于复杂工况的中小型机器人的履带底盘，采用倒梯形履带布局，轮孔式驱动和半刚性悬架结构。车架由铝板和铝方管焊接而成，采用双电机直接输出至驱动轮，驱动轮推动橡胶履带的传动形式，可在室内和山地进行作业，其整体模型如图1。

（二）底盘的关键参数

此底盘为总重为120kg的机器人设计，其中轮系重量为30kg，运输质量为20kg。总体尺寸约为900x700x400mm。履带接地长度为530mm，履带的节距为60mm，履带宽为148mm，其两侧都安装了两个并联的500N/cm的弹簧减震器，并且使用了两个广东东莞中大力德电机公司的Z5BLD60无刷直流电机作为动力源。

三、基于RecurDyn的动力学仿真

（一）动力学模型的建立

首先将车架的模型导入至RecurDyn中，然后根据轮系的参数建立履带轮系，建立履带轮系后完善底盘的张紧装置和悬架装置，之后添加约束。最后在驱动轮转动副上添加驱动为STEP（0，0.1，0.5，830D），可解释为驱动轮的角速度从0.1s开始从0开始增加，在0.5s达到830°/s的最高值并维持这个转速。

（二）底盘在各工况下模拟和验证

1、小车在硬质平路面运行的模拟

建立两个直线段，分别为两条地面的轮廓线。由于直线段比较简单，所建立的坐标点比较少，分别为（-500，-215，400），（25000，-215，400）和（-500，-215，-400），（25000，-215，-400），而模拟硬质路面时并不需要定义履带接触参数。开始仿真，设置运行时间为6s，计算步骤为350步。

车经过加速后和驱动中设置的一样，速率在0.5s时达到1000mm/s的峰值后，速度经过小幅度的波动后逐渐进入稳态，最终速度稳定在970mm/s上下并保持13Hz左右的小幅度的波动。总体而言，在平整路面的运行速度比较平稳。

在平地上行驶的过程中小车沿着运行方向垂直方向的速度存在一定波动，但偏航速度的峰值不超过±5mm/s，偏航距离也只有5mm，偏航在可接受的范围。

在此工况行驶时，小车垂直方向受的加速度较小，运行达到一定状态后总体上比较平稳。

2、小车在山地爬坡的模拟

由于山地的路面不是硬质路面，需要在模拟时需要另外设置履带和地面的接触参数。建立的路面与前一节建立的路面相似，只是迎合在松软地面达到40°爬坡角的要求。而履带与地面的接触参数可在履带节啮合模块进行修改，改为了软件中自带的黏性土（Clayey soil），建立路面和路面参数后即可进行仿真，仿真时间设置为6s，计算步骤为350步。

小车可以在软土路况下攀爬40°的斜坡。1s左右，小车开始爬坡，小车在爬坡的初期，速度不稳定，整体有一个外翻趋势，到2s左右才达到了一个相对稳定的速率。4s时重心离开斜坡，整车掉落至平地后依靠减震装置的作用速度逐渐趋近于一个稳定值。

在此工况运行时，小车在离坡时会产生较大的波动。在软路面运行时因为履带下陷的原因，总体偏移量较小。总体而言，在软土面的偏移量比起在硬质路面小。虽然整体偏移的位移不大，只有5.5mm左右，整车的运行稳定性也较高。

在爬坡过程中小车的纵向加速度较为不稳定，产生许多负方向的加速度，这和坡度较高导致底盘产生后翻倾向有关。

四、车架的有限元分析

（一）车架的静力学分析

1、模型的导入和材料定义

建立的模型导出格式为x_t即可导入至Workbench中用以进行有限元分析。由于整体材料使用的是铝制材料，所以本次设计采用了Workbench材料库中自带的铝合金材料（Aluminum Alloy）。

2、定义接触并施加载荷与约束

车架各零件大部分为焊接的形式，在模型中铝方管和铝板上焊接的位置的接触全部定义为bonded，唯一不同的接触类型是张紧机构的内外导轨面的接触形式定义为摩擦系数为0.2的摩擦接触，最后在承重轮架安装轴和减震器安装轴的载荷面上添加合约束（Fixed Support）。施加载荷方面，车体所受最大正方向加速度为2000mm/s2，以车架在满载状态下的承载质量为100kg计算，总载荷为3kN。载荷分配为在电机安装孔受力0.9kN，在车架上方分配2.1kN的载荷。同时，也添加了张紧力对车架的载荷，张紧力带大小为100N。

3、划分网格并求解

本次将网格大小自定义为5mm，网格节点数量为974982，网格数量为423860。

最大等效应力为37.7MPa，产生于铝方管与铝板的焊接位置附近。承重轮架轴处也产生了约25MPa的应力集中区。而总体上来看，在车架产生的最大等效应力远小于车架使用的铝合金材料的屈服强度，所以，此车架完全满足排爆小车底盘在运行时的结构强度要求。

最大的变形量为0.16mm，产生在车尾处。整体上的变形量规律为越接近前后两端，变形量越大；越接近顶部，变形量也越大。總体而言，0.16mm的位移数值较小，符合本次的设计要求。

（二）车架的模态分析

第一阶固有频率为157.57Hz，振型为围绕z轴的弯曲运动；第二阶固有频率为180.25Hz，振型同样为绕z轴的弯曲运动；第三到第五阶的振型为均为绕x轴的弯曲运动，固有频率分别为247.18Hz、283.03Hz和332.37Hz；第六阶固有频率为342.28Hz，振型为围绕z轴的弯曲运动。而在设计中均没有设计工作频率接近这些数据的原件，底盘符合安全要求。

五、结论

（1）本文依靠RecurDyn对已经完成结构设计的履带式机器人进行了动力学仿真。仿真结果为，此底盘在动力性、稳定性和通过性上均有良好的表现。

（2）使用Ansys Workbench结合动力学仿真中得到的数据，对车架进行了静力学分析与模态分析。分析结果显示车架满足结构强度，也没有因为共振所产生严重毁坏的可能。

参考文献：

[1]李琳.反恐排爆机器人系统设计与研究[D].太原理工大学.

[2]刘铁军.小型排爆机器人总体设计的研究[D].南京理工大学.