（机械设计及理论专业论文）浆液搅拌机器人结构分析与优化.pdf

摘要 摘要 水煤浆是一种新型燃料浆体，有着广阔的发展应用前景。水煤浆在储藏和 运输过程中会产生沉淀，据此提出了一种用无人遥控搅拌机器车搅拌浆液的解 决方案，搅拌机器车能够在储罐底部按照拟定路径行走，同时进行搅拌。这种 机器车可取代传统的大型机械搅拌装置，具有体积小，能耗少等优点。 首先，本文对已经研制出的搅拌机器人的行驶性能进行了详细的分析，推 导出小车不发生侧翻和侧滑的计算公式，并进行了实例计算，从而验证了所设 定的运动参数的正确性。用a d a m s v i c w 软件对浆液搅拌机器人进行简化建模、 施加约束并在拟定的轨迹上进行运动学仿真，验证了小车能够在拟定的轨迹上 正常行驶，即证明机器车能够完成所规划的两种运动方式匀速圆周运动和 掉头运动，验证了小车的行驶稳定性。 其次，进行了小车在匀速圆周运动及原地掉头运动两种工况下从动轮支架 ( 即从动轮) 摆角计算公式的推导，通过实例计算比较了不同转弯半径时从动 轮支架的旋转角度，进而得出了确定从动轮支架到车体距离的依据。 再次，对浆液搅拌机器人在储浆罐底工作过程中的驱动轮进行了分析，并 按照设计尺寸运用有限元方法分析软件a n s y s 对该模型进行有限元建模和求 解；通过对求解结果进行分析，证明驱动轮工作的过程中所产生的应力在许用 应力的安全范围内。 最后，以小车重量及液体阻力作为优化目标，进行了多学科优化的初步探 讨。 该项研究对轮式机器人的结构设计有重要的参考价值，对该设备的研制成 功具有一定的意义。 关键词：轮式移动机器人行驶稳定性优化 a b s t r a c t a b s t r a c t w a t e r - c o a ls l u r r yi sav a l u a b l ef u e l b e c a u s es e d i m e n t i o nw i l lh a p p e nw h e ni ti s s t o r a g e da n dt r a n s p o r t e di naj a r o n ek i n do fs e t t l e m e n ts c h e m ei sp r o p o s e d ，a c h u r n d a s h e ri sd e s i g n e d i tw o r k sa lt h eb o t t o mo ft h ec a l lm o v i n ga l o n et h ep a n n e d w a yt om i xu pt h es l u r r y t h ek i n do f r o b o tw h i c h h a st h ea d v a n t a g eo f s m a l l - v o l u m e a n dl e s sc o n s u m e de n e r g ym a ys u p e r s e d et h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lc h u m - d a s h e r f i r s t ，t h er u n n i n gp e r f o r m a n c eo f t h ec h u m d a s h e rw h i c hi si n v e n t e di sa n a l y z e d i nd e t a i li nt h ea r t i c l e ，a n dt h ee q u a t i o n sc a l c u l a t i n gt h es p e e d so fn o tr o l l o v e ra n d n o tl a t e r a ls l i d i n ga r ep u tf o r w a r d ，t h e na ni l l u s t r a t i o ni sd o n e ，t h e r e b y , r e l i a b i l i t yo f t h em o v e m e n tp a r a m e t e r sw ei n i t i a l i z ei sv a l i d a t e d b yi n t r o d u c i n gs i m p l yt h e a d a m s v i e ws o f t w a r ea n du s i n gi tt om o d e lt h ec h u m - d a s h e r , i m p o s er e s t r i c t i o na n d s i m u l a t i o n , n o r m a lr u n n i n ga l o n et h eo r b i tw eh a sa r r a n g e di na d v a n c ea n ds t a b i l i t y o f & r i v i n go ft h er o b o ta r ev e r i f i e d t h a ti st os a y , t h ev e h i c l ec a nm o v ea tu n i f o r m c i r c u l a rm o t i o na n dt u r n si n s i t uw i t h o u tr o l l - o v e ra n dl a t e r a ls l i d i n g s t a b i l i t yo f d r i v i n go f t h ec h u m d a s h e ri sv a l i d a t e d s e c o n d ，t h ee q u a t i o n sw h i c hc a l c u l a t et h es w i n ga n g l eo ft h ef o l l o w e rw h e e l w h e ni tm o v e sa tu n i f o r mc i r c u l a rm o t i o na n dt u r n si n s i t ua r ep u tf o r w a r d ，b y i l l u s t r a t i o n ，t h es w i n ga n g l e so ft h ef o l l o w e rw h e e l si nd i f f e r e n tc i r c l e sa r ec o m p a r e d a n dt h eg i s to ff i x i n gt h ed i m e n s i o nb e t w e e nt h ef o l l o w e rw h e e la n dt h eb o d yo ft h e c h u m d a s h e ri s0 f i e r e d n e x t ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dc o n s t r u c t i o no ft h ed r i v i n gw h e e lo ft h e c h u m d a s h e ra r ea n a l y z e di nt h i sp a p e rw h i l ew o r k i n gu n d e rt h ew a t e r - c o a ls l u r r y , a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ns i z e ，t h ea n s y ss o f t w a r ei su s e dt om o d e la n ds o l v eb y u s i n gf e a t h ec o n c l u s i o ni tr e a c h e dm a n i f e s tt h a tt h es t r e s sw h i c hp r o d u c ed u r i n g w o r k i n go f d r i v i n gw h e e li ss a f e t y f i n a l l y , s o m em d oa b o u tt h ew e i g h ta n dl i q u i dr e s i s t a n c ea r ed o n e t h i sr e s e a r c hi so fg r e a tr e f e r e n c ev a l u et ot h es t r u c t u r ed e s i g no ft h ew h e e l e d m o b i l er o b o t ，a n dh a ss i g n i f i c a n tm e a n i n gt os u c c e s s f u l l yd e v e l o pt h ee q u i p m e n t k e yw o r d s ：w h e e l e dm o b i l er o b o ts t a b i l i t yo f d r i v i n go p t i m i z a t i o n n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：撬欲 冲1 年 日6b 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 曰年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：糖敏 断z 年工月，彳日 第一章引言 第一章引言 1 1 论文的研究背景 1 1 1 水下机器人的发展状况i l l 无人遥控潜水器，也称水下机器人。近些年来，无人遥控潜水器的发展非 常快。从1 9 5 3 年第一艘无人遥控潜水器问世，到1 9 7 4 年的2 0 年里，全世界共 研制了2 0 艘。特别是1 9 7 4 年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水 器也得到飞速发展。到1 9 8 1 年为止，无人遥控潜水器发展到了4 0 0 余艘，其中 9 0 以上是直接或间接为海洋石油开采业服务的。截至到1 9 8 8 年，全世界无人 遥控潜水器拥有量猛增到9 5 8 艘，比1 9 8 1 年增加了1 1 0 。这个时期增加的潜 水器多数为有缆遥控潜水器，其总数大约为8 0 0 艘左右，其中4 2 0 余艘是直接 为海上池气开采用的。而无人无缆潜水器的发展相对慢一些，只研制出2 6 艘， 其中工业用的有8 艘，其余的均用于军事和科学研究。另外，载人和无人混合 潜水器技术在这个时期也得到了一定的发展，共研制出3 2 艘，其中有2 8 艘服 务于不同的工业领域。 无人遥控潜水器的工作方式是：由水面母船上的工作人员通过连接潜水器 的“脐带”全权操纵或控制潜水器，通过水下电视、声呐等专用设备进行观察， 进而通过控制机械手进行水下作业。目前，无人遥控潜水器主要有：有缆遥控 潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆遥控潜水器又分为水中自航式、拖航 式和能在海底结构物上爬行式三种。 1 无人有缆潜水器的研制与发展 无人有缆潜水器的研制始于7 0 年代，8 0 年代进入了较快的发展时期。日本 对于无人有缆潜水器的研制比较重视，在无人有缆潜水技术方面，始终保持了 明显的超前发展的优势。1 9 8 7 年，日本成功研制出深海无人遥控潜水器“海鲍3 k ” 号，该潜水器是为从事深晦研究而专门开发的一种有缆式潜水器，可下潜至3 3 0 0 米的深度。它可在载人潜水之前对预定潜水点进行勘查工作以及进行海底救护。 英国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器有其独特的技术特点，它采用计算机控 制，并通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。它可进行海底照相、海弹环境 第一章引言 变化监控和海面环境变化监控等。根据欧洲尤里卡计划，英国、意大利联合研 制了无人遥控潜水器，这种潜水器性能优良，能在6 0 0 0 米水深持续工作2 5 0 小 时，按照尤里卡e u 1 9 1 计划还建造了两艘无人遥控潜水器，一艘为有缆式潜水 器，主要用于水下检查维修；另一艘为无人无缆潜水器，主要用于水下测量。 这项潜水工程计划将由英国、意大利、丹麦等国家的1 7 个机构参加。 无人有缆潜水器的发展趋势有以下几点： 一、潜水深度大于6 0 0 0 米； 二、操纵控制系统采用大容量计算机，实施资料处理和进行数字控制； 三、潜水器上的机械手采用多功能力反馈监控系统； 四、增加推进器的数量与功率，以提高其顶流作业的能力和操纵性能。 五、体积小型化和提高其观察能力。 2 无人无缆潜水器的研制与发展 目前，无人无缆潜水器尚处于研究、试用阶段，还有一些关键技术问题需 要解决。今后，无人无缆潜水器将向远程化、智能化发展，其活动范围在2 5 0 5 0 0 0 公里的半径范围内。这就要求这种无人无缆潜水器有能保证长时间工作的 动力源。在控制和信息处理系统中，采用图像识别、人工智能技术、大容量的 知识库系统，以及提高信息处理能力和精密的导航定位的随感能力等。如果这 些问题都能解决了，那么无人无缆潜水器就能是名符其实的每洋智能机器人。 海洋智能机器人的出现与广泛使用，为人类进入每洋从事各种商洋产业后动提 供了技术保证。 1 9 8 0 年法国国家每洋开发中心建造了“逆戟鲸”号无人无缆潜水器，最大潜 深为6 0 0 0 米。“逆朗鲸”号潜水器先后进行过1 3 0 多次深潜作业，完成了太平洋 海底锰结核调查海底峡谷调查、太平洋和地中海海底电缆事故调查、洋中脊调 查等重大课题任务。1 9 8 7 年，法国国家海弹开发中心又与一家公司合作，共同 建造“埃里特”声学遥控潜水器。用于水下钻井机检查、海底油机设备安装、油管 辅设、锚缆加固等复杂作业。这种声学遥控潜水器的智能程度要比“逆戟鲸”号高 许多。1 9 8 8 年，美国国防部的国防高级研究计划局与一家研究机构合作，投资 2 3 6 0 万美元开始研制两艘无人无缆潜水器并于1 9 9 0 年研制成功，定名为“u u v ” 号。这种潜水器采用银锌电池做为动力源，其整体重量为6 8 吨，性能优异，最 大航速1 0 节，能在4 4 秒内由0 加速到l o 节，导航精度约0 1 2 节小时。另外， 2 第一章引言 美国和加拿大合作将研制出能穿过北极冰层的无人无缆潜水器。据报导，在1 9 9 3 年前，这种穿越北极冰层的无人无缆潜水器已经问世，美国建造了两艘，英国 建造了两艘，瑞典也建造一艘。 1 1 2 国内外水煤浆防沉淀技术背景及现状【”l 目前，国内外大型水煤浆储罐均采用机械搅拌机来防止水煤浆产生软沉淀， 这些搅拌机主要分为立式、侧式两种。在我国，水煤浆生产和应用规模还很小， 对防止水煤浆产生软沉淀也还未有成熟的经验，在参照国外使用技术的基础上， 我国自行研究、开发出的搅拌技术主要有以下几种：( 1 ) 空气搅拌方法：该方 法通过向储罐内通入压缩空气，使煤浆产生翻腾来防止软沉淀产生。经现场装 浆试验，虽然搅拌效果良好，但有噪音大，需要有压缩空气机装置，动力源不 统一等缺点；( 2 ) 打循环搅拌方法：该方法在罐体下部装有曲杆泵，在罐壁分 四个水平装有喷嘴，用管道将曲杆泵与喷嘴相连，启动泵后，可使煤浆沿罐底 和罐壁圆周方向流动，防止软沉淀产生。经现场装浆试验，搅拌效果良好，其 缺点是动力消耗太大，并且有少量死角不易循环到，曲杆泵磨损严重；( 3 ) 立 式机械搅拌方法：该方法在罐顶中心装有一台立式搅拌机，并装有导流板，通 过搅拌机转动，使煤浆产生上下对流运动，防止软沉淀产生。经现场装浆试验， 搅拌效果很好，并且没第二种搅拌方式的死角，但其缺点是设备结构复杂，传 动轴太长，不易加工，需要分段制作。而且要求储罐为平顶结构形式，给大直 径储罐设计带来一定的难度；( 4 ) 侧式机械搅拌方法：该方法在罐的侧壁装有 侧式搅拌机。通过搅拌机转动，使煤浆产生旋转及水平方向的左右对流运动， 防止软沉淀产生。经现场装浆试验，搅拌效果很好，也没有死角。但因搅拌器 装在储罐侧壁，对设备密封要求很高。必须在使用时严格注意维修，以防泄漏。 由以上分析可知，纯机械搅拌装置具有体积大、笨重、能耗多等缺点。本 文开发研制的在罐底行走巡逻的轮式移动机器人( 即浆液搅拌机器人) 除具有 搅拌的基本功能外，还具有监测可能发生沉淀的区域，并自行调整路径到达目 的地等优点，而且具有体积小、能耗低的特点【4 】【5 1 。 1 1 3 轮式移动机器人的发展状况1 6 - 7 1 目前，移动机器人已广泛用于科学考察、地质勘探、灾难营救等多个领域， 对人类了解地球、征服自然、探索宇宙具有重要意义。同时，也是代替人们在 第一章引言 高辐射、多粉尘和有毒等环境中作业必不可少的工具。移动机器人的典型行走 形式有轮式、履带式和腿足式等。 轮式移动机器人与固定基座的机器人相比，具有更大更灵活的工作空间， 是继操作手和步行机之后机器人技术的一个新的研究目标。移动式机器人是操 作手和步行机的组合体，兼有操作和行走的功能，特别适合远程操作，可望在 太空和地面的许多场合得到应用，成为未来航天技术的一个重要组成部分。在 工业机器人应用的传统领域，移动式机器人也有广泛应用前景，特别是那些需 要较大工作空间的场合，如大型零件的焊接和喷涂 s j 。 与其它机器人机械系统相比较，最重要的区别是轮式移动机器人的车轮与 地面之间存在有运动学约束，限制了车轮的运动。这种约束是一种典型的非完 整约束，非完整约束系统是不能通过对点的速度和角速度进行积分得到位移和 角位移19 - 1 0 1 的。 1 2 论文研究的意义 国内外大型水煤浆储罐采用的机械式搅拌机具有体积大、能耗多、不易维 修等缺点。与其相比，浆液搅拌机器人具有显著的优势，该模型的基本功能包 括液下行走、搅拌浆液、路径规划与控制及观测浆液浓度等。它的优势有： 结构合理，机构简单，实用可靠，节约成本，自动化程度高，对操作者的要求不高， 容易为操作者掌握。在占地、安装、维修、智能化等方面也有显著优势，从 而能够提高生产的现代化水平，产生较大的社会经济效益i l “”j 。 经过对大量相关技术资料和文献的阅读及研究，本文首先对浆液搅拌机器 人行驶稳定性进行分析；接着又对其从动轮的转弯运动性能及驱动轮有限元的 应力做了分析；然后对机器人进行了运动仿真。上述内容对轮式移动机器人的 研究都有重要的参考价值。 目前水煤浆生产技术在国内正处于开始推广的时期，从事此方面技术及设 备研发的单位仅有2 3 家，搅拌机器人的研究尚无先例，资料获悉日本已有类 似产品应用于生产。搅拌机器人的研制成功将提高水煤浆代油生产技术的现代 化水平，对当前我国能源工业和环保都具有较大社会经济价值和意义 1 r l 。 4 第章引言 1 3 课题来源及研究内容 液下搅拌机器人的开发和研制属于北京市教育委员会科技发展计划项目， 本课题的主要任务有以下几点： 浆液搅拌机器人行驶稳定性分析； 浆液搅拌机器人从动轮转弯时运动性能分析； 浆液搅拌机器人驱动轮应力分析与优化； 浆液搅拌机器人的运动仿真； 双目标双学科优化的初探。 5 第二章浆液搅拌机器人行驶稳定性分析 第二章浆液搅拌机器人行驶稳定性分析 液下搅拌机器人装配模型如图2 1 所示f 1 2 l 。由于搅拌机器人的工作环境是平 坦罐底，没有障碍物，其运动方式主要有匀速圆周运动和原地掉头运动，要求 转弯灵活，稳定性好，控制简单等特点，经比较采用的4 轮呈长方形分布的2 轮驱动方式是一种较佳选择，即2 前轮独立驱动，2 后轮是万向轮为从动轮陆1 4 l 。 机械结构简单，稳定性好，还能够实现转向半径为0 的运动，结构如图2 2 所示。 图2 1 液下搅拌机器人模型 图22 前轮驱动的结构形式( m 一电动机；f g 一固定速比减速器) 如图2 2 所示，该搅拌机器车利用两个电动机通过固定速比的减速器分别驱 动两个车轮，每个电动机的转速可以独立地调节控制以便于实现差速运动使小 车实现转弯。其优点是体积小，重量轻，在搅拌机器车转弯时可以实现精确的 电子控制，提高搅拌机器人的性能。 6 第二章浆液搅拌机器人行驶稳定性分析 2 1 浆液搅拌机器人的行驶性能1 1 5 - 1 e l 众所周知，车辆在行进过程中的行驶性能即行驶稳定性可分为纵向行驶稳 定性和横向行驶稳定性两类。由于搅拌机器车的工作环境为平坦的罐底，没有 任何坡度，所要完成的运动只有匀速圆周运动和原地掉头运动，这与汽车的转 弯运动非常相似。经分析，小车在纵向不会出现倾覆的危险，因此，这里主要 研究小车的横向行驶稳定性，l ! p d , 车在行走过程中是否发生侧翻和侧滑的危险。 下面从分析搅拌机器车行驶时的受力状况出发，建立方程来分析小车的横向行 驶稳定性。 2 1 - 1 浆液搅拌机器人整车受力分析 搅拌机器车在行进中的受力可分为小车本身机械装置的内阻力和由行驶条 件决定的外阻力。内阻力由小车机械装置的效率表示，外阻力b l j 4 , 车的行驶阻 力。驱动轮罐底法向反作用力与机器人的总体布置、车身造型、行驶状况有关。 图2 3 为搅拌机器人在平坦罐底匀速行驶时的受力图。 图2 3 搅拌机器人车体受力分析 其中： 一一机器人质心高度，( m ) ；九一一液压中心高度，( m ) ； 屯一一机器人质心至前轴的距离，( m ) ；l 一一机器人全长，( m ) ； 厶一一机器人质心至后轴的距离，( m ) ；g 一一机器人总重力，( n ) ； 7 第二章浆液搅拌机器人行驶稳定性分析 一一机器人在液体中受到的浮力，( n ) ； ，n 罐底对驱动轮的切向反作用力( n ) ； 1 ，l 驱动轮的滚动阻力偶矩( n m ) ； 1 2 从动轮的滚动阻力偶矩( n m ) ； ，n 地面对驱动轮的法向反作用力( n ) ； ，：2 地面对从动轮的法向反作用力( n ) ； 以z 罐底对从动轮的切向反作用力( n ) ： 对机器人而言，液压中心高与机器人质心高大致相等，即丸= 噍。 其中可假设： 咚= p 矗g y = p 矗g ( 2 i ) ( 假设小车在水煤浆中的体积：v ：旦) ，生 式中：p 藏水煤浆的密度，( k g m 3 ) ；一般为1 2 0 0 - - 1 2 5 0k g m 3 ， 取1 2 5 0k g m 3 。 v 一小车的体积，( m 3 ) ； m 一小车的质量，( k g ) ；经计算为8 5 0 k g 。 陛小车的密度，( k g m 3 ) ；为7 8 5 0k g m 3 。 经计算得：= g y = 风g 风m = 1 2 5 0 x 9 8 x 7 8 8 5 5 0 。= 1 3 2 6 e = 吉c o ：v ；a ( 2 2 ) 式中：液体阻力； c 。物体在流体中的阻力系数，根据流体的雷诺数足确定；取1 0 ； p 液体的密度， g m3 ) ：取1 2 5 0k g m 3 ； 瑶液体的流速，即机器人在液体中的车速，( m s ) ；为3 5 m m i n 。 4 机器人在液体中的迎风面积，( m2 ) ；为o 5 5 0 。 经计算得：e2 壹c d 以肛吉。1 0 x 1 2 5 0 x ( 素2 o 5 5 2 4 将作用在机器人上的诸力对前后轮与罐底接触面中心点取力矩，可得罐底 8 第二章浆坡搅拌机器人行驶稳定性分析 法向反作用力： 神一岛) 南一南e 一( g 一妣南 娜一略) 南+ 南e + ( ) 厂南 2 1 2 浆液搅拌机器人侧翻分析 众所周知，汽车只有在转弯的工况下才容 易发生侧倾翻的危险【1 7 0s 】。由小车的路径规划 ( 即小车的主要运动是匀速圆周运动和原地 摔头运动交替组成) 表明：小车的运动都是由 不断的转弯运动构成。所以，研究小车在工作 过程中是否发生侧翻是非常有必要的【嘲。这为 小车控制系统的研究打下了基础。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 图2 4 机器人行走路径 2 1 2 1 小车行驶路径 根据搅拌机器车的路径规划可知，小车行走路径如图24 所示】 ，j 、车由a 点出发在半径1 94 m 的圆周上绕罐底最外圈做逆时针的等速圆周运动经b 、c 两 点转完一圈回到彳点，接着小车绕前内轮做逆时针原地掉头运动。完成掉头运 动后由d 点出发，在半径为1 8 ，5 6 m 的圆周上做顺时针的等速圆周运动。经e 点 转完一圈回到d 点后，小车绕前内轮做顺时针原地掉头运动，完成掉头运动后， 由f 点出发在半径为1 7 7 2 m 的圆周上在逆时针的等速圆周运动，经g 点回到f 点。之后依次类推，直到小车行走到接近圆心0 ，然后小车再从圆心0 开始向 外作反向运动( 如机器人从外向内类似行走运动) 。这样循环往复，达到搅拌浆液 的目的。 综上所述，小车在由外圈向罐底中心行走时，其运动为：逆时针匀速圆周 运动叶逆时针原地掉头运动叶顺时针匀速圆周运动叶顺时针原地掉头运 动- 逆时针匀速圆周运动顺时针原地掉头运动；小车在由罐底中心驶 向外圈时，其运动为：顺时针匀速圆周运动 逆时针原地掉头运动+ 逆时针 9 第二章浆液搅拌机器人行驶稳定性分析 匀速圆周运动顺时针原地掉头运动叶- i 逆时针匀速圆周运动。 2 1 2 2 小车侧翻分析 为简化计算，假设小车车轮为刚性， 在行驶过程中不变形，即车轮与罐底之间 是线接触。当小车发生侧翻时，它是沿着 侧倾翻连线( 即前外轮与罐底接触线的外 端点与同侧后外轮与罐底接触线的外端 点之间的连线) 侧翻的 2 0 l 。因此我们以该 轴线为基准并对该轴线取距来做分析。 据小车结构计算可知，小车重心并不 在几何中心而是靠近左前轮，如图2 5 所 图2 5 小车中心位置图 示，假设小车在工作过程中发生侧翻，小车应围绕上述轴线向外侧翻转。 1 比较小车的运动工况 逆时针匀速圆周运动及逆时针原地掉头运动如图2 4 所示，小车从彳点开始 绕罐底最外圈做逆时针的等速圆周运动。经b 、c 两点转完一圈回到a 点，接着 机器人绕前内轮做原地掉头运动到达d 点。小车先做逆时针匀速圆周运动，接 着做逆时针原地掉头运动。小车在运动的过程中，小车的中心一直在几何中心 线的内侧。当对侧倾翻线取距时，增大了由偏心引起的一部分力矩( 计算结果 由下面的侧翻分析给出) ，而这部分力矩是有利于小车不发生侧翻的。 顺时针匀速圆周运动及顺时针原地掉头运动 如图2 4 所示，小车从d 点开始绕罐底做顺时针的 等速圆周运动。经e 点转完一圈又回到d 点。接 着小车绕前内轮做原地掉头运动到达f 点。小车先 做逆时针匀速圆周运动，接着做逆时针原地掉头运 动。小车在运动的过程中，小车的中心一直在几何 中心线的外侧。与上述情况相反，当对侧倾翻线取 距时，减小了由偏心引起的一部分力矩，而这部分 力矩是加大了小车发生侧翻的危险。图2 6 小车沿顺时针方向行走路线 1 0 第二章浆液搅拌机器人行驶稳定性分析 2 结论 经比较，小车在顺时针转最小弯时最容易侧倾翻，此时小车的重心在纵向 几何中心线的外侧，使小车更容易发生以两外侧车轮着地点间连线为中心线的 侧倾翻。若在这种情况下小车不发生侧翻，那么在其他工作状况下小车也不会 发生侧翻现象 1 s q 9 】。下面以该情况为例来进行分析： 3 小车的侧翻分析1 2 1 l 匀速转弯行驶离心力为： 几 肌v 2 2 百 其中：i n 一为小车的质量( 蚝) ； v 一为小车转弯时的速度( 1 1 1 ，s ) ； r 一为小车转弯半径( m ) ( 足7 口) 由上述分析可知，若小车发生侧翻其行驶轨迹如图2 6 中箭头所示。 ( 2 5 ) 图2 7 小车顺时针转弯受力图 根据小车的受力分析1 习可得出小车不发生侧翻的条件是： + 昂s i n o + 最1 2 0 lc o s o + e 3 2 0 2c o s o ( g 一噜) ， ( 2 6 ) 第二章浆液搅拌机器人行驶稳定性分析 即：f 高+ 昂s i n o + f z l 2 0 1 c o s o + f z 3 2 0 2 c o s e 一( g 一如) ，o ( 2 7 ) ；么乡| | 。0f a d 图2 8 小车在罐底的投影关系示意图 其中：卜一为小车质心到侧倾翻线的投影距离如图2 8 所示； 0 。为小车两驱动轮轮距的一半； 0 ：为小车两从动轮轮距的一半； 口为小车同侧车轮与罐底接触线中心的连线与小车纵向中 心线之间的夹角。 其它符号同前。 根据图27 、2 8 可得：，= e f + o f c o s 0 = 【兰( 0 l 一0 2 ) + ( 0 2 - a i ) c o s 0 ( 28 ) 经膊 鲁= 0 0 3 5 5 = 1 1 6 ( 2 - 9 ) 将式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 代入式( 2 7 ) 得： ( g 一略) 【若 l 一0 2 ) + ( 0 2 一a ) c o s a 一唿一昂唿s i n 0 = 瓦甭丽丁一如 - 小车发生侧翻的临界条件是：r z = 0 ，即 ( g f 浮) 【若( o l 1 w ：) + ( 0 2 一a 1 ) c o s o 一唿一昂唿s i n 0 = 0 ( 2 1 1 ) 整理得：伊：竺二垒! ! 蒸堡 竺：! ：生：二竺! 二堡垒竺! r( ：m ) 第二章浆液搅拌机器人行驶稳定性分析 式中：= 0 3 4 m ；0 l = 0 4 2 m ；2 = 0 2 5 m 代入上式得： p ：竺竺：竺型塑竺：竺二竺：竺! 盘二竺：! 竺盘川：，。 l ，一= - - - - - - - - - - - 二二= 二二二- - - - - - - - ；= - 一9 2 = 7i 8 5 0 0 3 4 即当小车顺时针原地掉头的转弯速度取v = 26 6 m s 时，小车处于临界侧翻 状态，而实际上小车的最大转弯速度y “2 6 6 m s 。所以，小车不会发生侧翻 的情况。 2 1 3 浆液搅拌机器人侧滑分析 小车侧滑带来的负面影响很多，如加剧车轮的摩损、使电机产生附加功率 消耗、破坏小车行驶稳定性等。其中加剧车轮的摩损会使小车脱离预定轨迹从 而给小车的控制系统带来不必要的影响，这是关键问题所在，也是分析侧滑的 主要目的。 1 地面对小车的侧向作用力分析1 1 s l 当小车做逆时针等速圆周运动时，地面对小车两前轮的作用的侧向力方向 指向外侧，而对后轮作用的侧向力方向指向内侧如图2 9 所示。这些侧向力可 由附着力来综合表示。”矧。“，如下式所示： f ：妒( m g - f a ) ( 1 b + f k )( 21 3 ) l + 妒唿 式中：其它符号同前， 妒为附着系数，取0 3 ； 卜为滚动阻力系数，取o 1 。 2 小车的侧滑分析1 1 7 。o 小车不发生侧滑的条件是( 忽略小车转弯时侧面 液体对其的作用力) ： 图2 9 地面对小车侧向作用力示意 第二章浆液搅拌机器人行驶稳定性分析 f 离口a ( m g - f # ) ( 1 b + k g ) ( 2 1 4 ) l + 啦。 即 一m y 2 竺! 竺二垦塑丝! ( 2 1 5 ) r l + 妒 式中符号同前。 整骗 我等蒜铲r 晓，6 ， 计熊v 2 塑氅羔篙铲 岛j ”。在此过程中兄径自也随着 减小。此时，驱动力克服的行驶阻力较小，比较节约能源。 3 2 2 结论 由图33 可知，当小车行走的轨迹由相互外切的外切圆组成时，小车后轮支 架的摆角滑过中心线；如图3 3 ( b ) 所示，摆角由b 。变为岛。而当轨迹由内 切圆组成时其摆角不滑过中心线如图3 _ 3 ( b ) 所示，摆角由岛。7 变为岛，即在 同侧增大或减小一定的角度。 3 2 3 从动轮支架距车体尺寸的确定 经上述分析可知，当小车在 向外切圆组成的轨迹上行走时， 小车的从动轮支架划过车体的 纵向中心线，在该过程中从动轮 支架系将与车体有最近的距离， 该从动轮支架摆动时不与车体 发生干涉即可。原结构中设计尺 寸如图3 4 所示为4 4 5 m m ，为了 优化设计结构，从动轮支架与车 体间的距离还可靠近4 0 m m 。 修改后计算从动轮支架摆角如表 3 2 所示。 2 l 图34 原小车整体结构 第三章浆液搅拌机器人从动轮转弯时运动性能分析 表3 2 修改后从动轮支架3 、4 的旋转角度 ；嘉卷竺 1 8 9 81 81 41 7 3 01 6 4 61 5 6 21 4 7 8 支架旋转角、 支架3 旋转角0 3 2 4 2 02 4 7 02 6 5 。2 7 r- 2 9 4 。3 0 0 0 等速圆周运动 支架4 旋转角只 2 3 6 02 5 3 02 5 8 。2 7 9 02 8 5 。3 1 旷 支架3 旋转角岛 7 8 0 1 05 0 4 9 07 8 0 r5 0 4 9 0 7 8 0 r5 0 4 9 0 原地掉头运动 支架4 旋转角晓 5 0 4 9 07 8 0 1 05 0 4 9 。7 8 o r5 0 4 9 07 8 0 1 0 二赢巡竺 1 3 9 41 3 11 2 2 61 1 4 2l o 5 897 4 支架旋转角、 支架3 旋转角岛3 2 9 。 3 3 丁 3 7 3 。3 8 3 04 3 r4 4 5 。 等速圆周运动 支架4 旋转角只 3 1 7 03 4 9 03 5 9 。4 0 0 0- 4 1 2 。4 6 7 。 支架3 旋转角岛 7 8 0 1 05 0 4 9 07 8 0 r5 0 4 9 。 7 8 0 1 05 0 4 9 。 原地掉头运动 支架4 旋转角只 5 0 4 9 07 8 0 1 05 0 4 9 07 8 0 1 。5 0 4 9 07 8 0 1 0 琏变半径r t ( m ) 8 9 0 8 0 67 2 26 3 85 5 44 7 0 支架娩转角 支架3 旋转角0 3 51 0 。53 0 。 6 2 5 。 65 6 。 80 7 085 8 。 等建圆周运动 支架4 旋转角见 - 4 4 8 。56 2 。5 8 6 。70 5 07 4 3 094 4 0 支架3 旋转角岛 7 8 o r5 0 4 9 。7 8 0 r5 0 4 9 。 7 8 0 1 05 0 4 9 娘地- 头匿明 支架4 旋转角只 5 0 4 9 。7 8 0 1 。5 0 4 9 。7 8 0 1 05 0 4 9 07 80 1 o 缝窆兰径r - ( m ) 3 8 63 0 22 1 81 3 4o 5 支架旋转角、 支架3 旋转角岛1 13 6 01 2 3 9 01 9 0 0 02 1 9 t5 03 2 0 等速圆周运动 支架4 旋转角只 1 0 1 4 。1 4 2 4 01 5 8 8 02 8 1 8 。3 47 4 。 支架3 旋转角彰 7 8o l o5 0 4 9 07 80 1 。 5 0 4 9 07 80 1 0 原地掉头运动 支架4 旋转角只 5 0 4 9 。7 8 0 1 o 5 0 4 9 。 7 8 0 1 05 0 4 9 0 注：根据小车的前进方向，顺时针转动为负，逆时针转动为正。 第三章浆液搅拌机器人从动轮转弯时运动性能分析 由计算结果可知，小车在对应的匀速圆周运动的轨迹上运动时，其从动轮 的摆角都减小一定的角度，当小车在做逆时针匀速圆周运动转向做与其轨迹相 外切的顺时针原地掉头运动的轨迹时，其摆角的减小角度较大，外侧车轮减小 1 2 6 。角度减小后，从动轮所需的功率就少，减小能耗。 3 2 4 结论 根据上述分析，在确定合理的支架3 、4 的旋转轴线距车体的距离的同时可 知，机器人在由等速圆周运动向原地掉头运动过渡或由原地掉头运动向等速圆 周运动过渡时，由于支架3 、4 在很短的时间内需要转动很大的角度，从动轮需 克服很大的阻力，这是主动轮和从动轮采用耐磨性较强的材料的原因之一。 3 3 本章小结 本章对浆液搅拌机器人的行驶稳定性进行了详细的分析，导出了小车在匀 速圆周运动及原地掉头运动两种工作情况下从动轮支架( 即从动轮) 摆角的计 算公式，然后通过摆角实例计算比较了不同转弯半径从动轮支架的旋转角度以 及给出了确定从动轮支架到车体距离的依据。使小车的结构更紧凑，从而更有 利于小车在液下的姿态控制。因此，该研究对轮式机器人的结构设计有重要的 参考价值。 第四章浆液搅拌机器人驱动轮的应力分析 第四章搅拌机器人驱动轮的结构分析 4 1 驱动轮有限元模型 4 1 1 有限元方法及有限元分析软件简介1 2 z - 2 4 l 有限单元法是力学与近代计算机技术相结合的产物，是随着计算机的发展 而迅速发展起来的一种现代数值计算方法，其主要用于解决一些计算量非常大 的工程问题。工程中有很多实际问题如力场、温度场、电场、流场等都是匀态 连续变化的场，在以前没有计算机，有限元方法仅是一种理论，因为计算量大 并不能得到想要的结果，类似的问题只能采用解析法或实验方法解决。然而由 于具体问题的几何形状、物理特性等条件的复杂性，要通过解析法求解十分困 难，而有限元法将研究对象离散成有限多个单元体，通过分析得到一组代数方 程，进而求得近似解。 有限元法是一种以变分原理为基础的数值分析方法。其基本思想是将连续 的求解区域离散为一组有限个并且按一定方式相互连接在一起的单元的组合 体，从而将全求解域上待求的未知场函数分片地表示为每一个单元内假设的近 似函数。单元内的近似函数通常由未知场函数及其导数在单元的各个节点的数 值和其插值函数来表达。这样，一个连续的无限自由度问题就变成离散的有限 自由度问题。 运用有限元方法可以处理任何复杂形状、不同物理特性、多种边界条件和 任何承载情况的工程问题。有限元建模( f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g ，简称f e m ) 和有限元分析( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，简称f e a ) 技术为各专业建立分析模型、 共享数据提供了有效途径，尤其是现在广泛通用的各种软件包大大简化了对具 体问题的分析过程，是解决各种工程实际问题的便利工具和有效手段。 4 1 2 驱动轮实物模型的分析和处理 本章要研究的是液下搅拌机器人驱动轮的应力分析。由于储浆罐与驱动轮 的材料都是金属，小车在行走过程中容易出现打滑的现象。为增加小车的附着 力，驱动轮轮缘结构设计成为带有较宽凹槽的轮齿形式，在小车行走过程中， 该驱动轮轮缘凹槽边界点会与罐底发生碰撞，从而导致小车上下震动。通过分 第四章浆液搅拌机器人驱动轮的戍力分析 析驱动轮的动态性能和工作时的应力来选择最佳的凹槽数量是本章节研究的主 要内容。 由于该驱动轮是有厚度的，承载位置是线而不是点。为使所研究内容更加 安全可靠，将驱动轮简化为平面结构进行分析，即将承载线上的冲击力集中作 用在所研究平面的承载点上，若上述分析在许用应力的范围内，那么实际工作 中，驱动轮所受的冲击力引起的应力也应满足许用应力的要求。 4 1 3 建立有限元模型1 2 2 , 2 3 1 建立有限元模型通常指的就是f e m 前置处理，也就是首先进行几何建模； 然后定义单元类型并划分网格，得到结点坐标以及单元号等；最后定义边界条 件，施加约束及荷载。 4 1 3 1 建模 按照设计尺寸的大小，利用p m e 软件的建模功能建立小车驱动轮模型如图 4 1 所示。然后用a n s y s 软件按照驱动轮模型的尺寸进行有限元分析，首先必 须建立要分析问题的几何模型。根据前面对问题的分析、简化，可以使用a n s y s 软件自带的建模模块，建立简化二维的几何模型如图4 2 所示。 图4 1 驱动轮模型图4 2 驱动轮有限元模型 4 1 3 2 划分网格 选择专门用于求解二维平面问题的p l a n e 2 ( t f i a n g l e 6 n o d e2 1 单元( 该单元 用于解算二维平面问题) ，它是具有六节点三角形的几何形状，如图4 3 所示。 第四章浆液搅拌机器人驱动轮的应力分析 利用a n s y s 软件的自动网格划分功能进行网格划分，如图4 4 所示，包含3 9 8 6 个单元。划分后的模型共有8 4 5 8 个节点。 图4 3 单元图4 4 网格划后的驱动轮 4 1 3 3 施加约束和载荷 1 施加作用力载荷 对液下搅拌机器人驱动轮的有限元模型施加载荷。在进行模型分析过程中， 载荷可以作用力载荷的形式施加也可以力矩的形式施加。这里研究当两个相邻 轮齿的相邻顶线着罐底时的情况。将求得的作用力载荷即切向力和支持力加到 有限元模型的相应节点上如图4 5 所示。( 此二力为整个受力面的总力。) 图4 5 施加作用力后的模