【《某六足机器人的静力学分析校核分析案例》2300字】

PAGE78某六足机器人的静力学分析校核分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u5231某六足机器人的静力学分析校核分析案例 134501.1引言 1325011.2六足机器人零件的材料选择 172031.3使用ANSYS对重要部位进行结构强度校核 21.1引言对于大多数仿生探测机器人而言，其最重要的部位是足（腿）部，对于本文所设计的六足机器人，除了校核足部外，还对头—胸连接杆和胸—腹连接杆两个部位进行了静力学校核分析。1.2六足机器人零件的材料选择本文中所用的伺服电机、行星减速器、舵机、红外测距传感器模块和人体红外感应模块均与实物材料相同或相似；对于蚁足材质的选择将会影响到机器人整体的承载能力，在查阅相关文献后[19]，选择6061铝合金作为蚁足和辅助足的材质，该材质的密度为2800kgm3，躯壳的材质选为ABS塑料材质，其密度为1020表1.1所设计的六足机器人各零件的参数表序号名称材质质量1伺服电机合金钢1.415KG2谐波减速器合金钢0.544KG3舵机尼龙1010.008KG4红外测距传感器尼龙1010.001KG5人体红外感应器尼龙1010.006KG6蚁足（前足）6061合金0.028KG7蚁足（后足）6061合金0.061KG8蚁足（足端）6061合金0.034KG9辅助足（前足）6061合金0.029KG10辅助足（后足）6061合金0.014KG11头部壳体ABS0.112KG12胸部壳体ABS0.384KG13腹部壳体ABS0.098KG14齿轮普通碳钢0.138KG15丝杠合金钢0.127KG1.3使用ANSYS对重要部位进行结构强度校核本文所设计的六足机器人的最关键的部位是足部，足部不仅要承受机器人自身的重量，还要承受来自地面的支反力[20]。同时，前面已经叙述过，对于本文所设计的机器人而言，除了足部结构外，头—胸连接部位和胸—腹连接部位同样重要。因此本节主要是通过ANSYS/workbench软件对所设计的机器人的上述重要部位进行有限元仿真分析，具体仿真内容如下。（1）蚁足强度校核当机器人的蚁足工作时，不管是直线行走或者转弯，最少都同时有三个蚁足与地面接触，所以每个蚁足承受的重力相当于体重的1/3，即38.17N。在对蚁足进行四面体网格划分后，网格划分结果如图1.1所示。当蚁足工作时，取其正常静止时的状态，固定足端地面，于基座处施加重力38.17N，蚁足载荷示意如图1.2所示。图1.1蚁足网格划分图图1.2蚁足载荷示意图应力分析结果如图1.3所示，结果显示最大应力处为足端转动件上，为615.95Mpa，而足端转动件材料为碳钢，抗拉强度为399.83Mpa，所以需要对其进行结构优化，在足端转动件的边线添加圆角后再次进行计算。图1.3蚁足受力应力结果图优化设计后的应力分析结果如图1.4所示，图中显示最大应力为365.58Mpa，小于材料的抗拉极限，符合设计预期。图1.4优化后的蚁足受力应力结果图蚁足施加载荷后的应变和变形结果如图1.5和图1.6所示，蚁足最大应变值为1.947e-3mm/mm，最大变形为1.8544mm。相对于整个机体来看，变形量符合预期要求。图1.5蚁足受力应变结果图图1.6蚁足受力变形结果图（2）辅助足结构强度校核当该六足机器人遇到障碍物时，仅靠六个蚁足无法正常工作，此时，辅助足就显得尤为重要，所以对辅助足的强度校核也必不可少。当辅助足工作做功时，四只辅助足和两个支撑架（四个支撑点）交替与地面接触，所以需要对辅助足和支撑架进行有限元分析。机身自重114.51N，分担到每个辅助足后载重为28.63N。取辅助足运动时足端所受力矩最大的位置进行有限元分析，将辅助足基座轴固定，由于足端会受到来自地面的支反力，所以在足端施加竖直向上的力28.63N。具体如图1.7所示。图1.7辅助足载荷示意图辅助足受力应力结果如图1.8所示，辅助足受力应变结果如图1.9所示，辅助足受力变形结果如图1.10所示。图中显示最大应力为25.258Mpa，最大应变为1.36e-4mm/mm，最大变形为1.69e-2mm。辅助足材质为6061铝合金，抗拉强度为124.08Mpa，远远大于辅助足产生的最大应力。由图中尺寸对比亦可知辅助足的应变和变形相对于本身尺寸可忽略不计，故辅助足结构设计符合预期要求。图1.8辅助足受力应力结果图图1.9辅助足受力应变结果图图1.10辅助足受力变形结果图当辅助足支撑机体向前运动后，需要恢复到之前位置进行下一次动作，此时需要支撑架支撑机体维持平衡。由于辅助足结构简单，且仅有一个工作位置，每个支撑架受力为57.25N，固定支撑架两个底面，在其旋转孔处施加载荷，具体如图1.11支撑架载荷所示。图1.11支撑架载荷示意图支撑架受力应力分析结果如图1.12所示，支撑架受力应变分析结果如图1.13所示，支撑架受力变形分析结果如图1.14所示。从图中可以看出，支撑架产生的最大应力为2.76Mpa，最大应变为1.38e-5mm/mm，最大变形为7.02e-4mm，支撑架材质为合金钢，抗拉强度为721.83Mpa，远远大于2.76Mpa，且最大应变和最大变形相对于支撑架尺寸可忽略不计，所以支撑架结构设计符合预期要求。图1.12支撑架受力应力结果图图1.13支撑架受力应变结果图图1.14支撑架受力变形结果图（3）连接杆强度校核本文所设计的六足机器人无论是蚁足工作还是辅助足工作时，其头—胸部连接杆、胸—腹部连接杆始终在工作，蚁足工作时连接杆需要承受头部或者腹部的重量，辅助足工作时连接杆需要承受胸部的重量。易知该机器人在伸长状态时连接杆所受力矩最大，取机器人处于伸长状态时的连接杆位置状态进行分析。由表1.1可知，该机器人头部重量1.99kg，胸部重量6.86kg，腹部重量1.94kg。易知当辅助足工作时，连接杆承重最大，承重为31.61N。使用ANSYS/workbench对连接杆生成网格，施加载荷于连接杆底座上，将丝杠固定，具体连接杆载荷如图1.15所示。图1.15连接杆载荷示意图如图1.16连接杆受力变形图所示，连接杆受力端的变形量较大，尤其在Y方向，最大为1.74mm，故需要对连接杆进行结构优化设计，考虑到连接杆仅在支座附近变形量较大，于是加厚这部分连接杆。优化后的计算结果显示最大变形为1.92mm，相比于优化前变形量减半，且相对于原整体的尺寸变化可忽略不计，具体优化后的变形结果如图1.17所示。图1.16连接杆受力变形图图1.17优化后的连接杆受力变形图优化后的连接杆受力产生的应力分析结果如图1.18所示，