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差动式方位轮的结构强度分析

发布于:2016-10-10 20:50
强度分析

      轮式移动机器人是机器人科学研究的前沿领域之一,它们在生产生活中得到广泛应用的原因在于其控制简单精确、运动能力强、可靠性高。使用了全方位轮的轮式移动机器人被称为全方位移动机器人。全方位轮在传统轮的基础上,将轮的自由度由2个扩展到3个,这样使得全方位机器人可以实现平面内任意方向灵活的平移和自转。诸多科研人员己经开发出多种用途的全方位机器人,例如竞赛型全方位机器人,服务型全方位机器人等。全方位轮是全方位机器人的核心部件,各式各样结构的全方位轮层出不穷,典型的全方位轮有:万向轮、麦克纳姆轮、连续切换轮、球体等,但这些种类全方位轮的承载能力都偏弱。正交轮和MY轮都是将球轮和连续切换轮结合在一起的全方位轮,具有承载能力强、机构简单的特点。下面对其进行详细的结构强度分析
      正交轮与交互轮MY1的剖面对比图,正交轮的接地区与非接地区的切换角度为90°(这正是正交轮名称的来历),而MY1轮的切换角度则是45°。图2所示为第1代MY轮的3D模型。两部分球体的被动旋转轴成45°交叉布置,这样保证了每一时刻均有球冠与地面接触,实现了运动过程中球冠与地面的连续接触。第1代MY轮全方位机器人的运动实验表明MY1轮存在几点不足之处:(1)结构开放、松散,如图,每一对MY1球冠之间的间隙较大,较容易卷入杂物。这就要求MY1轮全方位机器人的使用场地必须满足一定的洁净度。(2)承载能力低,由于每个球冠都由一个独立的被动轴支撑,极容易造成应力应变集中,使承载能力下降。
      图所示为第2代三锥轮MY轮,MY2的设计过程:从球冠的相互分离,到球冠相互的“点接触”,再到锥轮之间的“线接触”。这种结构上的变化实现了三锥轮MY轮结构与强度的优化。图所示为三锥形轮的第2代MY轮3D模型,这种设计的创新点是,变一贯使用的球冠为锥轮。将第1代MY轮的开放式结构改进为封闭结构,并且借助锥形轮之间的相互挤压将一个被动轴的受力传递到其它几个轴,从而增加了MY轮的机械强度(图所示为1轴的受力分析示意图)。但是三锥形轮的设计,会出现锥轮转动方向的相互干涉,如图所示。
      四锥形轮的差动结构的第2代MY轮避免了锥形轮之间的转动干涉,转动方向协调一致,如图所示。图所示右视图和主视图显示了MY2轮驱动方向上是一个完全圆形结构,保证了运动的连续性,而在被动方向上,约束力被球冠的自由旋转运动卸载。第2代MY轮有着十分突出的优点:(1)结构封闭、紧凑,如图所示,由于差动结构的存在,MY2轮不再是MY1轮的开放式结构,而是4个锥形轮的组合。4个锥形轮构成封闭式结构,降低了机器人运动受阻的可能性,这扩展了MY轮机器人的应用空间。(2)承载能力高,MY2轮在结构上彻底将轮的被动轴的受力状态优化,锥轮不仅传递着滚动作用,还将地面的支撑力传递给其它锥轮,被动轴之间相互依靠,提高了承载能力,如图所示。图所示为(a)中1轴的受力分析图,图中标示出轴向受力。(3)较强的越障能力,多锥形体组合式MY轮变开放结构为封闭结构,克服了常规全方位轮越障能力差的缺点。不仅在主驱动方向上能够跨越障碍,也能够实现被动方向的障碍跨越,实现了全方位轮功能上的突破。越障高度可以达到0。
      为了进一步增加MY轮与地面之间的摩擦力,在第3代MY轮的设计中采用聚氨醋材料覆盖在轮的接地面,用强胶与铝质基轮相粘合。另外,轮缘的设计没有沿袭MY2轮的较为锋利的结构,而是在MY3的A,B位置进行了倒圆角操作。而且聚氨醋轮与基轮之间有15°的夹角,用来防止锥形轮之间搅入杂物。MY1轮和MY2轮在设计时保持了轮在轴线方向上圆周的完整性,而MY3轮的结构设计破坏了MY轮的完整圆周,出现了大小为△的误差。对△的校核如下:MY3具体数据以及主要参数如下,MY轮半径R=40mm,MY轮中心到倒角处距离R=38mm基座轮半径L=32,95mm聚氨酯轮倒角h=2,53mm倒角半径2mm,聚氨酯轮间夹角30°,将数据代入两式,可求得形变率R=0.4%,误差较小,在允许误差范围内,故该“非圆”结构对MY3轮的影响可以忽略不计。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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