超高壓水射流破拆機器人機械臂架的仿真研究

羅洋，祁宇明，黃賢振

（1.天津市武清區職業中等專業學校，天津300222；2.天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222）

設計技術

超高壓水射流破拆機器人機械臂架的仿真研究

羅洋1，祁宇明1，黃賢振2

（1.天津市武清區職業中等專業學校，天津300222；2.天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222）

超高壓水射流破拆機器人應用含有沙粒的超高壓水作為工作介質，對混凝土建筑進行破拆。破拆過程中其機械臂架需要承受較大的反作用力，其破拆過程是一個動力學的研究過程，通過應用Solidw orks三維軟件建立實體模型，應用ADAMS軟件對機械臂架進行仿真研究，對仿真平臺接口進行相關設置，模擬實際破拆動作，獲得機械臂架的系統數據以及虛擬樣機動作參數，并為進一步優化超高壓水射流破拆機器人機械臂架的機械結構提供參數依據。

超高壓水射流；ADAMS；破拆機器人

目前，國內超高壓水射流主要應用于設備清洗和鋼板切割。國內對超高壓水射流破拆技術研究較為基礎，大部分產品還在理論驗證階段，沒有走出實驗室進行應用[1]。超高壓水射流的破拆基理是利用參入沙粒的高壓水沖擊帶有縫隙的混凝土路面，高壓、高速的在水流短時間內充滿混凝土縫隙從而使混凝土破碎、開裂[2]。超高壓水射流的利用大大地提高了破拆效率。本文建立了破拆機器機械臂人的三維模型，并聯合ADAMS仿真破拆機器人機械臂在施工過程中的載荷沖擊，得到關鍵的破拆運動參數，對提高我國超高壓水射流破拆研究水平具有一定的實際意義。

1仿真環境設置

應用ADAMS進行仿真研究之前，首先需要對ADAMS軟件進行環境參數設置，包括基本的環境坐標系、環境單位、重力加速度方向、網格線范圍等等。選取一般情況下進入ADAMS界面所需設置的參數詳細方法敘述，如圖1所示，設置這些參數其目的不僅是為了保證所得測試數據的真實有效性，同時也是為了保證該樣機模型在其他測試分析軟件中具有正確的參數輸出。在ADAMS軟件的環境設置中，設置坐標為笛卡爾三維坐標系，機械部件計算單位設為“mm、kg、N、s”，機械部件重力加速度大小設置為9.806 65m/s2，方向沿-Y軸方向。

2三維模型的建立

超高壓水射流破拆機器人機械臂架的三維模型采用實際比例進行設計，破拆機器人機械臂設置有7個運動部件。其中：旋轉部件5個，由液壓馬達驅動；直線移動部件2個，通過液壓缸驅動。運用Solidworks三維建模軟件構建出機械臂架結構模型如圖1所示。

圖1 機械臂架三維驅動結構模型

ADAMS中模型的導入需要做簡化處理，簡化的部分包括一些固定零件，如螺栓、銷軸、軸承等，簡化的部分根據要求采用了實體進行替代。最后將設計好的三維模型保存為x.t文件格式，在ADAMS中選擇file→import，導入保存的x.t格式的文件，在ADAMS/View界面中其結果如圖2所示。

圖2 機械臂架ADAMS模型

3模型參數設置

3.1 約束

由于Solidworks與ADAMS沒有專用的數據接口，在Solidworks中所配置的約束等其他運動參數無法導入到ADAMS中，因此破拆機器人的零部件之間的相互約束需要重新添加。添加約束時需要根據機械部件的運動特征、運動方向以及距離來添加運動副，主要添加的運動副有固定副、移動副以及旋轉副，如圖3所示。

圖3 ADAMS中三種運動副

對機械臂架結構的支架翻轉機構設置運動副，其結果如圖4所示，省略了支架上的托盤機構以及機械臂大臂架。

圖4 支架運動副設置

3.2 材料

在破拆機器人機械臂架結構中，不同的部件具有不同的材質，具有相對運動的部件材質設置為不銹鋼，如驅動馬達、液壓驅動缸、齒輪齒條機構、減速機等部件；主要承受力作用的部件采用鑄鐵，如大臂架支撐、臂架移動部件、支架、支架框、連接法蘭等。材料設置好后對整體質量進行檢查，機械臂架部件質量如表1所示。

表1 機械臂架部件質量

3.3 載荷

根據破拆機器人工作時受力進行簡單分析，其工作載荷主要來自于噴槍噴射時的反作用力。進行破拆作業時噴槍在時的擺動，噴射反作用力會隨著混凝土破碎深度的加深而變小，受到的載荷隨噴槍的擺動而擺動。在ADAMS中設置該載荷力時，采取在噴槍頂端標記點，以該標記點作為作用點設置載荷力F，并使得該力沿噴槍桿方向進行作用。考慮到載荷大小的變化，力的大小采用自定義驅動函數進行設置，驅動函數公式為：

其中：time為ADAMS的時間變量，隨著仿真時間的變化而變化，采用正弦函數構造載荷F的波動，來模擬實際破碎時F值的變化。

4模型仿真及分析

在對機械臂架模型添加約束和其他參數設置后，需要及時進行實驗仿真，觀察其運動結果是否正確。大臂架移動缸和支架翻轉液壓缸是機械臂架的主驅動力，兩者之間支架翻轉鉸接點也是受力最大、機械部分最危險的部分。機械臂架由于重力作用的原因，在初始狀態下大臂架移動缸和支架翻轉液壓缸會受到力的作用。將各個部件的驅動函數設置為零，仿真后進入后處理，提取支架鉸接點的受力參數，可得到該部件鉸接點受力狀況如圖5所示。

圖5 靜止狀態支架翻轉鉸接點受力

靜止狀態下大臂架移動缸和支架翻轉液壓缸之間鉸接點受力均值為1 957 N，這是由于大臂架移動機構缸其承受力的方向與施力方向在同一直線上，因此仿真時其受力小于支架翻轉液壓缸受力。根據部件質量進行分析可知，在除去臂架回轉機構和大臂架質量后的整體質量為210.81 kg，其重力為G＝m·g＝210.81×9.8＝2 066 N，與其鉸接點受力相差109 N，可知其仿真結果與實際情況具有一致性。

為確保破拆機器人機械臂運動部件動作的正確性和機械結構設計的合理性，需要對機械臂架結構進行運動模型驗證，這里選取破拆機器人對豎直墻壁破拆時，運動部件的動作狀態進行模型檢查。豎直壁面破拆時，需要機械臂對各部件進行方位調整，將噴槍頭調整到垂直于墻面的方向，運動機構包括臂架回轉、支架回轉、支架翻轉等機構，對相應的關節設置驅動函數見表2.

表2 墻面破拆驅動參數

仿真時間設置為10.5 s，仿真5 s時大臂架移動缸和支架翻轉液壓缸的支架翻轉鉸接點受力均值為2 755 N，如圖6所示，鉸接點的受力在材料的屈服極限之內，仿真過程中運動過程流暢，無機構干涉等現象發生，所預設運動過程一致，說明各動作模塊連接參數設計正確。

圖6 運動狀態支架翻轉鉸接點受力

5結束語

本文建立了破拆機器人機械臂架結構仿真的具體方法，應用solidworks建立破拆機器人機械臂的系統模型，采用ADAMS作為主控軟件，并進行模型驗證。仿真結果為破拆機器人的研發設計提供了一定的參考依據。

Simulation Study on the MechanicalArm of Ultra High Pressure Water JetDemolition Robot

LUO Yang1，QIYu-ming1，HUANG Xian-zhen2
（1.Tianjin City Wuqing District Occupation Technical Secondary School，Tianjin 300222，China；2.Institute of Robotics and Intelligent Equipment，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Ultra-high pressure water jet is used as the working medium，which is used as the working medium，which contains sand particles.In the process of dismantling themechanical arm to bear great reaction，the rescue process is a process of dynamic research，this papermodels through the application of 3D software，using ADAMS software to simulate the mechanical arm，related settings for simulation platform interface，simulating the actual rescue action，get the system data themechanical arm of the virtual prototype and motion parameters，systematic analysis of the simulation results of parameters，and further optimize the mechanical structure of ultra high pressure water jet rescue robot arm.

ultra-high pressure water jet；ADAMS；breaking and dismantling robot

TP240

A

1672-545X（2016）12-0001-03

2016-09-04

國家科技支撐計劃課題（2015BAK06B04）；天津市科技支撐計劃重點項目（14ZCZDSF00022）；天津市智能制造科技重大專項（15ZXZNGX00260）；國家自然科學青年基金項目（61301040）

羅洋（1975-），男，天津武清人，學士，中學高級，研究方向為機器人技術及應用。