煤礦巷道架管機(jī)器人機(jī)械手爪設(shè)計(jì)*

陳瑞云，宋和義

（1.淮河能源控股集團(tuán)煤業(yè)公司，安徽淮南232001；2.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南232001）

0 引言

隨著中國制造2025國家戰(zhàn)略實(shí)施以來，中國的煤炭工業(yè)技術(shù)不斷創(chuàng)新，取得了長久發(fā)展，不僅井下裝備機(jī)械化程度大大提高，而且對(duì)智能化要求也越來越高[1-2]。而傳統(tǒng)煤礦架管作業(yè)方式導(dǎo)致了高傷亡率和煤礦從業(yè)人數(shù)逐漸減少，其技術(shù)水平與當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)有所不協(xié)調(diào)[3]；且不同的工作系統(tǒng)、煤礦巷道環(huán)境的復(fù)雜多變，在架管過程中，架管機(jī)器人末端執(zhí)行器[4-6]夾持管道所需的夾持力可能會(huì)超過管道材料許用應(yīng)力，導(dǎo)致管道的損傷。

國內(nèi)外研究學(xué)者就管道夾持問題早已開展了研究且取得了優(yōu)異的成績，第一臺(tái)機(jī)械手爪“Unimate”率先由美國的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在1958年設(shè)計(jì)制造，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿照坦克炮臺(tái)，在運(yùn)動(dòng)時(shí)由液壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)手爪各種姿態(tài)的調(diào)整，可以完成多角度的抓取任務(wù)；日本的岡山大學(xué)研制出一款專門應(yīng)用于農(nóng)業(yè)葡萄采摘的機(jī)械裝置，其整體裝置由5個(gè)機(jī)械手爪組成，每個(gè)機(jī)械手爪可以自由旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)[7]。葛琳琳[8]曾經(jīng)研制出了一款仿人手的的機(jī)械手爪，該手爪利用增速齒輪驅(qū)動(dòng)來模擬人手的姿態(tài)去抓取物體，但由于自由度較少，在抓取非圓柱狀物體時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。駱敏舟等[9]在加拿大SARH機(jī)械手爪基礎(chǔ)上研制的大負(fù)載欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手爪。針對(duì)管道夾持問題，本文擬設(shè)計(jì)一種新型煤礦巷道架管機(jī)器人機(jī)械爪。

1 機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 所示為架管機(jī)整體裝配圖，為了保證架管機(jī)器人機(jī)械手爪能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜、細(xì)致、安全的架管操作，機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)需要從如下煤礦實(shí)際工況要求出發(fā)，完成機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10-11]。

圖1 架管機(jī)整體裝配圖

1.1 機(jī)械手爪工作原理

如圖2所示為機(jī)械手爪，夾爪的開合由雙向液壓缸控制，機(jī)械手爪外殼用來定位和支撐夾爪，其上端與調(diào)角液壓桿鉸鏈連接，并與機(jī)械手爪的橫軸連接。當(dāng)調(diào)角液壓缸伸縮的時(shí)候，會(huì)使外殼帶動(dòng)夾爪繞夾管器橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可調(diào)節(jié)夾爪的張開角度。架管機(jī)放置架提升會(huì)帶動(dòng)夾爪升高，實(shí)現(xiàn)指定高度下的架管。在機(jī)械手爪的左右夾爪上開有向里凹陷的槽，使內(nèi)夾套能夠安裝在夾爪內(nèi)，通過更換不同厚度的內(nèi)夾套，可大大提高機(jī)械手爪的適應(yīng)性。在內(nèi)夾套的結(jié)構(gòu)上設(shè)有突出部分，當(dāng)內(nèi)夾套剛好夾緊管道的時(shí)候，兩個(gè)內(nèi)夾套的突出部分就會(huì)接觸，阻止夾爪繼續(xù)夾緊管道，避免過度夾緊。

圖2 機(jī)械手爪

1.2 機(jī)械手爪的液壓缸基本參數(shù)確定

機(jī)械手爪要實(shí)現(xiàn)既定動(dòng)作的夾管操作，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是至關(guān)重要的一環(huán)，考慮到機(jī)械手爪所處煤礦井下實(shí)際工作環(huán)境以及夾緊力不能過小要求，采用液壓驅(qū)動(dòng)作為動(dòng)力源最為合適，為此有必要確定液壓缸的基本參數(shù)。

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手爪所夾持的每節(jié)管道直徑為50 cm，目標(biāo)液壓缸制動(dòng)壓力為2 020 N，結(jié)合表1可知，選定工作壓力為1 MPa。

表1 不同負(fù)載下的設(shè)計(jì)參數(shù)壓力

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊液壓傳動(dòng)與控制》[12]中相關(guān)理論，不同負(fù)載下設(shè)計(jì)參數(shù)壓力，如表1所示。其中，η為液壓缸機(jī)械效率，考慮到能量損失，一般工程機(jī)械中η=0.95，則：

由式（1）計(jì)算可得D≈52 mm，根據(jù)表2取液壓缸內(nèi)徑D=63 mm。

表2 液壓缸內(nèi)徑尺寸選擇

活塞直徑d通過查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊液壓傳動(dòng)與控制》相關(guān)理論以及查表得知，d=31 mm，經(jīng)過圓處理后得d=32 mm，其中液壓缸材料選擇45號(hào)鋼，缸體選用鑄鋼，密封圈采用天然橡膠，活塞桿需進(jìn)行淬火處理。

2 機(jī)械手爪優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手爪有限元模型建立

架管機(jī)中的機(jī)械手爪是管道夾持工作中的關(guān)鍵部件，為實(shí)現(xiàn)架管夾持機(jī)構(gòu)定位的可靠性，采用兩點(diǎn)定位的對(duì)管道兩個(gè)部位進(jìn)行夾持，有效的保護(hù)了手爪和作業(yè)管道，同時(shí)避免了管道的變形，其三維模型如圖3所示。將建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，手爪夾取的試件為直徑為500 mm，質(zhì)量為30 kg的圓柱形管道，為了更真實(shí)模擬手爪夾取管道受力情況，在ANSYS軟件中添加一個(gè)圓柱形管道，應(yīng)力分析云圖如圖4所示。由圖可知，夾持機(jī)構(gòu)主要受到管道的重力，最大應(yīng)力在夾持機(jī)構(gòu)的中間部分，其變形量很小，足以完成管道夾持提升的工作。對(duì)夾持管道剖面處理，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)械手爪對(duì)管道的夾持力沒有對(duì)管道造成明顯的變形，說明所設(shè)計(jì)的機(jī)械手爪符合安全穩(wěn)定性的工作要求。

圖3 機(jī)械手爪模型

圖4 機(jī)械手爪應(yīng)力云圖

2.2 手爪優(yōu)化分析

為了達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要對(duì)手爪各關(guān)節(jié)長度和厚度進(jìn)行優(yōu)化。取手爪關(guān)節(jié)長度L1、L2、L3，關(guān)節(jié)的厚度D為手爪優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，整體質(zhì)量、最大應(yīng)力、最大應(yīng)變?yōu)閮?yōu)化目標(biāo)，在ANSYS中，對(duì)手爪關(guān)節(jié)鉸鏈處施加固定約束，手爪各個(gè)關(guān)節(jié)上施加壓力以模擬手爪在夾住管道后保持靜態(tài)平衡的過程，圖5所示為手爪受力加載的效果圖，其中綠色為加載面，紅色箭頭為加載位置。

圖5 手爪加載

通過ANSYS迭代優(yōu)化仿真后，得到優(yōu)化參數(shù)的靈敏度柱狀圖如圖6所示，靈敏度分析可以確定哪些優(yōu)化參數(shù)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)有較大影響，正靈敏度表示構(gòu)件優(yōu)化參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)成正相關(guān)關(guān)系。由圖可知，與手爪的近關(guān)節(jié)、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)長度、關(guān)節(jié)厚度相比，手爪中間關(guān)節(jié)的長度對(duì)機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力、最大總變形均有較大影響，這與中間關(guān)節(jié)在手爪所處的位置、所受載荷較大有關(guān)，而手爪關(guān)節(jié)的厚度對(duì)夾爪質(zhì)量影響最大，所以為了使手爪達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化、操作更靈活要求，在滿足使用功能的情況下，手爪的厚度越小越好，為此進(jìn)行最大應(yīng)力。最大總變形響應(yīng)分析。

圖6 手爪靈敏度柱狀圖

由圖7可以看出，手爪遠(yuǎn)關(guān)節(jié)和中間關(guān)節(jié)長度變化對(duì)手爪應(yīng)力影響較大，最大應(yīng)力響應(yīng)曲面圖上下波動(dòng)很劇烈；另外隨著手爪關(guān)節(jié)長度和厚度值變化，手爪應(yīng)力也在不同程度的變化，中間關(guān)節(jié)長度與厚度變化對(duì)手爪應(yīng)力影響顯著，這與前面優(yōu)化參數(shù)靈敏度分析結(jié)果保持一致，也符合實(shí)際工作中手爪受力情況。隨遠(yuǎn)關(guān)節(jié)長度與厚度變化，手爪最大應(yīng)力變化較為平穩(wěn)，沒有上下起伏劇烈的情形，這對(duì)手爪運(yùn)動(dòng)很有利，因?yàn)槭肿︱?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與手爪遠(yuǎn)關(guān)節(jié)直接相連，如果最大應(yīng)力變化太劇烈，會(huì)影響手爪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致手爪夾持管道時(shí)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

圖7 最大應(yīng)力響應(yīng)曲面

由圖8可以看出，隨著手爪關(guān)節(jié)尺寸的增大，手爪的最大變形量也在增大，但變形量較小。機(jī)構(gòu)最大變形量變化波動(dòng)較為平穩(wěn)，沒有上下劇烈波動(dòng)，最大機(jī)構(gòu)總變形為0.309 mm，沒有超過機(jī)構(gòu)材料的最大許用變形量，所以設(shè)計(jì)的手爪的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)安全性要求。

圖8 機(jī)構(gòu)最大總變形響應(yīng)曲面圖

在不改變結(jié)構(gòu)的前提下，最大限度的減輕手爪的整體重量和減少構(gòu)件的最大形變，利用ANSYS軟件優(yōu)化模塊對(duì)手爪關(guān)節(jié)尺寸大小進(jìn)行優(yōu)化處理，最終得到一組理想的手爪關(guān)節(jié)尺寸值：手爪遠(yuǎn)關(guān)節(jié)L1=52.8 mm，手爪中間關(guān)節(jié)L2=66 mm，手爪近關(guān)節(jié)為L3=50.16 mm。

3 機(jī)械手爪動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 仿真模型的建立

將機(jī)械手爪模型簡化并導(dǎo)入ADAMS中后，完成工作界面的設(shè)置以及手爪材料屬性的設(shè)置，然后根據(jù)手爪構(gòu)件之間的實(shí)際運(yùn)動(dòng)期刊添加彼此的約束，如地面與管道之間添加固定約束、手爪與雙向液壓缸之間添加驅(qū)動(dòng)副、各關(guān)節(jié)處添加轉(zhuǎn)動(dòng)副、手爪關(guān)節(jié)與連桿間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，圖9所示為機(jī)架管機(jī)器人機(jī)械手爪ADAMS虛擬仿真的樣機(jī)模型。

圖9 機(jī)械手爪虛擬樣機(jī)仿真模型

3.2 仿真與分析

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)夾取機(jī)構(gòu)是夾爪，每一個(gè)夾爪由3個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)組成，運(yùn)動(dòng)仿真就是模擬夾管的夾管動(dòng)作，仿真過程如圖10所示。仿真結(jié)果如圖11～12所示，由圖11可知，上下夾爪中間關(guān)節(jié)在0~1.5 s沒有受力，這是由于機(jī)械手爪受雙向液壓缸的驅(qū)動(dòng)，先是夾爪近關(guān)節(jié)接觸管道，隨著夾爪近關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力增大到中間扭簧開始扭轉(zhuǎn)時(shí)，中間關(guān)節(jié)開始受力運(yùn)動(dòng)并與管道接觸。1.5 s后可以看出夾爪中間關(guān)節(jié)為了能夠夾持住管道，接觸力不斷增大直至最后夾爪完全夾持住管道保持靜止，另外上下夾爪在夾持管道過程中接觸應(yīng)力大小相等方向相反。這與手爪裝置中夾爪結(jié)構(gòu)對(duì)稱的設(shè)計(jì)保持一致，上下對(duì)稱的夾爪設(shè)計(jì)使手爪夾持管道更穩(wěn)定。

圖10 夾爪夾取管道狀態(tài)

圖11 上下夾爪中間關(guān)節(jié)受力

由圖12可知，夾爪遠(yuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)位移變化最大，夾爪中間關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)位移變化相對(duì)較小。這是由于管道被夾爪夾持住后，中間關(guān)節(jié)接觸面積最大，如果中間關(guān)節(jié)位移變化較大會(huì)對(duì)夾持的管道造成損傷，而夾爪遠(yuǎn)關(guān)節(jié)是管道被夾持后對(duì)管道起包絡(luò)抓取作用的構(gòu)件，避免管道在巷道架管提升過程中發(fā)生掉落情況。以上運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果與架管機(jī)機(jī)械手爪預(yù)期設(shè)計(jì)相符合，機(jī)械手爪能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定夾取管道的功能。

圖12 夾爪各關(guān)節(jié)位置曲線

4 結(jié)束語

本文基于架管機(jī)器人，完成了用來夾持管道的機(jī)械手爪，并通過有限元分析分析機(jī)械結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分析，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的合理性；在不改變結(jié)構(gòu)的前提下，利用ANSYS軟件優(yōu)化模塊對(duì)手爪關(guān)節(jié)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化處理，最終得到一組理想的手爪關(guān)節(jié)尺寸值：手爪遠(yuǎn)關(guān)節(jié)L1=52.8 mm，手爪中間關(guān)節(jié)L2=66 mm，手爪近關(guān)節(jié)為L3=50.16 mm。

通過對(duì)機(jī)械手爪進(jìn)行ADAMS動(dòng)力學(xué)分析驗(yàn)證機(jī)械手爪的夾緊力與性能與設(shè)計(jì)預(yù)期符合，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定夾取管道的功能。