基于ANSYS 的防爆機器人關節仿真分析

蔣曙光

（宜興經濟技術開發區安環局，江蘇 宜興 214200）

隨著工業社會的飛速發展，在這樣大環境下，各個行業都面臨著生產作業效率和方式的轉型突破，尤其是像石油化工、涉爆粉塵以及消防等高危環境生產中的安全問題更不容忽視。傳統作業方式主要還是通過人工穿著防爆服的方式，對設備和環境存在的潛在爆炸威脅進行排除。但是這樣的方法有著明顯的不足之處，許多生產作業區域高度危險，人工不方便進行作業，即使能夠進入，傳統的人工方式也存在勞動強度大、工作效率低、手段單一且危險性極高等弊端。并且，隨著工業的發展，此類安全隱患數量不斷加大，傳統的人工防爆已經無法滿足作業要求。因此，防爆機器人應運而生，并且很快取得了市場的認可。據應急管理部（原國家安全生產監督管理總局）統計，中國平均每年因生產安全事故引發的損失極其巨大，為了保障人員安全，降低損失風險，提高企業生產作業效率，可以采用防爆機器人，其能在生產作業隱患排除過程中發揮巨大作用，所以對防爆機器人的研究就顯得尤為重要。但是防爆機器人由于手臂過長，存在剛性結構差等缺點。

防爆機器人作為特種機器人的一種，不僅可以在危險環境下對可疑的爆炸物品進行檢查、抓取、搬運和銷毀，是搜爆、排爆作業的專業裝備，還可以應用在危險、有毒、有害的惡劣環境中，通過工業內窺鏡進行偵察、消防、救援，并在核工業中核輻射環境下的作業，保護人員不受到有害物體的傷害。

通常情況下，其主要工作是用于完成在復雜環境下搜查、排爆、監控及放射性物質排除等危險工作，配有履帶或者輪子在廢墟、草地、灘涂等地域行駛。通過各個攝像機、X 光射線儀和激光測距儀等對工作環境進行監控。根據需要還可以將機器人的控制設置為有線控制和無線控制。當前，無論在國外還是在國內，防爆機器人系統的研究都是處在一個上升階段，而且也取得了很多成果，其中以美、英、德、法、以色列等國家較為成熟，并相繼有排爆機器人產品投入實際應用。

反觀國內某些重要的工業領域，例如油氣廠站作業區這種高危環境下，絲毫馬虎大意都埋伏著巨大的安全隱患。因此，油氣能源工業作為特殊的生產作業領域，必須要高頻次、高精準、全天候地完成日常巡檢防爆工作任務，并針對各類現場不確定危險因素作出相應預警措施，這樣才可確保企業生產作業的正常進行。如果采用防爆機器人代替人工進行防爆巡檢，不僅可以降低危險性，而且可以大大提高工作效率，僅使用一個防爆機器人就可以獨立完成對整個廠站現場各種環境狀態，如管道氣體泄漏、儀表失靈、設備異常等非常規突發情況的排查。因此增加對防爆機器人的相關研究意義重大，無論是對人們的安全還是社會長遠發展來說都有積極意義。

1 防爆機器人關節設計

根據作業環境需求以及防爆機器人動作需求分析，本文設計了雙臂對稱布置的防爆機器人，以兩臂連接方式，一個采用垂直布置，另一個采用水平布置，并對防爆機器人的關節連接方式進行了研究。為避免球腕型結構（三關節軸線交于一點）需要設計復雜外形的關節外殼，防爆機器人關節布置方式選擇非球腕型結構（三關節軸線交于兩點）。而且非球腕型關節結構的負載能力和運動范圍均優于球腕型關節結構，并且可以解決關節連續旋轉時手腕內部走線的打結或折斷問題。

此外，為了簡化防爆機器人的運動學計算，將非球腕型關節中相鄰軸線的相交角度確定為直角，即防爆機器人的各個關節的配置均為正交非球腕型關節結構。

根據以上設計原則，從而確定了防爆機器人的關節連接方式有兩種方案：①方案一。兩構件垂直，防爆機器人的前一個關節與后一個關節相交角度呈90°布置。②方案二。防爆機器人的兩關節采取平行布置。這兩種設計方案均可以達到仿生機械手臂的功效，從而能夠實現防爆機器人任務過程中的需求。根據該設計方案建立其三維模型如圖1和圖2 所示。

圖1 兩構件垂直

圖2 兩構件平行

2 三維模型的有限元分析

通過對防爆機器人完成任務的動作進行分析，得知由于防爆機器人需要具備搬運以及托舉等動作，所以在其手臂與軀干構成懸臂梁的時候產生的力矩最大，并且對于關節連接處的應變也最大。所以本設計中最大變形是位于兩臂連接處的形變。為了達到防爆機器人在工作過程中的剛度要求以及穩定性要求，本文利用對關節連接件的有限元分析，確定了連接件的最優尺寸。如圖3 所示，首先將關節連接件的三維模型壁厚設置為8 mm，對其受力方向施加模擬的力，進行相關計算得到形變的最大位移為8.96133e-006 mm，形變較大，不能滿足剛性需求需要。如圖4 所示，調整關節連接件三維模型的壁厚為10 mm，再次進行計算分析，得到形變的最大位移為1.541e-002 mm，滿足預先設定的防爆工作需求。

圖3 應力圖1

圖4 應力圖2

3 結語

本文首先根據防爆機器人的工作需求及排障消防的動作分析對防爆機器人進行了結構設計，并且對關節布置進行了相關優化，克服了傳統球腕型結構（三關節軸線交于一點）的缺點，采用非球腕型結構（三關節軸線交于兩點）的布置方式，并據此進行了三維模型的設計。然后根據其工作時的最大變形位置分析，找出關鍵部位的零件，采用有限元分析的方法，分析了關節連接件尺寸設計的合理性，確定了最優參數，確保防爆機器人的懸臂剛度滿足作業要求，對當下防爆機器人設計的科學性、穩定性具有重要幫助，也對企業的生產實現本質安全具有重要意義。