GTC-15D 多功能拆除机器人的研制

2014-07-11孙立，王飞，王涛

凿岩机械气动工具 2014年1期

孙立，王飞，王涛

(安徽惊天液压智控股份有限公司，安徽马鞍山243000）

现在城市破拆作业中，为减小作业对周边环境的污染，禁止使用爆破，又因城市中相对空间狭小，对于破拆设备的大小尺寸有限制，因此电动机器人是在此种环境下开发的一款遥控多功能作业装备。此类设备所需能源为电，从而减小对环境的污染，具备作业范围广、操作灵活方便、工作安全可靠等优点，极大地改善了破拆设备对作业环境的污染。还可应用于水泥、冶金行业中对各种炉窑的打壳、拆砖及拆除。

GTC-15D 拆除机器人是一款电机驱动，用于高危环境下具有精细化作业能力的新型高科技装备。通过将负载反馈式电液比例系统、基于CAN 总线的数字式双向无线遥控系统，并装备独特的5 自由度作业机构，该设备可以在易燃、易爆、易坍塌的危险区域中灵活地、精确地进行全方位、远距离控制的破碎、拆除等作业。整机具有体积小，灵活性强等特点，是机器人技术应用于工程机械领域的发展和跨越。

1 主要技术参数

表1 整机性能

表2 液压系统

2 系统组成

GTC-15D 多功能遥控拆除机器人，它集仿生技术、通信技术、控制技术、传感技术、机电液一体化技术、冲击振动技术于一体，是机器人破拆技术应用于实践的特种设备，其主要结构见图1，主要由机械系统、动力系统、液压系统、传感与电液比例控制系统、通信系统及照明系统等部分组成。

2.1 机械系统

图1 GTC-15D 拆除机器人结构图

主要包括车体、行走机构、回转平台、多关节机械臂、工具头和液压支腿组成。车体分为上、下车身两部分。上车内部安装动力系统（电动机）、控制系统、无线通信系统、冷却系统和液压系统等。下车由小型履带运动底盘（含四轮一带、行走马达）、活动车架总成（通过油缸伸缩实现履带架变幅）及4 支液压支腿组成。上、下车之间的液压通道经过中心回转接头连通。

行走机构采用履带式结构，通过两个自身带有制动器的液压马达分别驱动，液压马达设置高速和低速档，最大行驶速度2.3(慢速)/4.2(快速)km/h，可根据现场机器人负重作业情况不同，选择不同档位行走，行走快慢可远程无级调节。

多关节机械臂由大臂、二臂、三臂及相应的驱动油缸组成，整体为串联式可变三角形机构。

回转机构主要由回转支承、回转平台、回转马达、回转支架、中心回转接头等组成。可做360°回转。

为增加机器人的中心支撑面积，保证机器人的工作稳定性，车身前后安装有四只液压支腿，前后左右对称布置。

2.2 动力系统

考虑到破拆作业环境限制，使用清洁能源，电动机器人采用电动机驱动。

2.3 液压系统

机器人液压系统主要由负载敏感式变量柱塞泵、负载敏感电液比例多路换向阀、双作用式液压缸、液压回转马达、二位三通电磁阀、平衡阀以及其它液压元件组成。整个液压系统可以分为主液压回路和负载反馈液压回路两部分。多路换向阀分成4 片和6 片两件，4 片分别用于控制下车左右行走和前后支腿；6 片用于控制工作臂4支油缸、回转马达和液压属具。二位三通电磁阀（序号5）用于控制履带伸缩，先导油源阀（序号20）用于控制行走快慢速档切换。两片主阀将负载（Ls 口）串联起来与变量泵控制口相连，从而实现泵阀负载敏感控制。

液压系统的主泵为轴向变量柱塞泵，应用恒功率负载敏感控制技术，并选用负载敏感比例多路阀（阀后补偿方式）为系统的控制核心元件，使泵的输出流量始终与负载需要相适应，从而使系统具有良好的操作性能、节能和系统发热小等优点，故机器人的整体操作性能较好，机器人液压原理图如3 所示。

图3 GTC-15D 机器人液压原理图

2.4 传感与电液比例控制系统

机器人液压系统采用基于脉宽调制的电液比例系统进行控制，组成电液比例控制系统的基本元件有控制手柄、控制器、脉宽调制(PWM)驱动电路、电液比例阀及执行机构等部分。通过遥控手柄发射控制信号，控制电液比例先导阀的输出压力，控制主换向阀阀芯的开口位置，从而实现液压执行元件工作速度的比例调节。

遥控手柄主要由双遥杆（万向）无线/有线信号发射系统（遥控器）、无线/有线信号接收转换系统组成。接收器安装在机架内，接收天线通过磁座放在机体外部，遥控器控制面板如图4 所示。

图4 机器人遥控器控制面板

2.5 通信系统

通信是机器人必不可少的功能之一。通过通信系统，机器人可以传递外部或者内部信息，完成诸如传感信息处理数据运算。为保证机器人控制系统具有良好的响应特性和模块扩展性，机器人的通信系统采用CAN 总线通信模式，利用红外遥控技术建立集成了机器人的整个通信系统，包括机器人通信接口、CAN 总线控制器、遥控发射器、遥控接收器等模块。