超高压水射流破拆机器人机械臂架的仿真研究

罗洋，祁宇明，黄贤振

（1.天津市武清区职业中等专业学校，天津300222；2.天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所，天津300222）

设计技术

超高压水射流破拆机器人机械臂架的仿真研究

罗洋1，祁宇明1，黄贤振2

（1.天津市武清区职业中等专业学校，天津300222；2.天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所，天津300222）

超高压水射流破拆机器人应用含有沙粒的超高压水作为工作介质，对混凝土建筑进行破拆。破拆过程中其机械臂架需要承受较大的反作用力，其破拆过程是一个动力学的研究过程，通过应用Solidw orks三维软件建立实体模型，应用ADAMS软件对机械臂架进行仿真研究，对仿真平台接口进行相关设置，模拟实际破拆动作，获得机械臂架的系统数据以及虚拟样机动作参数，并为进一步优化超高压水射流破拆机器人机械臂架的机械结构提供参数依据。

超高压水射流；ADAMS；破拆机器人

目前，国内超高压水射流主要应用于设备清洗和钢板切割。国内对超高压水射流破拆技术研究较为基础，大部分产品还在理论验证阶段，没有走出实验室进行应用[1]。超高压水射流的破拆基理是利用参入沙粒的高压水冲击带有缝隙的混凝土路面，高压、高速的在水流短时间内充满混凝土缝隙从而使混凝土破碎、开裂[2]。超高压水射流的利用大大地提高了破拆效率。本文建立了破拆机器机械臂人的三维模型，并联合ADAMS仿真破拆机器人机械臂在施工过程中的载荷冲击，得到关键的破拆运动参数，对提高我国超高压水射流破拆研究水平具有一定的实际意义。

1仿真环境设置

应用ADAMS进行仿真研究之前，首先需要对ADAMS软件进行环境参数设置，包括基本的环境坐标系、环境单位、重力加速度方向、网格线范围等等。选取一般情况下进入ADAMS界面所需设置的参数详细方法叙述，如图1所示，设置这些参数其目的不仅是为了保证所得测试数据的真实有效性，同时也是为了保证该样机模型在其他测试分析软件中具有正确的参数输出。在ADAMS软件的环境设置中，设置坐标为笛卡尔三维坐标系，机械部件计算单位设为“mm、kg、N、s”，机械部件重力加速度大小设置为9.806 65m/s2，方向沿-Y轴方向。

2三维模型的建立

超高压水射流破拆机器人机械臂架的三维模型采用实际比例进行设计，破拆机器人机械臂设置有7个运动部件。其中：旋转部件5个，由液压马达驱动；直线移动部件2个，通过液压缸驱动。运用Solidworks三维建模软件构建出机械臂架结构模型如图1所示。

图1 机械臂架三维驱动结构模型

ADAMS中模型的导入需要做简化处理，简化的部分包括一些固定零件，如螺栓、销轴、轴承等，简化的部分根据要求采用了实体进行替代。最后将设计好的三维模型保存为x.t文件格式，在ADAMS中选择file→import，导入保存的x.t格式的文件，在ADAMS/View界面中其结果如图2所示。

图2 机械臂架ADAMS模型

3模型参数设置

3.1 约束

由于Solidworks与ADAMS没有专用的数据接口，在Solidworks中所配置的约束等其他运动参数无法导入到ADAMS中，因此破拆机器人的零部件之间的相互约束需要重新添加。添加约束时需要根据机械部件的运动特征、运动方向以及距离来添加运动副，主要添加的运动副有固定副、移动副以及旋转副，如图3所示。

图3 ADAMS中三种运动副

对机械臂架结构的支架翻转机构设置运动副，其结果如图4所示，省略了支架上的托盘机构以及机械臂大臂架。

图4 支架运动副设置

3.2 材料

在破拆机器人机械臂架结构中，不同的部件具有不同的材质，具有相对运动的部件材质设置为不锈钢，如驱动马达、液压驱动缸、齿轮齿条机构、减速机等部件；主要承受力作用的部件采用铸铁，如大臂架支撑、臂架移动部件、支架、支架框、连接法兰等。材料设置好后对整体质量进行检查，机械臂架部件质量如表1所示。

表1 机械臂架部件质量

3.3 载荷

根据破拆机器人工作时受力进行简单分析，其工作载荷主要来自于喷枪喷射时的反作用力。进行破拆作业时喷枪在时的摆动，喷射反作用力会随着混凝土破碎深度的加深而变小，受到的载荷随喷枪的摆动而摆动。在ADAMS中设置该载荷力时，采取在喷枪顶端标记点，以该标记点作为作用点设置载荷力F，并使得该力沿喷枪杆方向进行作用。考虑到载荷大小的变化，力的大小采用自定义驱动函数进行设置，驱动函数公式为：

其中：time为ADAMS的时间变量，随着仿真时间的变化而变化，采用正弦函数构造载荷F的波动，来模拟实际破碎时F值的变化。

4模型仿真及分析

在对机械臂架模型添加约束和其他参数设置后，需要及时进行实验仿真，观察其运动结果是否正确。大臂架移动缸和支架翻转液压缸是机械臂架的主驱动力，两者之间支架翻转铰接点也是受力最大、机械部分最危险的部分。机械臂架由于重力作用的原因，在初始状态下大臂架移动缸和支架翻转液压缸会受到力的作用。将各个部件的驱动函数设置为零，仿真后进入后处理，提取支架铰接点的受力参数，可得到该部件铰接点受力状况如图5所示。

图5 静止状态支架翻转铰接点受力

静止状态下大臂架移动缸和支架翻转液压缸之间铰接点受力均值为1 957 N，这是由于大臂架移动机构缸其承受力的方向与施力方向在同一直线上，因此仿真时其受力小于支架翻转液压缸受力。根据部件质量进行分析可知，在除去臂架回转机构和大臂架质量后的整体质量为210.81 kg，其重力为G＝m·g＝210.81×9.8＝2 066 N，与其铰接点受力相差109 N，可知其仿真结果与实际情况具有一致性。

为确保破拆机器人机械臂运动部件动作的正确性和机械结构设计的合理性，需要对机械臂架结构进行运动模型验证，这里选取破拆机器人对竖直墙壁破拆时，运动部件的动作状态进行模型检查。竖直壁面破拆时，需要机械臂对各部件进行方位调整，将喷枪头调整到垂直于墙面的方向，运动机构包括臂架回转、支架回转、支架翻转等机构，对相应的关节设置驱动函数见表2.

表2 墙面破拆驱动参数

仿真时间设置为10.5 s，仿真5 s时大臂架移动缸和支架翻转液压缸的支架翻转铰接点受力均值为2 755 N，如图6所示，铰接点的受力在材料的屈服极限之内，仿真过程中运动过程流畅，无机构干涉等现象发生，所预设运动过程一致，说明各动作模块连接参数设计正确。

图6 运动状态支架翻转铰接点受力

5结束语

本文建立了破拆机器人机械臂架结构仿真的具体方法，应用solidworks建立破拆机器人机械臂的系统模型，采用ADAMS作为主控软件，并进行模型验证。仿真结果为破拆机器人的研发设计提供了一定的参考依据。

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

国家科技支撑计划课题（2015BAK06B04）；天津市科技支撑计划重点项目（14ZCZDSF00022）；天津市智能制造科技重大专项（15ZXZNGX00260）；国家自然科学青年基金项目（61301040）

罗洋（1975-），男，天津武清人，学士，中学高级，研究方向为机器人技术及应用。