高精度LNG自动加液机器人被动柔顺结构设计

田利梅 王宏 曾峥 项光清 陈杰

为了实现液态天然气自动加液机器人末端与被加液车辆加气口和回气口的精准对接，减小对接时冲击力的影响，我们提出设计一种在机器人手臂和自动工具交换装置的连接处采用被动柔顺结构的高精度自动加液机器人。实验结果表明，该设计能有效降低对接时出现的偏差，在圆筒形柔性部分形变时，该柔性重载夹具仍能提供足够的刚度抵抗对接力，完成对接，验证了设计结构的有效性和可行性。

引言

天然气具有价格低、安全性高、无污染等優点，引起了汽车动力材料领域专家的广泛关注，近几年发展迅速。但由于天然气的主要成分是甲烷，导致加气站存在易燃易爆等安全问题，而液态天然气（Liquefied Natural Gas， LNG）具有低温深冷、含氧量极低的特点，吸入天然气低温蒸汽会导致人体呼吸困难甚至窒息[1]。因此自动加液机器人应运而生，用其代替人工可以防止天然气泄漏对人体的伤害，有效地解决了上述安全问题。但是在LNG自动加液机器人加液过程中，加液车辆具有加气口和回气口两个接口，且接口位置不同的特点，增加了对接难度;同时由于被加液车辆难以精准地停靠在指定位置，由此导致的控制误差和测量误差等会导致最终对接位置与理想位置有一定偏差，造成对接失败。

针对这一问题，提出加入柔顺结构设计，使其具有一定的柔顺性和容错性。对于机器人的柔顺结构控制有两种方式：一种是主动柔顺控制，即通过机器人对力的测量实现;另一种是被动柔顺控制，即通过柔性结构实现被动控制[2]。由于主动柔顺控制存在算法复杂等问题，本文采用被动柔顺结构控制。柔顺结构研究工作始于20世纪60年代，最早的柔顺机器人SCARA是由Makino设计出的，该机器人具有较好的水平方向的柔性，适用于水平面的装配[3]。Whiteny实验团队设计了六自由度的RCC（Remote Center Compliance）柔性手腕，但是这种结构的柔性是通过改变弹簧的布置和弹性来改变的[4]，故这种结构的适用性差，没法适应其它不同的作业环境。Sturges等人引入正交柔顺的概念，提出了空间SRCC（Space Remote Compliance Center）的设计思想，通过螺旋杆系调整方位角的误差[5]。

为了提高LNG自动加液机器人的对接精度并且保证具有足够的刚度以及适用性，我们提出设计一种在机器人手臂和自动工具交换装置的连接处采用被动柔顺结构的高精度天然气自动加液机器人，通过结构零件的柔性来完成被动柔顺功能，采用削弱零件刚度的方法形成夹具的柔性，实现LNG机器人末端和被加液车辆加气口和回气口精准对接。

柔性结构设计

不同于传统柔顺装配技术[6]，考虑到LNG加液机器人使用场所的特殊性，对机器人末端被动柔顺结构设计提出约束条件。

设计要求

夹具重量小

如果按照传统设计柔顺结构的方法设计夹具，再采用连杆、弹簧等柔性部件后，结构部件通常较待安装零件重[7]。若按照传统设计方法设计，必然会使柔顺结构及夹具整体严重超重，导致机器人无法运作。因此为解决夹具超重的问题，提出夹具直接使用一体化柔顺结构。

柔性度

LNG自动加液系统工作流程为：搜索-检测-移动的开环系统，存在位移、姿态误差。因此这就需要夹具在对接的时候为加气枪和回气枪提供足够的弹性位移，保证对接成功，减小对接时的冲击，所以需要夹具具有一定的柔性度。

夹具刚度

因LNG加液机器人末端的加气枪重量较大，如果所设计的夹具刚度过低的话，会使得其在运动过程中变形进而导致对接失败，因此合理的刚度指标是柔性夹具设计约束条件之一。

柔顺结构的设计

方案一如图1所示，采用电磁快拆模块安装加气枪和回气枪，并进行了柔顺结构设计。在电磁快拆模块与机械手连接部分设计柔顺结构。快拆模块通过活动中座固定在机器人夹具上，中座两端是圆弧结构，侧面用橡胶固定。由于存在测量误差、控制误差，加气枪与回气枪对接时会出现卡顿，此时活动中座压缩橡胶，在一定范围内转动，确保对接成功。

方案一虽然能成功完成对接，但由于其重量大、结构复杂，不符合设计要求。对其进行改进，改进方案如图2和图3所示。夹具直接使用一体被动柔顺结构，通过结构零件的柔性完成被动柔顺功能，采用削弱零件刚度形成夹具的柔顺结构。改进方案中柔性部分为圆筒形，并且通过提高零件前后部分刚度，可以保持连接部分的稳定性。

圆筒形柔顺结构位于机器人手臂与自动工具交换装置连接处。柔顺结构基体采用铝合金，柔性部分为中空结构，该结构可在前后高刚度安装面之间产生较大的弹性形变。同时在设计中优化了边沿倒角使得应力集中减小。为了增加连接处的刚度，采用增加圆筒前后连接板厚度的方法。因此圆筒形柔性零件弹性变形集中于中空部分，这有利于控制变形特性，在加液枪和加液口对接过程中若存在卡顿现象，可以调节机器人手臂确保对接成功。

柔顺结构的有限元分析

本文采用ANSYS Workbench 15.0软件对LNG加液机器人圆筒形柔性零件进行限元分析，设定如下：

1.零件与机械臂采用六个螺栓固定位置;

2.引入辅助分析零件，模拟LNG加气枪;

3.添加200N的远程力，模拟LNG加气枪20kG的最大重量;

4.为了模拟LNG枪体与结构连接情况，采用螺栓力模拟实际的螺栓连接，设定预紧力为6000N;

5.工况设定LNG加液机器人末端位移加载最大0.6mm位移偏差，方向为正对夹具方向逆时针旋转角度。分析工况设定如表1，分析结果如图4至图11所示。

图6至图11为6种不同工况下对文中设计的LNG加液机器人圆筒形柔顺结构的有限元分析。通过上述分析可知，本文所提出的圆筒形柔顺结构零件应力最大值为154Mpa，柔顺结构基体选用的是材料6061-T6铝合金，极限工况下的安全系数仍能达到1.8倍，表明文中设计的圆筒形柔顺结构达到了设计要求。

实验验证

为进一步验证高精度LNG自动加液机器人被动柔顺结构的性能及可行性，搭建如图12所示的机器人实验平台，平台包括ABB机械臂、圆筒形柔性夹具、加气枪、回气枪、模拟加气车辆加气口和回气口等。通过把实验板固定在实验桌上，模拟车辆加注对接的真实情况。在此过程中，由于測量误差、硬件装配误差以及偶然误差等因素的影响，最终对接位置与理想位置有一定偏差，造成对接失败。当加气枪或回气枪在对接存在卡顿时，活动机器人手臂，通过被动柔顺结构在一定范围内调节加气枪位置，保证了加气枪或回气枪准确的插入相应接口。LNG自动加液机器人对接实验结果如表2所示。

由表2可以看出，十次对接实验全部成功，其中加气枪对接位置最大误差均值为0.257mm，回气枪对接位置最大误差均值为0.251mm，均达到设计要求。在对接期间，可以明显地看到在对接的时候会出现对接卡顿的现象，这时通过柔性部分的变形活动机器人的手臂，使得加气枪或回气枪成功插入。

结论

为了提高LNG自动加液机器人的对接精度，尽量减少对接时冲击力的影响，提出了设计一种在机器人手臂和自动工具交换装置的连接处采用被动柔顺结构的高精度LNG自动加液机器人，保证加气枪和加气口精确对接。通过有限元分析以及实验验证表明，该设计结构的有效性和可行性。

参考文献

[1]程立明. LNG加气站主要危险因素及防护措施[J]. 当代化工研究， 2018 （1）： 129-130

Cheng Liming. Main Risk Factors and Protective Measures in LNG Filling Station[J]. Chenmical Intermediate， 2018 （1）： 129-130

[2]黄婷， 孙立宁， 王振华等. 基于被动柔顺的机器人抛磨力/位混合控制方法[J]. 机器人， 2017， 11（6）： 776-786

[3]Makino H.， Furuya N. Selective Compliance Assembly Robot Ann[J]. JICAA. 1980：77-86

[4]Whitney D E， Rourke J M. Mechanical behavior and design equations for elastomer shear pad remote center compliances[J]. Journal of Dynamic Systems， Measurement & Control， 1986，108（3）： 223-232

[5]Garg， Devendra P.， Ellingboe， Bruce S. Feedback Control in Chamferless Assembly of Compliantly Supported Rigid Parts [C]. American Control Conference， 1985

[6]Newman W S， Branicky M S， Podgurski H A， et al. Force-responsive robotic assembly of transmission components[C]. IEEE International Conference on Robotics and Automation， 1999， 3： 2096-2102

[7]R.H.Sturges， S.Laowattana. Design of an Orthogonal Compliance for Polygonal Peg Insertion[J]. Journal of Mechanical Design， 1996， Vol.118 （1）， pp.106