GTC-15D 多功能拆除機(jī)器人的研制

孫 立，王 飛 ，王 濤

(安徽驚天液壓智控股份有限公司，安徽馬鞍山243000）

現(xiàn)在城市破拆作業(yè)中，為減小作業(yè)對周邊環(huán)境的污染，禁止使用爆破，又因城市中相對空間狹小，對于破拆設(shè)備的大小尺寸有限制，因此電動機(jī)器人是在此種環(huán)境下開發(fā)的一款遙控多功能作業(yè)裝備。 此類設(shè)備所需能源為電，從而減小對環(huán)境的污染，具備作業(yè)范圍廣、操作靈活方便、工作安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，極大地改善了破拆設(shè)備對作業(yè)環(huán)境的污染。 還可應(yīng)用于水泥、冶金行業(yè)中對各種爐窯的打殼、拆磚及拆除。

GTC-15D 拆除機(jī)器人是一款電機(jī)驅(qū)動，用于高危環(huán)境下具有精細(xì)化作業(yè)能力的新型高科技裝備。 通過將負(fù)載反饋式電液比例系統(tǒng)、基于CAN 總線的數(shù)字式雙向無線遙控系統(tǒng)， 并裝備獨(dú)特的5 自由度作業(yè)機(jī)構(gòu)， 該設(shè)備可以在易燃、易爆、易坍塌的危險(xiǎn)區(qū)域中靈活地、精確地進(jìn)行全方位、遠(yuǎn)距離控制的破碎、拆除等作業(yè)。整機(jī)具有體積小，靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，是機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展和跨越。

1 主要技術(shù)參數(shù)

表1 整機(jī)性能

表2 液壓系統(tǒng)

2 系統(tǒng)組成

GTC-15D 多功能遙控拆除機(jī)器人， 它集仿生技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、機(jī)電液一體化技術(shù)、沖擊振動技術(shù)于一體，是機(jī)器人破拆技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐的特種設(shè)備，其主要結(jié)構(gòu)見圖1，主要由機(jī)械系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、傳感與電液比例控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及照明系統(tǒng)等部分組成。

2.1 機(jī)械系統(tǒng)

圖1 GTC-15D 拆除機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

主要包括車體、行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺、多關(guān)節(jié)機(jī)械臂、工具頭和液壓支腿組成。車體分為上、下車身兩部分。 上車內(nèi)部安裝動力系統(tǒng)（電動機(jī)）、控制系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等。下車由小型履帶運(yùn)動底盤（含四輪一帶、行走馬達(dá)）、活動車架總成（通過油缸伸縮實(shí)現(xiàn)履帶架變幅）及4 支液壓支腿組成。上、下車之間的液壓通道經(jīng)過中心回轉(zhuǎn)接頭連通。

行走機(jī)構(gòu)采用履帶式結(jié)構(gòu)，通過兩個(gè)自身帶有制動器的液壓馬達(dá)分別驅(qū)動，液壓馬達(dá)設(shè)置高速和低速檔，最大行駛速度2.3(慢速)/4.2(快速)km/h， 可根據(jù)現(xiàn)場機(jī)器人負(fù)重作業(yè)情況不同，選擇不同檔位行走，行走快慢可遠(yuǎn)程無級調(diào)節(jié)。

多關(guān)節(jié)機(jī)械臂由大臂、二臂、三臂及相應(yīng)的驅(qū)動油缸組成，整體為串聯(lián)式可變?nèi)切螜C(jī)構(gòu)。

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)平臺、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、 回轉(zhuǎn)支架、 中心回轉(zhuǎn)接頭等組成。 可做360°回轉(zhuǎn)。

為增加機(jī)器人的中心支撐面積，保證機(jī)器人的工作穩(wěn)定性， 車身前后安裝有四只液壓支腿，前后左右對稱布置。

2.2 動力系統(tǒng)

考慮到破拆作業(yè)環(huán)境限制， 使用清潔能源，電動機(jī)器人采用電動機(jī)驅(qū)動。

2.3 液壓系統(tǒng)

機(jī)器人液壓系統(tǒng)主要由負(fù)載敏感式變量柱塞泵、負(fù)載敏感電液比例多路換向閥、雙作用式液壓缸、液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá)、二位三通電磁閥、平衡閥以及其它液壓元件組成。整個(gè)液壓系統(tǒng)可以分為主液壓回路和負(fù)載反饋液壓回路兩部分。多路換向閥分成4 片和6 片兩件，4 片分別用于控制下車左右行走和前后支腿；6 片用于控制工作臂4支油缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)和液壓屬具。 二位三通電磁閥（序號5）用于控制履帶伸縮，先導(dǎo)油源閥（序號20）用于控制行走快慢速檔切換。 兩片主閥將負(fù)載（Ls 口）串聯(lián)起來與變量泵控制口相連，從而實(shí)現(xiàn)泵閥負(fù)載敏感控制。

液壓系統(tǒng)的主泵為軸向變量柱塞泵，應(yīng)用恒功率負(fù)載敏感控制技術(shù)，并選用負(fù)載敏感比例多路閥（閥后補(bǔ)償方式）為系統(tǒng)的控制核心元件，使泵的輸出流量始終與負(fù)載需要相適應(yīng)，從而使系統(tǒng)具有良好的操作性能、節(jié)能和系統(tǒng)發(fā)熱小等優(yōu)點(diǎn)，故機(jī)器人的整體操作性能較好，機(jī)器人液壓原理圖如3 所示。

圖3 GTC-15D 機(jī)器人液壓原理圖

2.4 傳感與電液比例控制系統(tǒng)

機(jī)器人液壓系統(tǒng)采用基于脈寬調(diào)制的電液比例系統(tǒng)進(jìn)行控制，組成電液比例控制系統(tǒng)的基本元件有控制手柄、控制器、脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動電路、電液比例閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分。 通過遙控手柄發(fā)射控制信號，控制電液比例先導(dǎo)閥的輸出壓力，控制主換向閥閥芯的開口位置，從而實(shí)現(xiàn)液壓執(zhí)行元件工作速度的比例調(diào)節(jié)。

遙控手柄主要由雙遙桿（萬向）無線/有線信號發(fā)射系統(tǒng)（遙控器）、無線/有線信號接收轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。 接收器安裝在機(jī)架內(nèi)，接收天線通過磁座放在機(jī)體外部，遙控器控制面板如圖4 所示。

圖4 機(jī)器人遙控器控制面板

2.5 通信系統(tǒng)

通信是機(jī)器人必不可少的功能之一。通過通信系統(tǒng)， 機(jī)器人可以傳遞外部或者內(nèi)部信息，完成諸如傳感信息處理數(shù)據(jù)運(yùn)算。為保證機(jī)器人控制系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)特性和模塊擴(kuò)展性，機(jī)器人的通信系統(tǒng)采用CAN 總線通信模式， 利用紅外遙控技術(shù)建立集成了機(jī)器人的整個(gè)通信系統(tǒng)，包括機(jī)器人通信接口、CAN 總線控制器、遙控發(fā)射器、遙控接收器等模塊。

3 結(jié)論

圖5 控制系統(tǒng)組成框圖

GTC-15D 拆除機(jī)器人樣機(jī)已出爐， 并已投放市場，在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的跟蹤中，其性能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，并且開始批量生產(chǎn)。

GTC-15D 型電動拆除機(jī)器人開發(fā)和研制成功，它的推廣應(yīng)用可以打破國外的技術(shù)壟斷，填補(bǔ)國內(nèi)在本領(lǐng)域的技術(shù)與生產(chǎn)空白，應(yīng)用前景廣闊。

[1]羅銘，郝其昌，錢國忠.GTC-45 型拆除機(jī)器人[J].建筑機(jī)械，2007(23)：99-103.

[2]徐必勇，羅銘.GTRC-45 型多功能遙控拆除機(jī)器人的研制[J].工程機(jī)械，2011，(4)：2-7.

[3]徐必勇，劉顯成，羅銘.新型多功能拆除機(jī)器人的研制[J].建筑機(jī)械，2013(5)：100-104.

[4]劉金國，王越超，李斌 等.災(zāi)難救援機(jī)器人研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵性能及展望[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42(12)：1-12.

[5]徐正飛，徐春權(quán)，頓向明.ZXPJ01 型消防機(jī)器人的研制[J].機(jī)器人，2002(2)：159-1641

[6]錢國忠，羅銘.拆除機(jī)器人在國外的研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].建筑機(jī)械，2007(15)：20-22.