混凝土布料機(jī)器人機(jī)械臂鉸點(diǎn)優(yōu)化分析

王云磊，祁宇明，鄧三鵬，彭淑萍，周旺發(fā)

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津300222；2.天津博諾智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限公司，天津300350）

混凝土布料機(jī)器人機(jī)械臂鉸點(diǎn)優(yōu)化分析

王云磊1，祁宇明1，鄧三鵬1，彭淑萍1，周旺發(fā)2

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津300222；2.天津博諾智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限公司，天津300350）

機(jī)械臂是混凝土布料機(jī)器人的重要部件，機(jī)械臂鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)的合理與否決定了混凝土布料的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。使用Solidworks軟件建立混凝土布料機(jī)器人機(jī)械臂的三維模型，并使用Solidworks motion對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真，得出機(jī)械臂之間鉸點(diǎn)油缸的壓力曲線，并對(duì)鉸點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

機(jī)械臂；鉸點(diǎn)；運(yùn)動(dòng)學(xué)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械臂是混凝土布料機(jī)器人最為重要的部件之一，其主要作用是把水泥混凝土連續(xù)、均勻、精確地輸送到澆筑位置。機(jī)械臂的鉸點(diǎn)相當(dāng)于布料機(jī)器人的關(guān)節(jié)，在混凝土澆筑過(guò)程中起到了關(guān)鍵的作用，其設(shè)計(jì)的合理與否直接影響混凝土布料機(jī)器人的綜合性能以及機(jī)械臂的澆筑精度。

Solidworks Motion是Solidworks的一個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真模塊，其主要功能是為工程設(shè)計(jì)人員提供虛擬樣機(jī)的仿真分析工具，通過(guò)對(duì)復(fù)雜的機(jī)械零件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真，獲得速度、加速度、作用力等相關(guān)數(shù)據(jù)，并應(yīng)用圖標(biāo)、動(dòng)畫(huà)等方式表現(xiàn)出來(lái)，詳細(xì)地反映出機(jī)械零件間運(yùn)動(dòng)特性。本文使用Solidworks Motion軟件對(duì)混凝土布料機(jī)器人的機(jī)械臂鉸點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 機(jī)械臂鉸點(diǎn)數(shù)學(xué)模型的建立

使用三維軟件Solidworks建立混凝土布料機(jī)器人機(jī)械臂的三維模型，選用單缸六鉸點(diǎn)的機(jī)構(gòu)連接各節(jié)機(jī)械臂，如圖1中（a）所示。一級(jí)節(jié)臂與二級(jí)節(jié)臂之間的連接機(jī)構(gòu)主要有一級(jí)臂AC、變幅油缸AB、二力桿CE、彎連桿BED、二級(jí)臂OD等構(gòu)件組成，如圖 1中（b）所示。

圖1 混凝土布料機(jī)器人三維模型

為了讓所建的數(shù)學(xué)模型具有普遍適用性，固定一級(jí)節(jié)臂的位置為水平伸展?fàn)顟B(tài)，就可以方便計(jì)算一級(jí)節(jié)臂展開(kāi)至任意角度時(shí)各個(gè)銷軸的鉸點(diǎn)位置。二級(jí)節(jié)臂以鉸點(diǎn)O為圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，二級(jí)節(jié)臂伸展為水平位置時(shí)為最大伸展行程，兩個(gè)節(jié)臂的夾角為180°.節(jié)臂執(zhí)行布料作業(yè)時(shí)，如圖2所示，則有：

對(duì)各式聯(lián)立求解的

圖2 混凝土布料機(jī)器人鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2 鉸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化

為了優(yōu)化各級(jí)節(jié)臂間鉸點(diǎn)的應(yīng)力分布，分別對(duì)各級(jí)節(jié)臂進(jìn)行模擬仿真作業(yè)過(guò)程，由于各級(jí)節(jié)臂在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中只有變幅油缸提供動(dòng)力，其他力均為定載荷，所以求解變幅油缸的最大力是優(yōu)化鉸點(diǎn)的主要方法，在這里以回轉(zhuǎn)底座與一級(jí)節(jié)臂鉸點(diǎn)為例說(shuō)明，其他幾部分分析優(yōu)化方法相同。

如圖3所示，為了優(yōu)化回轉(zhuǎn)底座與一級(jí)節(jié)臂鉸點(diǎn)的最大應(yīng)力采取幾個(gè)步驟：第一步，二級(jí)節(jié)臂從水平位置順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至90°位置，二級(jí)節(jié)臂保持為豎直狀態(tài)；第二步，一級(jí)節(jié)臂從水平位置順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至90°位置，一級(jí)節(jié)臂保持為豎直狀態(tài)；第三步，二級(jí)臂由水平轉(zhuǎn)動(dòng)至豎直位置，二級(jí)臂保持豎直狀態(tài)；第四步，三級(jí)臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)180°，保持豎直狀態(tài)；第五步，四級(jí)臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)180°，保持豎直狀態(tài)，考慮到實(shí)際作業(yè)過(guò)程設(shè)定整個(gè)動(dòng)作過(guò)程為30 s.

圖3 混凝土布料臂仿真工況示意圖

確定變量。如圖4所示回轉(zhuǎn)底座與一級(jí)節(jié)臂鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，以回轉(zhuǎn)底座與一級(jí)臂連桿中的彎桿的鉸點(diǎn)為圓心O，建立坐標(biāo)系。分別取A、B、C、D、E等點(diǎn)在X軸與Y軸投影得到各點(diǎn)在坐標(biāo)系的坐標(biāo)位置。取 AX、CX、DX、DY、LAC、LEC、LDB、LEB各線段作為優(yōu)化的參考變量。

圖4 混凝土布料機(jī)器人各節(jié)臂鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

確定約束條件。各節(jié)臂、連桿的優(yōu)化尺寸根據(jù)實(shí)際尺寸定義，在各機(jī)構(gòu)連接仿真時(shí)不能發(fā)生干涉的前提下根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提前設(shè)定相關(guān)部件尺寸。節(jié)臂與連桿組成的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖中各尺寸需要滿足三角形邊長(zhǎng)條件，即任意兩邊之和大于第三邊。

確定優(yōu)化目標(biāo)。由于各級(jí)節(jié)臂在作業(yè)過(guò)程中只靠變幅油缸提供動(dòng)力，其他力均忽略為定載荷，所以求解變幅油缸的最大力是優(yōu)化鉸點(diǎn)的主要方法。通過(guò)Motion模塊仿真運(yùn)動(dòng)學(xué)解四種工況下變幅油缸的最小推桿力，最小推桿力所對(duì)應(yīng)的鉸點(diǎn)位置尺寸即為最優(yōu)尺寸。

回轉(zhuǎn)底座與一級(jí)節(jié)臂鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)算例。如圖5所示為回轉(zhuǎn)底座與一級(jí)節(jié)臂鉸點(diǎn)系統(tǒng)建立設(shè)計(jì)算例，由上文可設(shè)定優(yōu)化變量 AX、CX、DX、DY、LAC、LEC、LDB、LEB，各個(gè)尺寸在實(shí)際情況下均有可以優(yōu)化的空間，設(shè)定傳感器2為邊長(zhǎng)約束條件，傳感器6最小化的條件是監(jiān)控變幅油缸的最小行程。優(yōu)化算例總共運(yùn)行了66次，優(yōu)化后一級(jí)臂變幅油缸優(yōu)化后壓力曲線變化如圖6所示，最大油缸壓力為161 212 N.優(yōu)化后所得到的鉸點(diǎn)位置參數(shù)對(duì)機(jī)械臂重新建模如圖7所示。

圖5 回轉(zhuǎn)底座與一級(jí)節(jié)臂鉸點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)算例

圖6 一級(jí)臂變幅油缸優(yōu)化后壓力曲線

圖7 回轉(zhuǎn)底座與一級(jí)節(jié)臂鉸點(diǎn)系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)比結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

建立機(jī)械臂鉸點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型，得出混凝土布料機(jī)器人各節(jié)臂鉸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，使用Solidworks Motion軟件得到機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的仿真運(yùn)動(dòng)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出一級(jí)節(jié)臂鉸點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)算例以及一級(jí)臂變幅油缸優(yōu)化后的壓力曲線，最終得出一級(jí)臂鉸點(diǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。各個(gè)節(jié)臂變幅油缸壓力減小意味著變幅機(jī)構(gòu)中機(jī)械臂上鉸點(diǎn)處應(yīng)力減小，這就大大的提高了機(jī)械臂系統(tǒng)的工作強(qiáng)度、使用壽命等。變幅油缸壓力的減小也可以減小變幅油缸的尺寸，降低機(jī)械臂本體重量。

[1]李立順.基于Solidworks Motion的隨車吊主要工作裝置仿真[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011（05）：1070-1072.

[2]寇會(huì)民.基于SolidWorks Motion的壓床機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（30）：64-65.

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Optimization Analysis of Hinge Point of Robot Arm of Concrete Distributing Robot

WANG Yun-lei1，QI Yu-ming1，DENG San-peng1，PENG Shu-ping1，ZHOU Wang-fa2
（1.Institute of Robotics and Intelligent Equipment，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Bonus Intelligent Creative Robotics Technology Go.，Ltd.，Tianjin 300350，China）

The mechanical arm is an important component of the concrete distributing robot.The design of the hinge point of the manipulator determines the stability and accuracy of the concrete fabric.The 3D model of concrete material robot manipulator is established using the solidworks software，simulation and kinematics of the manipulator using solidworks motion，the hinge cylinder pressure curve between manipulator，and optimize the design of the hinge point.

mechanical arm；hinge point；kinematics；optimal design

TH132

A

1672-545X（2017）08-0019-02

2017-05-14

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（YC17-22）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAK06B04）；天津市智能制造科技重大專項(xiàng)（15ZXZNGX00260）；天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化培育類項(xiàng)目（ZHPY1602）；天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)科技計(jì)劃項(xiàng)目（KJ13-10）

王云磊（1993-），男，河北辛集人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人及其應(yīng)用技術(shù)；祁宇明（1979-），湖北潛江人，工學(xué)博士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用；鄧三鵬（1978-），男，湖北襄阻人，工學(xué)博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人系統(tǒng)集成及應(yīng)用技術(shù)。