基于ANSYS 的防爆機器人關(guān)節(jié)仿真分析

蔣曙光

（宜興經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)安環(huán)局，江蘇 宜興 214200）

隨著工業(yè)社會的飛速發(fā)展，在這樣大環(huán)境下，各個行業(yè)都面臨著生產(chǎn)作業(yè)效率和方式的轉(zhuǎn)型突破，尤其是像石油化工、涉爆粉塵以及消防等高危環(huán)境生產(chǎn)中的安全問題更不容忽視。傳統(tǒng)作業(yè)方式主要還是通過人工穿著防爆服的方式，對設(shè)備和環(huán)境存在的潛在爆炸威脅進行排除。但是這樣的方法有著明顯的不足之處，許多生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域高度危險，人工不方便進行作業(yè)，即使能夠進入，傳統(tǒng)的人工方式也存在勞動強度大、工作效率低、手段單一且危險性極高等弊端。并且，隨著工業(yè)的發(fā)展，此類安全隱患數(shù)量不斷加大，傳統(tǒng)的人工防爆已經(jīng)無法滿足作業(yè)要求。因此，防爆機器人應(yīng)運而生，并且很快取得了市場的認可。據(jù)應(yīng)急管理部（原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局）統(tǒng)計，中國平均每年因生產(chǎn)安全事故引發(fā)的損失極其巨大，為了保障人員安全，降低損失風險，提高企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)效率，可以采用防爆機器人，其能在生產(chǎn)作業(yè)隱患排除過程中發(fā)揮巨大作用，所以對防爆機器人的研究就顯得尤為重要。但是防爆機器人由于手臂過長，存在剛性結(jié)構(gòu)差等缺點。

防爆機器人作為特種機器人的一種，不僅可以在危險環(huán)境下對可疑的爆炸物品進行檢查、抓取、搬運和銷毀，是搜爆、排爆作業(yè)的專業(yè)裝備，還可以應(yīng)用在危險、有毒、有害的惡劣環(huán)境中，通過工業(yè)內(nèi)窺鏡進行偵察、消防、救援，并在核工業(yè)中核輻射環(huán)境下的作業(yè)，保護人員不受到有害物體的傷害。

通常情況下，其主要工作是用于完成在復(fù)雜環(huán)境下搜查、排爆、監(jiān)控及放射性物質(zhì)排除等危險工作，配有履帶或者輪子在廢墟、草地、灘涂等地域行駛。通過各個攝像機、X 光射線儀和激光測距儀等對工作環(huán)境進行監(jiān)控。根據(jù)需要還可以將機器人的控制設(shè)置為有線控制和無線控制。當前，無論在國外還是在國內(nèi)，防爆機器人系統(tǒng)的研究都是處在一個上升階段，而且也取得了很多成果，其中以美、英、德、法、以色列等國家較為成熟，并相繼有排爆機器人產(chǎn)品投入實際應(yīng)用。

反觀國內(nèi)某些重要的工業(yè)領(lǐng)域，例如油氣廠站作業(yè)區(qū)這種高危環(huán)境下，絲毫馬虎大意都埋伏著巨大的安全隱患。因此，油氣能源工業(yè)作為特殊的生產(chǎn)作業(yè)領(lǐng)域，必須要高頻次、高精準、全天候地完成日常巡檢防爆工作任務(wù)，并針對各類現(xiàn)場不確定危險因素作出相應(yīng)預(yù)警措施，這樣才可確保企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的正常進行。如果采用防爆機器人代替人工進行防爆巡檢，不僅可以降低危險性，而且可以大大提高工作效率，僅使用一個防爆機器人就可以獨立完成對整個廠站現(xiàn)場各種環(huán)境狀態(tài)，如管道氣體泄漏、儀表失靈、設(shè)備異常等非常規(guī)突發(fā)情況的排查。因此增加對防爆機器人的相關(guān)研究意義重大，無論是對人們的安全還是社會長遠發(fā)展來說都有積極意義。

1 防爆機器人關(guān)節(jié)設(shè)計

根據(jù)作業(yè)環(huán)境需求以及防爆機器人動作需求分析，本文設(shè)計了雙臂對稱布置的防爆機器人，以兩臂連接方式，一個采用垂直布置，另一個采用水平布置，并對防爆機器人的關(guān)節(jié)連接方式進行了研究。為避免球腕型結(jié)構(gòu)（三關(guān)節(jié)軸線交于一點）需要設(shè)計復(fù)雜外形的關(guān)節(jié)外殼，防爆機器人關(guān)節(jié)布置方式選擇非球腕型結(jié)構(gòu)（三關(guān)節(jié)軸線交于兩點）。而且非球腕型關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的負載能力和運動范圍均優(yōu)于球腕型關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并且可以解決關(guān)節(jié)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時手腕內(nèi)部走線的打結(jié)或折斷問題。

此外，為了簡化防爆機器人的運動學計算，將非球腕型關(guān)節(jié)中相鄰軸線的相交角度確定為直角，即防爆機器人的各個關(guān)節(jié)的配置均為正交非球腕型關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)以上設(shè)計原則，從而確定了防爆機器人的關(guān)節(jié)連接方式有兩種方案：①方案一。兩構(gòu)件垂直，防爆機器人的前一個關(guān)節(jié)與后一個關(guān)節(jié)相交角度呈90°布置。②方案二。防爆機器人的兩關(guān)節(jié)采取平行布置。這兩種設(shè)計方案均可以達到仿生機械手臂的功效，從而能夠?qū)崿F(xiàn)防爆機器人任務(wù)過程中的需求。根據(jù)該設(shè)計方案建立其三維模型如圖1和圖2 所示。

圖1 兩構(gòu)件垂直

圖2 兩構(gòu)件平行

2 三維模型的有限元分析

通過對防爆機器人完成任務(wù)的動作進行分析，得知由于防爆機器人需要具備搬運以及托舉等動作，所以在其手臂與軀干構(gòu)成懸臂梁的時候產(chǎn)生的力矩最大，并且對于關(guān)節(jié)連接處的應(yīng)變也最大。所以本設(shè)計中最大變形是位于兩臂連接處的形變。為了達到防爆機器人在工作過程中的剛度要求以及穩(wěn)定性要求，本文利用對關(guān)節(jié)連接件的有限元分析，確定了連接件的最優(yōu)尺寸。如圖3 所示，首先將關(guān)節(jié)連接件的三維模型壁厚設(shè)置為8 mm，對其受力方向施加模擬的力，進行相關(guān)計算得到形變的最大位移為8.96133e-006 mm，形變較大，不能滿足剛性需求需要。如圖4 所示，調(diào)整關(guān)節(jié)連接件三維模型的壁厚為10 mm，再次進行計算分析，得到形變的最大位移為1.541e-002 mm，滿足預(yù)先設(shè)定的防爆工作需求。

圖3 應(yīng)力圖1

圖4 應(yīng)力圖2

3 結(jié)語

本文首先根據(jù)防爆機器人的工作需求及排障消防的動作分析對防爆機器人進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且對關(guān)節(jié)布置進行了相關(guān)優(yōu)化，克服了傳統(tǒng)球腕型結(jié)構(gòu)（三關(guān)節(jié)軸線交于一點）的缺點，采用非球腕型結(jié)構(gòu)（三關(guān)節(jié)軸線交于兩點）的布置方式，并據(jù)此進行了三維模型的設(shè)計。然后根據(jù)其工作時的最大變形位置分析，找出關(guān)鍵部位的零件，采用有限元分析的方法，分析了關(guān)節(jié)連接件尺寸設(shè)計的合理性，確定了最優(yōu)參數(shù)，確保防爆機器人的懸臂剛度滿足作業(yè)要求，對當下防爆機器人設(shè)計的科學性、穩(wěn)定性具有重要幫助，也對企業(yè)的生產(chǎn)實現(xiàn)本質(zhì)安全具有重要意義。