步進(jìn)式撐頂機(jī)器人工作機(jī)理及承載能力分析

王 禹，李 剛，辛洪旭，馮怡然，陶學(xué)恒

（1.沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168；2.大連工業(yè)大學(xué)，遼寧 大連 116034）

引言

近幾年自然災(zāi)害和人為災(zāi)難較多，例如山洪、地震和火災(zāi)等，往往會造成建筑物倒塌現(xiàn)象[1]。根據(jù)大量資料調(diào)查顯示，災(zāi)后第一天存活率高達(dá)百分之九十多，第二天、第三天存活概率為70%左右，第三天以后的存活概率驟減[2]，因此消防官兵所面臨的任務(wù)繁重且責(zé)任重大。為了在最短的時間內(nèi)將人員救出，僅靠消防官兵的雙手解救是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此需要先進(jìn)的救援設(shè)備來配合官兵去解救受困人員。但是部分救援設(shè)備體型龐大，在發(fā)生地震后，無法及時進(jìn)入現(xiàn)場救援，而且在救援過程中不能保障被壓人的人身安全[3]；部分救援設(shè)備體型小、攜帶方便，但是其救援功能欠缺而且操作復(fù)雜，往往起不到救援作用，例如千斤頂?shù)萚4]，此類產(chǎn)品雖然可以輕松攜帶到現(xiàn)場，但是其對現(xiàn)場的需要有一定的要求[5]。這類設(shè)備需要幾十厘米的縫隙才能將重物撐起，而且在工作過程中需要手工加壓，當(dāng)重物被撐起后，需要人工添重物，然后取出千斤頂，整個過程既麻煩又危險；部分設(shè)備體積小，質(zhì)量輕，需要狹窄的縫隙即可，但是其對地面和縫隙的面積有一定的要求，在該設(shè)備運(yùn)行時，需要有平整的地面和較大面積的縫隙。綜合考慮以上幾種類型的設(shè)備均達(dá)不到快速救援的效果。

針對以上各種災(zāi)后救援設(shè)備的原理和方法進(jìn)行研究，結(jié)合現(xiàn)場官兵所提出的各種建議與需求，同時通過對國外搜救和救援機(jī)器人進(jìn)行分析后，我們提出了一種智能撐頂機(jī)器人。該機(jī)器人具有體積小、撐頂力量大等優(yōu)點(diǎn)，所需廢墟的縫隙小，只需2 cm 的縫隙就可以將重物撐起一定的高度，保障了被壓人和重物之間可以完全脫離[6]。

1 機(jī)構(gòu)組成及工作原理

1.1 機(jī)構(gòu)分解視圖

步進(jìn)式撐頂機(jī)器人由13 部分組成，如圖1 所示。

圖1 分解視圖

1.2 機(jī)構(gòu)工作原理

如圖1 所示，撐頂機(jī)器人動力由液壓缸6 和液壓缸7 提供，液壓缸7 和頂板5 連接，提供上下兩個方向的力，液壓缸6 和斜頂板3 連接，其底端和底板1 連接，且液壓缸6 和水平面成25 度安裝，提供斜頂板一個斜向上的力。在運(yùn)動過程中，首先，液壓缸6 開始運(yùn)動，提供斜頂板3 斜向上的力，斜頂板運(yùn)動的同時通過圓棒帶動側(cè)板10 和12 水平前移；其次，液壓缸6 收縮，此時，斜頂板下降，由于側(cè)板內(nèi)壁鑲嵌有斜滑塊，滑塊阻礙斜頂板繼續(xù)下降，此時斜頂板與滑塊貼合，液壓缸繼續(xù)收縮，底板在液壓缸6 的作用下上移，由于底板與側(cè)壁之間只有5 mm 間隙，因此底板上升5 mm 后停止上升；再次，液壓缸6 繼續(xù)收縮，斜頂板沿滑塊向斜下方移動，同時底板水平移動。最后，液壓缸伸出，底板在液壓缸的作用下，下移至地面，此時完成一個工作循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了整體前移的目的。在進(jìn)行一定工作循環(huán)后，物體被撐頂機(jī)器人撐到頂部，液壓缸7 開始運(yùn)動，將重物升起，從而達(dá)到頂起重物，解救重物下被壓的人或動物。

2 受力分析及計算

該步進(jìn)式撐頂機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)制作過程中，需對其受外載進(jìn)行受力分析[7]。

2.1 斜頂板的受力分析

斜頂板的受力分析如圖2 所示。

圖2 斜頂板的受力分析

式中：F1為氣缸的頂力；P 為是重物的壓力；G1為斜頂板的重力；N1為受側(cè)板給斜頂板的壓力；α 為斜頂板和水平面的夾角；δ 為液壓缸和水平面的夾角；θ為N1和水平面的夾角。

2.2 側(cè)板的受力分析

板的受力分析如圖3 所示。

圖3 側(cè)板的受力分析

由公式（4）和（5）得：

取G2≈，求得θ≥61.1°，取整為θ=62°。

式中：F2為側(cè)板移動時所受地面給的向后的摩擦力；G2為側(cè)板的重力；為受側(cè)板給斜頂板的壓力；N2為側(cè)板所受地面給的支撐力；U 為地面和側(cè)板的摩擦系數(shù)；θ 為和水平面的夾角。

取G1=400 N、G2=550 N、G3=300 N、μ=0.4、P=10 000 N、δ=68°、θ=62°。將所給值帶入（7）和（8）得知α 取任何值（7）和（8）均成立，取α=30°。

式中：F3為底板移動時所受地面給的向前的摩擦力；G3為底板的重力；N3為受側(cè)板給斜頂板的壓力；為氣缸給底板向斜下方向的力；δ 為液壓缸和水平面的夾角。

3 有限元分析

智能撐頂機(jī)器人在運(yùn)動過程中需要承受10 000 N的力，為了防止在撐頂過程中各個結(jié)構(gòu)因壓力的變化而損壞，本文利用ANSYS 軟件對斜頂板部件進(jìn)行靜力學(xué)分析為例[8]。

結(jié)合斜頂板的運(yùn)動過程，對其進(jìn)行約束，然后根據(jù)載荷形式，對斜頂面施加10 000 N 的壓力，兩側(cè)孔各施加550 N 的力。輸出結(jié)果如4 圖所示。

根據(jù)圖4 可知，其最大應(yīng)力為3.175 MPa，同樣遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力；因此從如上圖可知，該斜頂板在運(yùn)動過程中很安全。

圖4 斜頂板受力圖

4 結(jié)語

根據(jù)消防官兵所提出的需求，結(jié)合自動機(jī)械設(shè)計的原理與方法，設(shè)計出一款新型步進(jìn)式撐頂機(jī)器人。新型步進(jìn)式撐頂機(jī)器人的動力由兩個液壓缸提供，負(fù)責(zé)楔進(jìn)和撐起重物。根據(jù)機(jī)械設(shè)計原理和理論力學(xué)，對各個板塊進(jìn)行不同的設(shè)計，使各個板塊在運(yùn)動的同時對其他板塊有一定的約束，從而達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動狀態(tài)。本文通過使用Solidworks 軟件對該款機(jī)器人進(jìn)行三維造型，簡化模型進(jìn)行受力分析與計算，使用ANSYS 軟件對該裝置的重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，且該項(xiàng)分析定義了載荷大小和約束方式，確保分析過程與分析結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。智能撐頂機(jī)器人具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其體積小、撐頂力量大、使用方便，加快了消防官兵救援的效率和降低了人員傷亡的幾率。