段亮亮，鄒樹梁，鄧 騫

(1. 南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.核設(shè)施應(yīng)急安全作業(yè)技術(shù)與裝備 湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引言

破拆機(jī)器人通常在危險(xiǎn)復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)，需要完成挖掘、切割和破碎等一系列作業(yè)任務(wù)，且任務(wù)目標(biāo)的尺寸、重量和形狀又各不相同[1]。因此使用單一的末端工具很難完成多樣性的作業(yè)任務(wù)，較好的解決方案是為破拆機(jī)器人配備末端工具自動(dòng)快換裝置和末端工具庫(kù)，使其可以在作業(yè)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際需要選擇更換最合適的末端工具，提高破拆機(jī)器人的作業(yè)能力和作業(yè)效率[2，3]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)快換裝置都進(jìn)行了一定的研究。美國(guó)ATI公司設(shè)計(jì)了一種鋼珠球鎖緊的快換裝置，利用氣動(dòng)的方式推動(dòng)滾珠完成快換裝置的鎖緊與斷開，具有較高的重復(fù)精度[4]；RAD公司研制的一種更換裝置，通過(guò)裝在主端口的氣動(dòng)活塞向下推動(dòng)鋼珠進(jìn)入工具端口的鎖緊環(huán)中，鋼珠卡在鎖緊環(huán)中使手腕與手爪端口緊密結(jié)合[5]。瑞典的Brokk公司設(shè)計(jì)了一種插銷式的快換裝置，依靠機(jī)械臂末關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)和液壓缸推動(dòng)插銷來(lái)進(jìn)行鎖緊，在換接過(guò)程中對(duì)定位要求很高且對(duì)接軌跡較為復(fù)雜[6]。

針對(duì)上述快換裝置的問題，本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)遙操作破拆機(jī)器人的自動(dòng)快換裝置，其結(jié)構(gòu)緊湊，換接過(guò)程快捷、簡(jiǎn)便、可靠性好。該裝置對(duì)接時(shí)不僅可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂和末端工具的機(jī)械連接與斷開，而且可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩者的液壓或電氣連接和斷開，能承受較大的載荷，并具有一定的位姿容差能力[7]。

1 自動(dòng)快換裝置總體方案

1.1工作原理

如圖1所示，該自動(dòng)快換裝置由兩部分組成[8-10]，分別為主側(cè)和工具側(cè)，主側(cè)和工具側(cè)是一對(duì)多的關(guān)系，主側(cè)可以與多個(gè)工具側(cè)進(jìn)行換接，從而使遙操作破拆機(jī)器人可以在工作過(guò)程中根據(jù)實(shí)際工作任務(wù)更換合適的末端工具。自動(dòng)快換裝置的主側(cè)安裝在機(jī)械臂上，工具側(cè)安裝在各個(gè)末端工具上，末端工具有鏟斗、液壓剪、破碎錘等。

圖1 自動(dòng)快換裝置工作原理

1.2 技術(shù)要求

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)快換裝置應(yīng)用于遙操作破拆機(jī)器人，使其進(jìn)入一次工作環(huán)境可以完成多種作業(yè)，提高了破拆機(jī)器人的適應(yīng)性和工作柔性，降低了作業(yè)成本[11]?；谏鲜鲎詣?dòng)快換裝置的工作原理，對(duì)設(shè)計(jì)的自動(dòng)快換裝置提出如下技術(shù)要求[12]：

(1) 通用性好，自動(dòng)快換裝置適用于多種破拆機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，應(yīng)用范圍廣泛。

(2) 換接過(guò)程簡(jiǎn)便、快捷，提高工作效率。

(3) 具有一定的位姿容差能力，機(jī)械臂與末端工具對(duì)接時(shí)存在一定的位姿誤差時(shí)仍能成功對(duì)接。

(4) 機(jī)械連接可靠，保證工作狀態(tài)下機(jī)械臂與末端工具保持連接狀態(tài)，防止出現(xiàn)工具脫落的危險(xiǎn)。

(5) 換接時(shí)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)液壓或電氣的連接和斷開，滿足拆除機(jī)器人在工作時(shí)需要向末端工具傳遞液壓或電氣信號(hào)的要求。

2 自動(dòng)快換裝置機(jī)械設(shè)計(jì)方案

2.1自動(dòng)快換裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)自動(dòng)快換裝置的工作原理設(shè)計(jì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

1-支撐板；2-托架；3-公接頭安裝板；4-端蓋；5-母接頭安裝板；6-螺桿；7-轉(zhuǎn)盤；8-鎖緊銷；9-連桿；10-液壓母接頭；11-液壓公接頭；12-工具側(cè)主體；13-校姿滑塊；14-校姿滑道；15-電機(jī)支架；16-步進(jìn)電機(jī)；17-主側(cè)主體；18-連接架；19-銷軸

主側(cè)主體上設(shè)計(jì)有用于換接的校姿滑塊，工具側(cè)主體上設(shè)計(jì)有校姿滑道和限位孔。自動(dòng)快換裝置帶剎車步進(jìn)電機(jī)、轉(zhuǎn)盤、連桿和鎖緊銷共同組成鎖緊機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)與破拆機(jī)器人上的電源相接，鎖緊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，步進(jìn)電機(jī)只有在更換末端工具時(shí)才會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且自動(dòng)快換裝置在鎖緊的工作狀態(tài)下，步進(jìn)電機(jī)本身的保持力矩會(huì)提供一定的預(yù)緊力，保證自動(dòng)快換裝置一直處于鎖緊狀態(tài)，防止由于工具側(cè)脫落引發(fā)的危險(xiǎn)。

自動(dòng)快換裝置除了為破拆機(jī)器人機(jī)械臂和末端工具提供機(jī)械連接外，另一個(gè)作用是為末端工具提供動(dòng)力。故本文中設(shè)計(jì)的母接頭安裝板和公接頭安裝板分別可以裝6個(gè)液壓接頭，最多為末端工具提供3條油路。

2.2 換接過(guò)程

當(dāng)破拆機(jī)器人需要更換末端工具時(shí)，換接過(guò)程如圖3所示。破拆機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂調(diào)整其末端的自動(dòng)快換裝置主側(cè)的位姿，使自動(dòng)快換裝置主側(cè)兩邊的校姿滑塊與工具側(cè)左右兩邊的校姿滑道相對(duì)齊，如圖3(a)所示；然后驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂使自動(dòng)快換裝置主側(cè)上的校姿滑塊沿工具側(cè)上的校姿滑道向下滑動(dòng)，直至校姿滑塊底面與滑道底面相接觸，此時(shí)端蓋底面和液壓公接頭安裝板頂面相接觸，促使液壓、電氣母接頭與液壓、電氣公接頭完成對(duì)接，主側(cè)上的鎖緊銷與工具側(cè)主體上部的限位孔對(duì)齊，如圖3(b)所示；然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)盤與連桿使鎖緊銷向兩邊同時(shí)伸出，鎖緊銷穿過(guò)工具側(cè)主體上部?jī)蓚?cè)的限位孔到達(dá)指定位置后，步進(jìn)電機(jī)停止工作，完成主側(cè)與工具側(cè)的機(jī)械鎖緊，如圖3(c)所示；然后接通液壓油路或電路，自動(dòng)快換裝置完成對(duì)接，安裝結(jié)束，如圖3(d)所示。

圖3 換接過(guò)程

自動(dòng)快換裝置工作狀態(tài)如圖4所示。

圖4 自動(dòng)快換裝置工作狀態(tài)

3 位姿容差能力分析

破拆機(jī)器人在進(jìn)行末端工具的安裝時(shí)，首先需要驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂調(diào)整自動(dòng)快換裝置主側(cè)的位姿，盡可能使主側(cè)兩邊的校姿滑塊與工具側(cè)兩邊的校姿滑道對(duì)齊，然后驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂帶動(dòng)主側(cè)校姿滑塊沿校姿滑道向下運(yùn)動(dòng)，與工具側(cè)進(jìn)行換接。但由于機(jī)械臂調(diào)整自動(dòng)快換裝置主側(cè)滑塊在向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，與工具側(cè)之間總會(huì)出現(xiàn)一定程度的位姿誤差，因此為了降低自動(dòng)快換裝置主側(cè)和工具側(cè)的對(duì)接難度，提高對(duì)接效率，自動(dòng)快換裝置在對(duì)接時(shí)應(yīng)具有一定的位姿容差能力。

為了驗(yàn)證自動(dòng)快換裝置的位姿容差能力，對(duì)其進(jìn)行誤差補(bǔ)償分析。主側(cè)和工具側(cè)對(duì)接時(shí)的情況如圖5所示，建立坐標(biāo)系O-xyz、O′-x′y′z′分別與自動(dòng)快換裝置主側(cè)、工具側(cè)固連，當(dāng)對(duì)接完成后，坐標(biāo)系O-xyz與坐標(biāo)系O′-x′y′z′完全重合。依靠導(dǎo)向錐面具有的導(dǎo)向作用，當(dāng)主側(cè)Oxy平面的邊界曲線沿O′z′軸負(fù)方向在O′x′y′平面上的投影位于工具側(cè)A平面的邊界曲線內(nèi)，就可以認(rèn)為自動(dòng)快換裝置的主側(cè)和工具側(cè)能夠順利對(duì)接換裝。

圖5 主側(cè)和工具側(cè)對(duì)接時(shí)的情況

(1)

其中：px、py、pz為坐標(biāo)系O-xyz的原點(diǎn)O在世界坐標(biāo)系O′-x′y′z′中的坐標(biāo)；坐標(biāo)系O-xyz的姿態(tài)是由世界坐標(biāo)系O′-x′y′z′繞O′x′軸旋轉(zhuǎn)γ角，繞O′y′軸旋轉(zhuǎn)β角，繞O′z′軸旋轉(zhuǎn)α角形成的。

在坐標(biāo)系O-xyz中，自動(dòng)快換裝置主側(cè)Oxy平面上的邊界曲線LO是由直線L1、L2、L3和L4組成的封閉圖形，直線方程為：

(2)

設(shè)在坐標(biāo)系O-xyz中，自動(dòng)快換裝置主側(cè)Oxy平面上由直線組成的邊界曲線的交點(diǎn)可以表示為：

Mi=(xi,yi,zi)i=1，2，…，12.

(3)

則其在世界坐標(biāo)系O′-x′y′z′中表示為：

(4)

則在世界坐標(biāo)系O′-x′y′z′中，該邊界曲線LO′的方程為：

(5)

轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)向式為：

(6)

其中：A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2為根據(jù)交點(diǎn)坐標(biāo)求出的常量。

在世界坐標(biāo)系O-x′y′z′中，A平面的方程為：

z-305=0.

(7)

則過(guò)邊界線LO′的平面束方程為：

(A1+λA2)x′+(B1+λB2)y′+
(C1+λC2)z′+(D1+λD2)=0.

(8)

其中：λ為常量。根據(jù)A平面與過(guò)邊界線LO′的平面束垂直，則兩平面的法向量相乘等于0，可求出λ的值。將λ代入公式(8)，可得在世界坐標(biāo)系O′-x′y′z′中邊界曲線LO′在A平面上的投影方程LOA′為：

(9)

在世界坐標(biāo)系O′-x′y′z′中，A平面的邊界曲線LA的方程為：

(10)

若世界坐標(biāo)系O′-x′y′z′中，投影方程LOA′在A平面邊界曲線LA范圍之內(nèi)，就表明主側(cè)和工具側(cè)成功對(duì)接。

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性和理論分析的準(zhǔn)確性，利用MATLAB和ADAMS軟件對(duì)自動(dòng)快換裝置進(jìn)行仿真分析。自動(dòng)快換裝置典型的位姿誤差如表1所示。

表1 自動(dòng)快換裝置典型位姿誤差

將表1中的位姿誤差數(shù)據(jù)代入到位姿誤差條件中，在MATLAB中繪出曲線LOA′和A平面的邊界曲線LA的函數(shù)圖像，結(jié)果如圖6所示。如果曲線LOA′函數(shù)圖像在邊界曲線LA以內(nèi)，則說(shuō)明符合位姿容差條件。

根據(jù)上文的設(shè)計(jì)方案，在動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中模擬自動(dòng)快換裝置主側(cè)和工具側(cè)的換裝過(guò)程，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。將主側(cè)主體、校姿滑塊以及工具側(cè)底板和側(cè)板、校姿滑道導(dǎo)入ADAMS中，建立虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

根據(jù)表1中不同的位姿誤差數(shù)據(jù)，在ADAMS軟件中調(diào)整自動(dòng)快換裝置主側(cè)的位姿，進(jìn)行模擬仿真。仿真時(shí)長(zhǎng)為10 s,仿真步數(shù)設(shè)置為50步，得到的第1組數(shù)據(jù)的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 第1組仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第1組數(shù)據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出自動(dòng)快換裝置主側(cè)和工具側(cè)沿x、y、z軸的位置誤差和繞x、y、z軸的姿態(tài)誤差最后都將趨于零且保持穩(wěn)定，表明主側(cè)和工具側(cè)成功換接。其余5組仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第1組類似，表明主側(cè)和工具側(cè)成功換接。

根據(jù)圖6中的函數(shù)圖像可知，幾組數(shù)據(jù)都較為接近極限誤差情況，且函數(shù)圖像與仿真結(jié)果能夠相互印證，說(shuō)明了位姿誤差條件的合理性，且較為客觀地反映了自動(dòng)快換裝置的位姿容差能力。結(jié)合邊界曲線的函數(shù)圖像和仿真結(jié)果，可以知道自動(dòng)快換裝置主側(cè)和工具側(cè)的位置誤差Px可以達(dá)到±5 mm、Py可以達(dá)到±10 mm，x、y、z軸姿態(tài)誤差為±4°。因此在自動(dòng)快換裝置換接過(guò)程中應(yīng)優(yōu)先保證姿態(tài)誤差，再考慮位置誤差。

圖6 曲線和邊界曲線的函數(shù)圖像

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種可使破拆機(jī)器人根據(jù)實(shí)際工作需要更換末端工具的自動(dòng)快換裝置，針對(duì)破拆機(jī)器人的需求，該裝置具有大載荷、換接過(guò)程簡(jiǎn)單快捷、位姿容差、液壓和電氣連接、安全可靠等特點(diǎn)。闡述了其工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)，從理論上分析了該裝置的位姿容差能力，通過(guò)ADAMS對(duì)其換接過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真。通過(guò)理論分析和模擬仿真結(jié)果的對(duì)比，證明了該自動(dòng)快換裝置能夠順利換接，證明了設(shè)計(jì)的可行性，為后續(xù)的研究提供了依據(jù)。