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1、喷浆机器人手臂结构设计冶金矿山设计与建设第31卷 第5期 Metalminedesignandconstruction 1999年9月喷浆机器人手臂结构设计0山东矿业学院 李云江 樊炳辉 荣学文 摘 要 介绍了喷浆机器人的结构原理和动作特点,及主要设计参数。实践证明,该方法行之有效。 关键词 喷浆机器人 手臂 结构设计并阐述了机器人大小臂的设计要点Designonarm ABSTRACT ThestructureofshotcreterobotLiYunjiangetal.structuretheorya
2、ndmovementcharacteristicsofshotcreterobotarepresentedinthepaper,itskeypointsandmainparametersindesignaredescribed.Itisshownthroughapplicationthatthemethodiseffective. KEYWORDS Shotcreterobot Arm Structuraldesign 喷浆支护是广泛采用的支护方法,但也存在重要缺点,特别是人工喷浆,回弹率高、粉尘大、影响施工质量和施工进度等。造成这些缺点的原因是十分复杂
3、的。实践表明,人工喷浆作业自动化程度低,是造成上述缺点的最重要因素之一。人工喷浆作业时,回弹物使得操作者无法抬头、睁眼、不敢站在受喷点的正下方而不得不远离受喷点进行喷浆作业,这就必然造成回弹率高,回弹物多,使得粉尘增多,混凝土中的速凝剂对人图1 喷浆机器人结构示意图的危害也大,这都严重危害人们的健康。1.控制器;2.电源箱;3.平衡拉杆;4.油箱;5.大 随着湿喷机和湿喷工艺的成熟,人工喷浆将臂;6.液压控制器;7.车盘;8,10,12,15,17.液压被淘汰,喷浆机器人将成为必备的设备。我国从马达;9.油缸;11.小臂平衡四杆;13.枪杆;14.喷60年
4、代开始,煤炭部、铁道部、水电部和冶金部枪头;16.送料管等都有不少单位开展这方面的工作,并取得了一 该机器人有6个自由度,即大臂俯仰,小臂些进展。山东矿业学院机器人研究中心由于得到摆动,手腕转动,喷枪摆动,喷枪转动和整车行了国家863计划的支持,在该方面取得了突出走。其动作原理与结构特点是:的成绩。 (1)大臂由四连杆组件5和平衡拉杆组件3构成的三重四连杆机构组成,在油缸9的驱1 机械结构原理动下作俯仰运动,由于四连杆件5各部件尺寸 喷浆机器人的结构方案如图1所示:的制约,大臂末端的运动轨迹为一条近似的铅垂 国家863计划资助项目和“九·五”科技成果重
5、点推广计划线。0项目。 (2)小臂(即四连杆件11)在液压马达10的转动。条件为约束,设计。优化的结果,大臂各部分的最佳结构尺寸为:AB=CD=的转动。条件为约束,设计。优化的结果,大臂各部分的最佳结构尺寸为:AB=CD=1999年9月 李云江等 喷浆机器人手臂结构设计 31的驱动下可在水平面内做±50°的摆动,由于小臂四连杆做成平行四边形机构,故摆动时,其末端做平动运动。 (3)手腕由油马达及蜗轮蜗杆机构12构成,手腕转动带动枪杆13在隧道横断面的拱部摆动。 (4)油马达17驱动喷枪做±50°的摆动(喷枪摆
6、动),以调整喷枪的姿态,这样可在遇到大凹时,使得喷枪垂直受喷面。 (5)油马达15驱动喷枪做±°即喷枪自转时,即可完成喷枪口的划圆动作。的要求,该机器人大臂结构的设计,应重点保证其良好的运动性能,如使其末端的运动轨迹近似一条铅垂线,以满足喷浆工艺的基本要求。为此,以大臂前端运动轨迹与铅垂线的绝对偏差值最小、各杆件的总体尺寸最小、大臂的起落高度范围大于或等于1800mm为目标函数,以∠BCE与大臂前端的升降呈单调对应关系,及其它等对大臂结构从整体上进行了优化467mm,BC=639mm,CE=451mm,247mm,DE=247mm,CF=1082mm,L1
7、 (6)油马达8驱动底盘车7作前后往复运动,使得喷枪能水平移动。 由于篇幅的限制,本文只介绍机器人大小臂的结构设计。2 大臂设计 对喷浆机器人大臂结构及其驱动装置的设计要求有: (1)大臂的起落高度范围要大于或等于1800mm,从而能适应国内煤矿各种断面巷道的要求。 (2)大臂前端的运动轨迹应近似一条铅垂线,其轨迹与铅垂线的绝对偏差值不大于35mm。 (3)运动中∠BCE(图2)的增减应与大臂前端的升降呈单调对应关系(因为在关节C处要装一个角位移传感器)。 (4)在大臂的有效工作范围内,油缸的最大工作压力角A不大于±50°。图2 大臂数学模型
8、 综合考虑喷浆作业的特点及对机器人大臂=833mm,
