地下空间人防门安装机器人的研发与应用.pdf

102 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION地下空间人防门安装机器人的研发与应用徐 建，王 鹏，段可璇，佟司淼（北京建筑机械化研究院有限公司，北京 100007）摘要人防门是设置在防空地下室的重要的人防防护设备，其尺寸大，重量大，安装过程复杂，劳动强度大，且具备一定的危险性。在此背景下，研发人员创新研发了针对地下狭小空间作业的人防门安装机器人，并在工程中得到了成功应用。本文介绍了人防门安装机器人的结构组成、系统特点和应用案例。关键词人防门安装；机械手；施工机器人；地下空间中图分类号TP242 文献标识码A 文章编号1001-554X（2023）09-0102-03Research and application of a robot for installing civil air defense doors in underground spacesXU Jian，WANG Peng，DUAN Ke-xuan，TONG Si-miao人防门是用于人防工程中的防护门，其尺寸大，重量大，且安装环境是在建筑物地下室的狭小空间中，运输、通行、安装都非常困难。现阶段人防门的安装均依靠人力通过滚杠运送，借助手动葫芦立门并安装，耗费人力，且存在一定的安全隐患。针对上述情况，北京建筑机械化研究院有限公司设计和开发了国内首款人防门安装机器人，该装备尺寸小，负载大，具有六自由度调姿机械手，可实现对多种规格人防门的抓取、运输和安装作业，解决了人防门安装行业的痛点，填补了国内人防安装领域施工机械的空白。该装备还研发了智能动态监控系统，可对负载重量、机械手位置、整机重心和主要运行参数进行实时动态监测，并在异常时根据相应控制策略自动采取安全措施。1 结构组成1.1 整机结构如图1所示，人防门安装机器人由履带底盘、位姿调整机械手、大臂、上平台和可调式配重组成，人防门通过机械手的夹持机构固定。履带底盘是人防门安装机器人的行走部件，通过液压马达驱动，动作平稳，具有灵活的转弯性能，能适应复杂地形。履带上加装橡胶块，对施工现场地面具有良好的保护性。位姿调整机械手是人防门安装机器人的执行机构，将人防门抓取后，对人防门进行多自由度姿态调整，实现人防门的巷道运送、精确定位安装等功能。大臂是机械手的支撑部件，用于调整机械手的高度。上平台集成有动力系统、液压系统和电气系统等。可调式配重可通过调整配重角度平衡不同负载下的整机重量，调整重心位置，保证整机的稳定性。6123451.履带底盘 2.位姿调整机械手 3.大臂 4.上平台 5.可调式配重 6.人防门图1 人防门安装机器人结构图1.2 位姿调整机械手人防门在运输过程中需要穿过窄门框、小巷道，在安装过程中需要根据各种不同的合页销轴位 DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.09.015收稿日期2023-02-10通讯地址徐建，北京市东城区安定门内方家胡同21号CONSTRUCTION MACHINERY 1032023/09总第571期置将人防门姿态调整到位进行安装。通过分析人防门的各种姿态需求，设计了六自由度人防门位姿调整机械手。机械手的姿态调整范围如图2所示，机械手各动作的功能见表1。a 大臂角度范围b 俯仰角度范围c 左右摆动角度范围d 左右翻转角度范围e 人防门固定架自转角度范围f 上平台摆动角度范围26-15601179090909036055图2 设备动作范围表1 机械手动作功能动作功能大臂举升调整人防门高度俯仰动作调整人防门前后方向姿态，辅助调整人防门高度左右摆动调整人防门左右方向角度和位置左右翻转调整人防门垂直度固定架自转 调整人防门沿垂直于自身平面轴的旋转角度上平台摆动人防门安装最后阶段，辅助微调，实现合页销孔对位通过机械手的协调动作，在不同的合页位置中调整人防门安装姿态，如图3所示。其中，当合页在门框背面时，设备主体部分无需穿越门框，只需通过机械手将人防门送入门框内部进行调姿、安装即可，见图3（c）、（d）。a 合页在门框正面左侧b 合页在门框正面右侧c 合页在门框背面左侧d 合页在门框背面右侧图3 人防门安装姿态2 系统设计2.1 动力系统本机设计两种动力系统：燃油动力系统和电机动力系统。燃油动力系统采用发动机驱动，电机动力系统采用380V交流电机驱动。因此本机共有三种动力版本：燃油版、电动版、油电双动力版。两种动力系统采用模块化设计，后期可根据需要进行模块增减，实现不同的动力配置。油电双动力版结合了发动机和电机的优点，日常工作时采用电机动力系统工作，噪音低，无尾气排放；长距离移位或应急状态下采用燃油动力系统工作，移动灵活，安全可靠。两种动力系统共同驱动一套液压系统工作，动力系统通过切换开关进行切换。2.2 液压系统液压系统采用电比例负载敏感控制技术，通过控制比例电磁铁的电流大小对阀口开度进行控制，实现各执行机构速度的线性控制。负载敏感控制技术保证了各复合动作的稳定运行。104 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION本机既要求在移位、运输时能快速行走，又要求在人防门安装时能实现动作微调，行走马达的流量需求差异较大，控制难度较大。为此本机设计了行走精确控制阀芯，通过反复试验和计算，特殊设计了行走阀芯阀口的形状，优化阀芯不同行程下的控制曲线，实现了行走动作的微调性能和高速性能的兼容。2.3 智能动态监控系统本机研发的智能动态监控系统是对整机各项运行状态的综合监控技术，除了对设备主要参数进行监控外，还包括对负载、机械手动作状态、整机稳定性等状态的监测，并在异常时自动采取相应的安全措施。智能动态监控系统的主要传感器位置如图4所示。67123451、2、5.倾角传感器 3、4.旋转编码器 6.销轴拉力传感器 7.位置传感器图4 传感器布置图2.3.1 负载监控系统负载监控系统主要通过倾角传感器2、拉力传感器6和位置传感器7采集数据。当固定人防门时，人防门触碰位置传感器7，系统得到信号，当设备处于固定人防门的姿态，待人防门固定完毕，大臂举升人防门时，可测量出人防门的重量22coscrMM 式中 Mr 人防门计算重量；Mc 拉力传感器测量拉力；2倾角传感器2测量角度。2.3.2 整机稳定性监控系统整机稳定性监控系统主要通过倾角传感器1、2、5和旋转编码器3、4采集机械手和配重的对应角度1、2、3、。根据各部件的重心位置，建立整机重心位置数学模型，可得重心前后方向坐标函数F（1，2，3，），重心左右方向坐标函数G（，）。由此可通过重心函数实时判定整机稳定性。当不满足稳定性要求时，系统报警并停止趋于倾翻方向的动作。2.3.3 机械手防碰撞监控系统由于机械手动作较多，且人防门体积较大，机械手在进行姿态调整时，操作员如果观察不到位，机械手可能会与设备主体发生碰撞。为此，本机研发了机械手防碰撞监控系统。通过仿真，确定碰撞边界的离散化碰撞点，将碰撞点拟合成碰撞边界曲线。如图5所示，阴影部分为机械手允许动作区域，防碰撞监控系统通过监测旋转编码器3、4，即摆动角度和翻转角度。当两个角度坐标到达边界曲线时，主机报警并停止趋向曲线外的动作。-95-84292550-95(0，0)549095图5 防碰撞监控曲线3 性能参数人防门安装机器人的主要性能参数如表2所示。表2 性能参数履带底盘履带宽度/mm850轮廓长度/mm2117履带板宽度/mm300行走速度/（km/h）1.5运输状态尺寸/mm39328501782最大载重量/kg1500整备质量/kg6550功率/kW20（下转第108页）108 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION4 施工应用人防门安装机器人已在常州、佛山、广州、长沙等地进行了施工应用，效果良好（见图6）。图6 人防门安装机器人施工应用在传统人力施工作业中，34人班组每日平均完成10扇门的挂装，使用本设备在新的作业程序下12人班组可实现每日平均15扇门的挂装，作业效率显著提升。在使用本机后，施工人员由强体力劳动者转变为设备操作员，劳动强度大幅降低，施工安全性有效提升。5 结束语研发团队经过不断优化，人防门安装机器人已形成通用化机器人施工平台，应用场景不断扩展，采用平台化设计，在建筑、高铁、桥梁等领域可轻松实现定制化作业机器人装备的研发，前景 广阔。未来，将根据人防门安装需求开发出系列化人防门安装机器人，助力人防门安装行业的发展。参考文献1GB/T 3811-2008.起重机设计规范S.2RFJ 01-2008.人民防空工程防护设备选用图集S.3徐建，周紫晗，郭传新，等.一种新型油电双动力全液压履带式桩架研究J.建筑机械，2021（04）：45-47.优化后的转向杆系进行加工、装配，并对转向器限位装置进行调整5，6。当方向盘从中位转动至2.5圈，转向轮最大内轮转角为31时，动力转向器进行限位动作。在车辆前进或后退过程中，车轮转动至左右极限位置时，测量最大内轮转角增大至35，满足轮边传动轴许用夹角范围，与仿真计算结果相似。5 结论本文对某特种汽车轮边传动轴导向机构损坏问题进行研究，得到了在车辆转向系统设计初期，应当充分考虑由结构件受力变形、倒车过程中转向、前进过程中转向等不同工况引发的附加角度值，并需要留有一定的设计余量7。同时为保证汽车行驶中的可靠性，应当增加转向器左右限位初调工序。在车辆下线前，先调整转向器限位，限制转向器转角不得超过2.2圈；车辆在调试下线后，再次对转向器限位进行调整，保证方向盘圈数不超过2.5圈，同时限定前桥最大内轮转角为31。文章所作研究为今后车辆的转向系统设计提供了 参考。参考文献1王望予.汽车设计M.北京：机械工业出版社，2003.2许斌.HNSAE13103汽车用液压循环球转向器行程卸荷机构的研究C.第十届河南省汽车工程技术研讨会，2013（09）：165-167.3刘鸿文.材料力学（4版）M.北京：高等教育出版社，2004.4唐家鹏.ANSYS FLUENT 16.0超级学习手册M.北京：人民邮电出版社，2016.5孙恒.机械原理（8版）M.北京：高等教育出版社，2008.6徐灏.机械设计手册M.北京：机械工业出版社，1991.7邹惠君.机械系统设计M.上海：上海科学技术出版社，1996.（上接第104页）