新型多功能拆除机器人的研制

产品结构PRODUCTS&STRUCTURE100建筑机械2013.3（上半月刊）新型多功能拆除机器人的研制徐必勇1，罗铭1，2，刘显成1（1.安徽惊天液压智控股份有限公司，安徽马鞍山243002；2.安徽工业大学，安徽马鞍山243002）［摘要］GTRC-15型多功能拆除机器人是一种柴油机驱动的用于高危环境下具有精细化作业能力的新型装备，对其系统结构、技术原理以及功能的实现进行了介绍，目前该型机器人样机已经完成，实验结果证明了系统的可靠性和各项性能指标满足设计要求。［关键词］拆除机器人；遥控；视频监控；激光扫描［中图分类号］TP24［文献标识码］B［文章编号］1001-554X（2013）03-0100-05ResearchonthenewmultifunctionaldemolitionrobotXUBi-yong，LUOMing，LIUXian-cheng新型拆除机器人是结合高危环境特点开发的一种遥控多功能作业机器人，具备某些感知能力、行走规划能力、动作能力和协同能力，具有对环境适应性强、作业范围广、操作灵活方便、工作安全可靠等优点，能在有毒（污染）、易爆、易燃等危险与恶劣环境中替代人类或辅助人类完成复杂的作业，可极大地改善劳动条件、降低伤亡事故。该机广泛应用于水泥和冶金矿业中对各种炉窑的打壳、拆砖及拆除；对各种冶金炉、鱼雷罐车、钢包的打渣拆包及清理；在建筑行业对危旧建筑物的拆除；在抢险救援工作中对剧毒化学物质泄漏、核物料泄漏的搬运与处理。1主要功能及技术参数GTRC-15型多功能遥控拆除机器人采用柴油机驱动，以解决工作现场缺乏电源供应的难题。通过将负载反馈式电液比例系统、基于CAN总线的数字式双向无线遥控系统、无线全向视频监控系统、红外激光扫描定位系统以及多参数传感系统有机融合，并装备独特的7自由度作业机构，可以在易燃、易爆、易坍塌的危险区域中灵活、精确地进行全方位、远距离控制的破碎、拆除等作业。通过液压手腕，机器人可以快速配置液压剪、液压夯、液压钻、挖斗等不同作业机具，完成剪切、夯实、钻孔、挖土等工作，实现一机多能。整机具有体积小、灵活性强、多学科集成、智能化程度高等特点，是机器人技术从纯粹运动学领域向工程领域的发展和跨越。GTRC-15型拆除机器人的结构及组成如图1所示。主要技术参数如下：（1）整机性能。整车装备质量1750kg牵引力19.3kN行走速度（慢速/快速）2.2/4.3km/h回转速度0～8r/min接地比压31.4kPa爬坡度30%重复定位精度（自动定位）±10mm激光定位系统扫描半径10m履带架跨距（可变）990～250mm履带宽度230mm工作状态（长×宽×高×深）4100×1250×4689×1450mm运输状态（长×宽×高）3000×990×1500mm可配工具抓斗、挖斗、液压锤、液压剪、液压夯等［收稿日期］2012-09-03［基金项目］国家火炬计划项目（2008GH041101）［通讯地址］徐必勇，安徽马鞍山市经济技术开发区红旗南路5号，安徽惊天液压智控股份有限公司研发中心101CONSTRUCTIONMACHINERY2013.31234567891011121314151228202913009981715可变幅990-1250161718192021221.作业属具2.液压手腕3.三臂4.转锤油缸5.二臂6.三臂油缸7.二臂油缸8.液压系统9.大臂10.红外激光扫描定位装置11.无线视频及监控系统12.控制系统13.回转支承14.配重15.行走马达16.支腿油缸17.蛙式支腿18.照明系统19.橡胶履带20.回转马达21.大臂油缸22.柴油动力系统图1GTRC-15拆除机器人结构组成（2）动力系统。KUBOTAD1105-E3B3缸柴油发动机功率/转速15.5kW/2400/（r/min）最大转矩71N·m/2200/（r/min）（3）液压系统。MVP30.34D负载敏感式变量柱塞泵流量0～70l/min主阀负载反馈式电液比例多路阀（LUDV）系统压力21MPa工作压力18MPa回转马达摆线定量行走马达柱塞变量（4）控制系统。控制模式开环监视、闭环控制（激光定位），手动/自动控制（自动扑捉）控制装置便携式遥控器（HBC）控制方式无线（遥控距离≥1000m）通讯模式CAN总线的数字式无线双向通讯视频监控无线全向视频监控系统2系统组成GTRC-15多功能遥控拆除机器人集仿生技术、通信技术、控制技术、传感技术、机电液一体化技术、冲击振动技术于一体，属于特定领域的技术集成。主要由机械系统、动力系统、液压系统、传感与电液比例控制系统、通信系统、视频监控系统、激光扫描定位系统及照明系统等部分组成。2.1机械系统主要包括车体、行走机构、回转平台、多关节机械臂、液压手腕、工具头和液压支腿等。车体分为上、下两部分，上车内部安装动力系统、控制系统、无线通信系统、冷却系统和液压系统、摄像产品结构PRODUCTS&STRUCTURE102建筑机械2013.3（上半月刊）机及无线视频发射系统、激光扫描定位系统等；下车由小型履带底盘（含四轮一带、行走马达）、活动车架（通过油缸改变履带架跨距）及液压支腿组成。上、下车之间通过电液中心回转接头连通液压通道及电控信号。行走履带通过2个自身带有制动器的液压马达分别驱动。液压马达设有高速和低速挡，最大行驶速度2.2/4.3km/h，行走速度可远程无级调节。多关节机械臂由大臂、二臂、三臂及相应的驱动油缸组成，整体串联成可变三角形机构。机械臂前端与机器人手腕机构固连。所有油缸内置美国MTS位移传感器，将检测信号输出用于机器人闭环控制。机器人的液压手腕为新型2自由度机构，结构如图2所示。主要利用摆动油缸2和减速箱体1内的回转马达实现下接属具绕X轴±40º偏摆和绕Z轴±360º回转动作，结合图1中转锤油缸4的伸缩实现绕Y轴的摆动，从而实现下接属具三维空间的灵活作业。同时利用快换装置5与液压剪、液压夯、液压钻、挖斗等不同用途的工具头进行快速连接更换，扩大其作业范围，其延展功能，减轻劳动强度，显著提高工作效率。1234zyx51.减速箱体2.摆动油缸3.液压阀组4.上连接架5.快换装置图2机器人液压手腕结构图回转机构安装角度编码器，输出信号用于机器人闭环控制。为增加机器人的中心支承面积，保证机器人的工作稳定性，车身前后安装有4个液压支腿，前后左右对称布置。支腿油路中装有平衡阀，防止回落和保证前后支腿收支同步。前、后液压支腿与行走支架主体采用螺栓连接。可根据现场实际作业需要，卸除液压支腿，安装推土铲等装置，实现推土等作业。考虑到机器人进入狭小空间作业的需要，增加了履带变跨距功能，通过履带架内置油缸，实现行走履带990～1250mm范围内变跨距功能。2.2动力系统考虑到机器人的通过性和环境适应性，该机采用柴油机驱动。其自动怠速控制可以有效地降低油耗，当系统检测到机器人在中高转速空载运行时间超过设定时间后，系统自动降低发动机转速；当检测到机器人有作业指令后，就恢复或者增加发动机转速。可使发动机的输出功率与负载敏感变量柱塞泵的负载功率相匹配，最大限度地提高发动机的燃油利用率和机器人的工作效率，降低工作过程中的燃油消耗，实现节能减排功能。2.3液压系统机器人液压系统主要由负载敏感式变量柱塞泵、负载敏感电液比例多路换向阀、双作用式液压缸、液压回转马达、二位三通电磁阀、平衡阀以及其它液压元件组成，其液压原理图见图3。整个液压系统可以分为主液压回路和负载反馈液压回路两部分。多路换向阀（图3中1和15）分成4片和6片两件，4片阀分别用于控制下车左右行走和前后支腿；6片阀用于控制工作臂4个油缸、回转马达和液压手腕。2个二位三通电磁阀（图3中2和9）分别用于控制履带伸缩和行走快慢速挡切换。2个主阀将负载（Ls口）串联后与变量泵控制口相连，从而实现泵阀负载敏感控制，控制油源由主阀组内部经减压阀提供。液压系统的主泵为轴向变量柱塞泵，应用恒功率负载敏感控制技术，并选用负载敏感比例多路阀（阀后补偿方式）为系统的控制核心元件，使泵的输出流量始终与负载需要相适应，使系统具有良好的操作性能、节能和发热小等优点。由于系统采用负载敏感阀后补偿方式，当几个执行元件同时工作时，不会因泵供油不足而出现低负载机构动作而高负载机构不动的情况（称为“系统饱和”现象）。103CONSTRUCTIONMACHINERY2013.311617181923456789101112131415液压手腕液压油路1，15.多路换向阀2，9.二位三通电磁阀3.履带变幅油缸4，5.前后支腿油缸6，7.左右行走马达8.中央回转接头10，11，12，13.大臂、二臂、三臂、转锤油缸14.回转马达蛙式16.负载敏感式变量柱塞泵17.柴油机18.水油散热器19.回油过滤器图3GTRC-15机器人液压原理图2.4传感与电液比例控制系统机器人液压系统采用基于脉宽调制的电液比例系统进行控制，组成电液比例控制系统的基本元件有控制手柄、控制器、脉宽调制（PWM）驱动电路、电液比例阀及执行机构等部分。通过遥控手柄发射控制信号，控制电液比例先导阀的输出压力和主换向阀阀芯的开口位置，实现液压执行元件工作速度的比例调节。遥控手柄主要由双遥杆（万向）无线/有线信号发射系统（遥控器）和无线/有线信号接收转换系统组成。遥控器采用便携式设计，可内置于操作台也可拴在操作人员的腰部进行控制作业。接收器安装在机架内，接收天线通过磁座放在机体外部，遥控器控制面板如图4所示。遥控器选择德国HBC控制器，具有大功率、长距离信号发射和接收功能，内置信号放大模块，确保1km内控制信号不衰减。整个控制和通讯系统集成在远端中央控制室内，视频显示。图4机器人遥控器控制面板2.5通信系统通过通信系统，机器人可以传递外部或者内部信息，完成诸如传感信息处理、路径规划等数据运算，同时还可以实现多个机器人之间的信息交互。为保证机器人控制系统具有良好的响应特性和模块扩展性，通信系统采用CAN总线通信模式，利用红外遥控技术和蓝牙通信技术建立机器人的整个通信系统，包括机器人通信接口、CAN总线控制器、遥控发射器、遥控接收器、蓝牙模块、状态监控器等模块。控制系统组成框图如图5所示。产品结构PRODUCTS&STRUCTURE104建筑机械2013.3（上半月刊）控制器(EPEC2024)控制器(EPEC2023)车载状态监控器控制器(EPEC2038)蓝牙模块遥控接收器蓝牙模块远程状态监控器电液比例阀手腕运动执行机构遥控发射器手柄操作信号无线有线CAN总线下车传感器下车执行机构上车执行机构上车传感器图5控制系统组成框图2.6状态监控与全向无线视频系统通过机载状态监控器、远程状态监控器和无线通信系统，并采用虚拟仪表技术组成机器人的状态监控系统，对机器人的行走和工作状态进行实时监控。视频信号采用COFDM（正交频分复用）调制无线传输技术构建，具有传输图像质量好、抗干扰能力强、连接方便、自建传输网络、不受公网影响等特点。该机在设备端四周安装4个摄像头，视频信号接入全景控制器，从而实现设备环场监控。设备端同时安装1台云台摄像机，完成工作装置前端机具（液压剪、抱夹等）运动的局部监控，控制指令由控制室的云台控制键盘完成。通过设备端的拾音器将现场音频信号无线传输至控制室内。监控器采用文本和图形显示方式，通过翻页显示机器人的所有工作状态、传感器数据、故障代码和错误报警，提示出现故障的元件和位置，并可通过人机接口对机器人的各个执行机构进行动作调试和参数标定。无线视频系统拓扑结构图如图6所示。2.7红外激光扫描定位系统由于机器人采用远程遥控操作模式，无线视频图像无法显示深度信息，给机器人精确作业带来了很大不便，影响作业效率。该机采用激光扫描定位技术及方法，可以有效满足机器人在恶劣环境下进行精确作业定位的需要。首先操作者结合远程视频监控系统观察作业现场，先将机器人移动到工作区域，机器人支腿伸出并自动调平，使机器人定点。根据现场环境确定所要破碎的物件，然后操作激光扫描定位云台运动，确认破拆物体，控制系统根据激光转动的角度和定位距