超高压水射流破拆机器人喷枪结构设计

罗洋，祁宇明，黄贤振

（1.天津市武清区职业中等专业学校，天津300222；2.天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所，天津300222；3.天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所，天津300222）

新产品开发

超高压水射流破拆机器人喷枪结构设计

罗洋1，祁宇明2，黄贤振3

（1.天津市武清区职业中等专业学校，天津300222；2.天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所，天津300222；3.天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所，天津300222）

我国是水泥混凝土的产销大国，许多早期的混凝土建筑需要进行破碎和修复，而采用传统机械破碎方式不仅效率低下，易造成环境污染和材料浪费。采用移动机器人平台搭载超高压水射流喷枪，可以在多种环境下对混凝土建筑物进行破碎拆除而不损伤内部结构以及周边混凝土材料性能，优势明显。通过对国内外超高压水射流破拆机器人进行研究，设计了破拆机器人机械臂架机械臂架，优化了破拆机器人机械臂架结构关键参数。

超高压水射流；破拆机器人；机械臂

目前在我国采用机器人作为超高压水射流技术搭载平台的工程设备主要有超高压清洗机器人、超高压消防机器人、水切割机器人和储油罐清理机器人[1]。与传统机械破碎工艺相比，混凝土的超高压水射流破碎具有以下优点：

（1）作业无振动，可以逐层破碎，这是采用应力传递、通透破碎的传统液压锤击工艺不可比拟的，在很多工程场合极大减少了作业量。

（2）作业无粉尘现象。由于用水作业，清洁、环保，破碎作业全程不出现粉尘，保障了人身安全，降低了社会危害。

（3）极好的粗糙结合面，不遗留粉尘和疏松杂物，有利于新铺材料与旧结合面的良好结合，其对桥梁道面维护极为重要，南京长江大桥桥面屡铺屡毁、凹坑遍布，就是机械破碎未形成良好结合面的原因[2]。

喷枪是高压水射流破拆机器人的末端执行器，负责机器动作的执行，由于高压水在进行破拆过程中具有较大的反作用力，所以需要设计一个可以缓解反作用力，可以稳定执行破拆作业的执行装置。本文依据水力破拆的实际作业工况设计出一种可以缓解高压水反作用力的喷枪及机器人连接移动机构，并通过对机械结构的分析实现对喷枪机械结构的优化。

1 喷枪的设计

1.1 喷枪机械结构设计

喷枪属于管型物件，其一端固定着高压喷嘴，一端连接高压水管，对喷枪杆进行机械固定时还需要考虑其破拆时的摆动动作。喷枪的摆动以及整个喷枪固定机构的摆动均采用液压马达进行带动，但两者具有一定的区别，喷枪的摆动动作是由一个曲柄摇杆机构进行驱动，液压马达带动曲柄，曲柄通过连杆以及具有减震块的铰链连接在喷枪的固定件上；为了方便喷枪的更换同时确保其工作过程中的安全性能，喷枪通过夹块以及高强度螺栓进行固定，以保证工作时喷枪在反作用力的作用下不产生滑动和脱落。

根据对破拆喷枪固定方式、驱动方式及破拆功能需求的综合分析，利用三维绘图软件对破拆喷枪的固定机构进行了简要的设计，其设计模型如图1所示。

图1 喷枪三维图

1.2 喷枪结构参数优化

将破拆机器人喷枪摆动机构结构图取出进行分析，喷枪摆动轴线水平距离马达旋转中心距离为105 mm，喷枪摆动轴心距旋转中心垂直方向为85 mm，连杆与喷枪固定机构铰接点距旋转中心为75 mm.根据该机构图，作机构简图，如图2所示。

图2 喷枪摆动机构简图

根据设计要求的喷枪摆动角度为±10°，对该机构的曲柄偏心距AA1以及曲柄杆长A1B进行计算。

由AO＝151 mm，DO＝85 mm，且AO⊥DO，可得：

由余弦公式可得：

可得：

可得曲柄偏心距为：

连杆长为：

2 喷枪托盘移动机构设计

2.1 喷枪托盘移动机构机械结构设计

超高压水射流破拆机器人喷枪能够在一定的水平横向范围内进行移动，通过横向的往复运动，控制喷枪在水平方位的破拆作业，扩大横向混凝土的破拆范围，其三维模型图如图3所示。

图3 喷枪托盘移动机构三维设计图

托盘移动机构包括托盘支架、托盘导向轮、托盘面板、齿轮齿条传动件以及液压驱动马达等部件。其中托盘支架承受喷枪固定以及运动机构的重量，同时支架的底部还装有防护罩，防止在混凝土破拆过程中，破碎的混凝土飞出伤人。托盘机构通过托盘面板四角的导轮在支架上的“V”型槽内滚动，平面设计图如3所示。托盘面板上固定有液压驱动的马达，液压马达经过减速箱将动力传递给穿过托盘面板的小齿轮，而对应的齿条固定在支架上，通过齿轮的转动，小齿轮带动整个托盘在支架上运动。

2.2 喷枪托盘移动机构参数优化

根据托盘齿轮齿条传动的设计要求，确定小齿轮参数m=2.5，z=30，根据托盘快速移动速度vmax=0.2 m/s，可求得小齿轮转速

液压马达转速

其中i为减速器传动比。选定马达额定工作压力p2=16 MPa，综合考虑系统总功率以及使用维修性，泵的功率应小于2.5 kW，选取CMK04型外啮合齿轮液压马达。其参数见表1.

表1 齿轮马达参数表

根据表1以及马达转速，计算马达输入功率其中η为总效率，满足功率要求，通过减速机减速后的小齿轮输出转矩：

T＝T0·i·η'=10.82×30×0.75=243.45 N·m（8）

其中η'为减速机传动效率。

托盘通过支重轮在支架上移动时，会受到来自支架的摩擦阻力，为克服摩擦阻力驱动托盘运动所需最大转矩为：

式中：

N为支重轮受到的正压力（N）；α为V型导轨夹角，通常取α＝90°；h为支重轮距小齿轮中心水平距离（m）；μ为导轨的动摩擦因素，其值可以参考相关设计手册；k为传动效率；

取μ=0.2，k=0.8则

而小齿轮输出转矩T≥Tmax，因此该齿轮马达满足设备动力需求且可适当过载。

经过优化后的喷枪托盘移动机构通过螺栓和旋转马达与喷枪相连接，组成超高压水射流破拆机器人的机械臂系统，其三维模型如图4所示。

图4 机械臂架三维设计图

3 结束语

以超高压水射流破拆机器人作为执行机构的混凝土破拆装备能够针对不同类型、不同混凝土材质的建筑物进行破拆作业，而作为其执行装置，破拆机器人采用液压驱动的履带式移动底盘作为行走部件，以及具有多个自由度的机械臂作为其喷枪的夹持和动作机构，能够灵活的应对其所面对的待修复或破碎的混凝土结构。本文采用三维造型软件对破拆机器人喷枪结构以及喷枪托盘移动机构进行了结构设计，并进行了参数优化，为后续的机械臂架建模和动力学仿真分析做好了准备。

[1]祁宇明，邓三鹏，王仲民，等.坍塌现场高压水射流破拆机器人系统研究[J].机械设计与制造，2013，（6）：209-211.

[2]邢嘉珍.超高压水射流破拆机器人设计与研究[D].天津：天津职业技术师范大学，2015.

Ultra High Pressure Water Jet Breaking Gun Structure Design of Robot

LUO Yang1，QI Yu-ming2，HUANG Xian-zhen3
（1.Tianjin City Wuqing District Occupation Specialized Secondary Schools，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Occupation Technology Normal University Robotics and Intelligent Equipment Research Institute，Tianjin 300222，China；3.Tianjin Occupation Technology Normal University Robotics and Intelligent Equipment Research Institute，Tianjin 300222，China）

China is the cement production and sales，many early concrete buildings need to be broken and repaired，and the use of the traditional mechanical crushing method is not only inefficient，causing environmental pollution and waste materials.The mobile robot platform is equipped with super high pressure water jet gun，which can demolish the concrete structure in many environments without damaging the internal structure and the performance of the surrounding concrete material.Based on the research of the super high pressure water jet demolition robot at home and abroad，the mechanical arm frame of the robot arm is designed，and the key parameters of the robot arm structure are optimized.

ultra high pressure water jet；rescue robot manipulator

TH113.2

：A

：1672-545X（2017）01-0073-03

2016-10-10

国家科技支撑计划课题（2015BAK06B04）；天津市科技支撑计划重点项目（14ZCZDSF00022）；天津市智能制造科技重大专项（15ZXZNGX00260）；国家自然科学青年基金项目（61301040）

罗洋（1975-），男，天津武清人，学士，中学高级，研究方向：机器人技术及应用。