基于ANSYS 的防爆机器人关节仿真分析

蒋曙光

（宜兴经济技术开发区安环局，江苏 宜兴 214200）

随着工业社会的飞速发展，在这样大环境下，各个行业都面临着生产作业效率和方式的转型突破，尤其是像石油化工、涉爆粉尘以及消防等高危环境生产中的安全问题更不容忽视。传统作业方式主要还是通过人工穿着防爆服的方式，对设备和环境存在的潜在爆炸威胁进行排除。但是这样的方法有着明显的不足之处，许多生产作业区域高度危险，人工不方便进行作业，即使能够进入，传统的人工方式也存在劳动强度大、工作效率低、手段单一且危险性极高等弊端。并且，随着工业的发展，此类安全隐患数量不断加大，传统的人工防爆已经无法满足作业要求。因此，防爆机器人应运而生，并且很快取得了市场的认可。据应急管理部（原国家安全生产监督管理总局）统计，中国平均每年因生产安全事故引发的损失极其巨大，为了保障人员安全，降低损失风险，提高企业生产作业效率，可以采用防爆机器人，其能在生产作业隐患排除过程中发挥巨大作用，所以对防爆机器人的研究就显得尤为重要。但是防爆机器人由于手臂过长，存在刚性结构差等缺点。

防爆机器人作为特种机器人的一种，不仅可以在危险环境下对可疑的爆炸物品进行检查、抓取、搬运和销毁，是搜爆、排爆作业的专业装备，还可以应用在危险、有毒、有害的恶劣环境中，通过工业内窥镜进行侦察、消防、救援，并在核工业中核辐射环境下的作业，保护人员不受到有害物体的伤害。

通常情况下，其主要工作是用于完成在复杂环境下搜查、排爆、监控及放射性物质排除等危险工作，配有履带或者轮子在废墟、草地、滩涂等地域行驶。通过各个摄像机、X 光射线仪和激光测距仪等对工作环境进行监控。根据需要还可以将机器人的控制设置为有线控制和无线控制。当前，无论在国外还是在国内，防爆机器人系统的研究都是处在一个上升阶段，而且也取得了很多成果，其中以美、英、德、法、以色列等国家较为成熟，并相继有排爆机器人产品投入实际应用。

反观国内某些重要的工业领域，例如油气厂站作业区这种高危环境下，丝毫马虎大意都埋伏着巨大的安全隐患。因此，油气能源工业作为特殊的生产作业领域，必须要高频次、高精准、全天候地完成日常巡检防爆工作任务，并针对各类现场不确定危险因素作出相应预警措施，这样才可确保企业生产作业的正常进行。如果采用防爆机器人代替人工进行防爆巡检，不仅可以降低危险性，而且可以大大提高工作效率，仅使用一个防爆机器人就可以独立完成对整个厂站现场各种环境状态，如管道气体泄漏、仪表失灵、设备异常等非常规突发情况的排查。因此增加对防爆机器人的相关研究意义重大，无论是对人们的安全还是社会长远发展来说都有积极意义。

1 防爆机器人关节设计

根据作业环境需求以及防爆机器人动作需求分析，本文设计了双臂对称布置的防爆机器人，以两臂连接方式，一个采用垂直布置，另一个采用水平布置，并对防爆机器人的关节连接方式进行了研究。为避免球腕型结构（三关节轴线交于一点）需要设计复杂外形的关节外壳，防爆机器人关节布置方式选择非球腕型结构（三关节轴线交于两点）。而且非球腕型关节结构的负载能力和运动范围均优于球腕型关节结构，并且可以解决关节连续旋转时手腕内部走线的打结或折断问题。

此外，为了简化防爆机器人的运动学计算，将非球腕型关节中相邻轴线的相交角度确定为直角，即防爆机器人的各个关节的配置均为正交非球腕型关节结构。

根据以上设计原则，从而确定了防爆机器人的关节连接方式有两种方案：①方案一。两构件垂直，防爆机器人的前一个关节与后一个关节相交角度呈90°布置。②方案二。防爆机器人的两关节采取平行布置。这两种设计方案均可以达到仿生机械手臂的功效，从而能够实现防爆机器人任务过程中的需求。根据该设计方案建立其三维模型如图1和图2 所示。

图1 两构件垂直

图2 两构件平行

2 三维模型的有限元分析

通过对防爆机器人完成任务的动作进行分析，得知由于防爆机器人需要具备搬运以及托举等动作，所以在其手臂与躯干构成悬臂梁的时候产生的力矩最大，并且对于关节连接处的应变也最大。所以本设计中最大变形是位于两臂连接处的形变。为了达到防爆机器人在工作过程中的刚度要求以及稳定性要求，本文利用对关节连接件的有限元分析，确定了连接件的最优尺寸。如图3 所示，首先将关节连接件的三维模型壁厚设置为8 mm，对其受力方向施加模拟的力，进行相关计算得到形变的最大位移为8.96133e-006 mm，形变较大，不能满足刚性需求需要。如图4 所示，调整关节连接件三维模型的壁厚为10 mm，再次进行计算分析，得到形变的最大位移为1.541e-002 mm，满足预先设定的防爆工作需求。

图3 应力图1

图4 应力图2

3 结语

本文首先根据防爆机器人的工作需求及排障消防的动作分析对防爆机器人进行了结构设计，并且对关节布置进行了相关优化，克服了传统球腕型结构（三关节轴线交于一点）的缺点，采用非球腕型结构（三关节轴线交于两点）的布置方式，并据此进行了三维模型的设计。然后根据其工作时的最大变形位置分析，找出关键部位的零件，采用有限元分析的方法，分析了关节连接件尺寸设计的合理性，确定了最优参数，确保防爆机器人的悬臂刚度满足作业要求，对当下防爆机器人设计的科学性、稳定性具有重要帮助，也对企业的生产实现本质安全具有重要意义。