步进式撑顶机器人工作机理及承载能力分析

王 禹，李 刚，辛洪旭，冯怡然，陶学恒

（1.沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110168；2.大连工业大学，辽宁 大连 116034）

引言

近几年自然灾害和人为灾难较多，例如山洪、地震和火灾等，往往会造成建筑物倒塌现象[1]。根据大量资料调查显示，灾后第一天存活率高达百分之九十多，第二天、第三天存活概率为70%左右，第三天以后的存活概率骤减[2]，因此消防官兵所面临的任务繁重且责任重大。为了在最短的时间内将人员救出，仅靠消防官兵的双手解救是远远不够的，因此需要先进的救援设备来配合官兵去解救受困人员。但是部分救援设备体型庞大，在发生地震后，无法及时进入现场救援，而且在救援过程中不能保障被压人的人身安全[3]；部分救援设备体型小、携带方便，但是其救援功能欠缺而且操作复杂，往往起不到救援作用，例如千斤顶等[4]，此类产品虽然可以轻松携带到现场，但是其对现场的需要有一定的要求[5]。这类设备需要几十厘米的缝隙才能将重物撑起，而且在工作过程中需要手工加压，当重物被撑起后，需要人工添重物，然后取出千斤顶，整个过程既麻烦又危险；部分设备体积小，质量轻，需要狭窄的缝隙即可，但是其对地面和缝隙的面积有一定的要求，在该设备运行时，需要有平整的地面和较大面积的缝隙。综合考虑以上几种类型的设备均达不到快速救援的效果。

针对以上各种灾后救援设备的原理和方法进行研究，结合现场官兵所提出的各种建议与需求，同时通过对国外搜救和救援机器人进行分析后，我们提出了一种智能撑顶机器人。该机器人具有体积小、撑顶力量大等优点，所需废墟的缝隙小，只需2 cm 的缝隙就可以将重物撑起一定的高度，保障了被压人和重物之间可以完全脱离[6]。

1 机构组成及工作原理

1.1 机构分解视图

步进式撑顶机器人由13 部分组成，如图1 所示。

图1 分解视图

1.2 机构工作原理

如图1 所示，撑顶机器人动力由液压缸6 和液压缸7 提供，液压缸7 和顶板5 连接，提供上下两个方向的力，液压缸6 和斜顶板3 连接，其底端和底板1 连接，且液压缸6 和水平面成25 度安装，提供斜顶板一个斜向上的力。在运动过程中，首先，液压缸6 开始运动，提供斜顶板3 斜向上的力，斜顶板运动的同时通过圆棒带动侧板10 和12 水平前移；其次，液压缸6 收缩，此时，斜顶板下降，由于侧板内壁镶嵌有斜滑块，滑块阻碍斜顶板继续下降，此时斜顶板与滑块贴合，液压缸继续收缩，底板在液压缸6 的作用下上移，由于底板与侧壁之间只有5 mm 间隙，因此底板上升5 mm 后停止上升；再次，液压缸6 继续收缩，斜顶板沿滑块向斜下方移动，同时底板水平移动。最后，液压缸伸出，底板在液压缸的作用下，下移至地面，此时完成一个工作循环，实现了整体前移的目的。在进行一定工作循环后，物体被撑顶机器人撑到顶部，液压缸7 开始运动，将重物升起，从而达到顶起重物，解救重物下被压的人或动物。

2 受力分析及计算

该步进式撑顶机器人在实验制作过程中，需对其受外载进行受力分析[7]。

2.1 斜顶板的受力分析

斜顶板的受力分析如图2 所示。

图2 斜顶板的受力分析

式中：F1为气缸的顶力；P 为是重物的压力；G1为斜顶板的重力；N1为受侧板给斜顶板的压力；α 为斜顶板和水平面的夹角；δ 为液压缸和水平面的夹角；θ为N1和水平面的夹角。

2.2 侧板的受力分析

板的受力分析如图3 所示。

图3 侧板的受力分析

由公式（4）和（5）得：

取G2≈，求得θ≥61.1°，取整为θ=62°。

式中：F2为侧板移动时所受地面给的向后的摩擦力；G2为侧板的重力；为受侧板给斜顶板的压力；N2为侧板所受地面给的支撑力；U 为地面和侧板的摩擦系数；θ 为和水平面的夹角。

取G1=400 N、G2=550 N、G3=300 N、μ=0.4、P=10 000 N、δ=68°、θ=62°。将所给值带入（7）和（8）得知α 取任何值（7）和（8）均成立，取α=30°。

式中：F3为底板移动时所受地面给的向前的摩擦力；G3为底板的重力；N3为受侧板给斜顶板的压力；为气缸给底板向斜下方向的力；δ 为液压缸和水平面的夹角。

3 有限元分析

智能撑顶机器人在运动过程中需要承受10 000 N的力，为了防止在撑顶过程中各个结构因压力的变化而损坏，本文利用ANSYS 软件对斜顶板部件进行静力学分析为例[8]。

结合斜顶板的运动过程，对其进行约束，然后根据载荷形式，对斜顶面施加10 000 N 的压力，两侧孔各施加550 N 的力。输出结果如4 图所示。

根据图4 可知，其最大应力为3.175 MPa，同样远小于其许用应力；因此从如上图可知，该斜顶板在运动过程中很安全。

图4 斜顶板受力图

4 结语

根据消防官兵所提出的需求，结合自动机械设计的原理与方法，设计出一款新型步进式撑顶机器人。新型步进式撑顶机器人的动力由两个液压缸提供，负责楔进和撑起重物。根据机械设计原理和理论力学，对各个板块进行不同的设计，使各个板块在运动的同时对其他板块有一定的约束，从而达到预期的运动状态。本文通过使用Solidworks 软件对该款机器人进行三维造型，简化模型进行受力分析与计算，使用ANSYS 软件对该装置的重要结构进行有限元分析，且该项分析定义了载荷大小和约束方式，确保分析过程与分析结果的真实性和可靠性。智能撑顶机器人具有独特的结构设计，其体积小、撑顶力量大、使用方便，加快了消防官兵救援的效率和降低了人员伤亡的几率。