劉超穎，臧麗超，王戰(zhàn)中，熊蒙，楊長健

(石家莊鐵道大學機械工程學院，河北石家莊050043)

編組站是鐵路網(wǎng)上集中辦理大量貨物列車到達、解體、編組出發(fā)、直通和其他列車作業(yè)，并為此設(shè)有比較完善的調(diào)車作業(yè)的車站。駝峰因其形狀類似駱駝峰背而命名，是編組站解體列車的一種主要方法。在進行駝峰調(diào)車作業(yè)時，先由調(diào)車機將車列推向駝峰，當最前面的車組(或車輛)接近峰頂時，提開車鉤，這時就可以利用車輛自身的重力，順坡自動溜放到編組場的預(yù)定線路上。

在進行摘鉤作業(yè)時，摘鉤工作人員手持作業(yè)單，數(shù)到列車的待摘鉤車鉤處，于適當時機將車鉤的鉤舌銷提起，為了防止鉤銷因列車振動或碰撞而落下，提起車鉤后需護送一段時間再松開，進行下一組摘鉤作業(yè)。由于是在野外進行作業(yè)，工人工作環(huán)境惡劣、勞動強度大、安全性差，惡劣天氣 (刮風、雨雪等)下工作條件更加艱苦。同時由各種原因?qū)е抡e鉤的現(xiàn)象也時有發(fā)生，由此造成的返工嚴重降低了編組站的作業(yè)效率［1］。

目前，編組站的列車推峰和溜放都已經(jīng)實現(xiàn)了自動化，只有在貨車車廂摘鉤方面還未實現(xiàn)自動化。隨著國民經(jīng)濟的日益發(fā)展，鐵路運輸任務(wù)愈來愈重，為了提高車輛周轉(zhuǎn)率、縮短貨物運輸時間，作者設(shè)計了鐵路貨車摘鉤機器人。

1 摘鉤機器人結(jié)構(gòu)及運動學方程

1.1 摘鉤機器人結(jié)構(gòu)

為有效提高編組站的作業(yè)效率，讓摘鉤作業(yè)人員從繁重、危險、艱苦的工作中解脫出來，針對駝峰摘鉤問題，作者設(shè)計了一種行走式摘鉤機器人。該摘鉤機器人的具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它具有3 個自由度，2 個移動關(guān)節(jié)和1 個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)1 由伺服電機4經(jīng)減速器5 減速，帶動絲杠螺母移動，從而實現(xiàn)了機器人的上下移動。關(guān)節(jié)2 原理和關(guān)節(jié)1 相同，實現(xiàn)摘鉤機器人的伸縮運動。關(guān)節(jié)3 與前兩個略有不同，由伺服電機13 經(jīng)減速器14 帶動光杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了摘鉤機器人末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)運動。

圖1 摘鉤機器人結(jié)構(gòu)示意圖

該行走式摘鉤機器人的底座固定在行走裝置上，工作時行走裝置先加速至與列車同步，再進行以下動作:上升(或下降) －伸出－旋轉(zhuǎn)－保持－ 反向旋轉(zhuǎn)－收縮(至初始位置)。當機器人與列車同速時，機器人相對列車靜止。為了方便研究，省略了行走裝置按照靜止狀態(tài)對機器人進行分析。

1.2 摘鉤機器人運動學方程

機器人運動學主要研究機器人末端執(zhí)行器的位姿與關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系，在機器人各連桿的上關(guān)節(jié)處建立連桿坐標系，如圖2 所示，列出D-H 參數(shù)［2］，見表1。

圖2 摘鉤機器人坐標系

表1 摘鉤機器人D-H 參數(shù)

坐標系{i}相對于坐標系{i －1}的變換矩陣i

i－1T 可以表示為

其中:sθi= sinθi，cθi= cosθi，sαi= sinαi，cαi=cosαi。

由此，得到

根據(jù)這些結(jié)果計算得到機器人的運動學方程

2 摘鉤機器人的動力學方程

機器人的動力學方程是表示機器人各關(guān)節(jié)的力或力矩與其位置、速度、加速度關(guān)系的方程式。研究機器人動力學的目的是對機器人進行最優(yōu)控制，使其達到更好的動態(tài)性能。

在眾多求解機器人動力學方法中，選擇了拉格朗日算法。它基于系統(tǒng)能量的概念，能夠以簡單的形式求得復(fù)雜的系統(tǒng)動力學方程，只需求解速度不必求內(nèi)作用力，并具有顯式結(jié)構(gòu)，物理意義較明確，是一種直截了當?shù)姆椒āτ谌魏螜C械系統(tǒng)，拉格朗日函數(shù)L 定義為系統(tǒng)的動能Ek和勢能Ep之差，即:L =Ek－Ep，因此，系統(tǒng)的動能和勢能可以用任意選取的坐標系來表示，例如廣義坐標qi(i=1，…，n)。系統(tǒng)的動力學方程 (稱第二類拉格朗日方程)為:。由于勢能Ep不含q˙i(i = 1，…，

i n)，因此，動力學方程也可以寫成

摘鉤機器人的動力學方程最終結(jié)果［3］表示為:

如果是力矩，則為:

其中:

由公式(1)— (3)可以看出:要做動力學分析必須知道模型的質(zhì)量參數(shù)、慣性參數(shù)和質(zhì)心坐標。首先在Pro/E 中建立摘鉤機器人的零部件，然后對零部件進行裝配得到機器人的三維實體模型，利用Pro/E 的質(zhì)量屬性分析功能，選擇機器人的連桿坐標系，得到機器人的質(zhì)量屬性參數(shù)［4］如表2 所示。

表2 質(zhì)量屬性參數(shù)

將表中的參數(shù)代入公式(1)— (3)得到:

各關(guān)節(jié)的動力學表達式為:

3 摘鉤機器人動力學仿真

在建立摘鉤機器人動力學模型時，為了便于計算，作如下假設(shè)［5］:

(1)摘鉤機器人每個部件均為剛體。

(2)電機功率滿足驅(qū)動力矩要求，且為理想驅(qū)動器。

(3)忽略關(guān)節(jié)摩擦。

首先在Pro/E 中建立摘鉤機器人的三維模型，將其保存為parasolid 格式，然后導入ADAMS 中，設(shè)置模型的名稱、質(zhì)量和外觀，定義運動副，設(shè)置好前邊這些參數(shù)后添加驅(qū)動［6］。最后，ADAMS 中的仿真模型如圖3 所示。通過設(shè)置摘鉤機器人的驅(qū)動函數(shù)，實現(xiàn)了摘鉤機器人的順序動作(下降－ 伸出－ 旋轉(zhuǎn)－保持－旋轉(zhuǎn)－ 收縮)。3 個驅(qū)動函數(shù)采用的STEP 函數(shù)［7］如表3 所示。

圖3 仿真模型

表3 STEP 函數(shù)

前處理完成以后就可以對模型進行仿真計算了。設(shè)置仿真時間為20 s，仿真步數(shù)為2 000，進行動力學仿真，調(diào)用后處理模塊ADAMS/postprocessor 得到3個關(guān)節(jié)的力－時間和力矩－時間曲線［8］，如圖4—6所示。

圖4 關(guān)節(jié)1 的力－時間曲線

圖5 關(guān)節(jié)2 的力－時間曲線

圖6 關(guān)節(jié)3 的力矩－時間曲線

將仿真曲線與理論計算曲線進行對比，變化趨勢基本一致，證明了所建立的摘鉤機器人的數(shù)學模型是正確的，機器人的結(jié)構(gòu)是合理的。

4 結(jié)論

提出一種新型三自由度鐵路貨車摘鉤機器人。用D-H 參數(shù)法推導機器人的運動學方程，用拉格朗日法建立機器人的動力學方程，用Pro/E 建立了機器人的三維模型并將其導入ADAMS 中進行動力學仿真。將得到的仿真曲線和理論計算曲線進行對比，表明理論分析是正確的。其仿真結(jié)果也可以作為選擇電機和減速器的依據(jù)，還可依據(jù)此結(jié)果進行動力學優(yōu)化設(shè)計。此外，還為機器人的控制打下了基礎(chǔ)。

【1】王小東，謝金虎，崔炳謀，等.駝峰解體作業(yè)中自動提鉤機制的研究［J］.鐵路計算機應(yīng)用，2008(4):5 －8.

【2】熊有倫.機器人學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1993.

【3】霍偉.機器人動力學與控制［M］. 北京:高等教育出版社，2005.

【4】王戰(zhàn)中.噴涂機器人連續(xù)3R 斜交非球型手腕設(shè)計方法與實踐［D］.天津:天津大學，2008:47 －50.

【5】劉小成，石華. 仿蟹機器人基于MATLAB 與ADAMS 單足聯(lián)合仿真分析［J］.微計算機信息，2010，26(14):154－156.

【6】李增剛.ADAMS 入門詳解與實例［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

【7】于蓬，張為春，王曉. 搶險機器人動力學仿真分析［J］.建筑機械，2010(23):98 －101.

【8】李慶齡，趙永生.六自由度工業(yè)機器人動力學分析與仿真［J］.上海電機學院學報，2008，11(4):275 －278.