田利梅 王宏 曾崢 項光清 陳杰

為了實現(xiàn)液態(tài)天然氣自動加液機器人末端與被加液車輛加氣口和回氣口的精準對接，減小對接時沖擊力的影響，我們提出設(shè)計一種在機器人手臂和自動工具交換裝置的連接處采用被動柔順結(jié)構(gòu)的高精度自動加液機器人。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計能有效降低對接時出現(xiàn)的偏差，在圓筒形柔性部分形變時，該柔性重載夾具仍能提供足夠的剛度抵抗對接力，完成對接，驗證了設(shè)計結(jié)構(gòu)的有效性和可行性。

引言

天然氣具有價格低、安全性高、無污染等優(yōu)點，引起了汽車動力材料領(lǐng)域?qū)＜业膹V泛關(guān)注，近幾年發(fā)展迅速。但由于天然氣的主要成分是甲烷，導致加氣站存在易燃易爆等安全問題，而液態(tài)天然氣（Liquefied Natural Gas， LNG）具有低溫深冷、含氧量極低的特點，吸入天然氣低溫蒸汽會導致人體呼吸困難甚至窒息[1]。因此自動加液機器人應運而生，用其代替人工可以防止天然氣泄漏對人體的傷害，有效地解決了上述安全問題。但是在LNG自動加液機器人加液過程中，加液車輛具有加氣口和回氣口兩個接口，且接口位置不同的特點，增加了對接難度;同時由于被加液車輛難以精準地?？吭谥付ㄎ恢?，由此導致的控制誤差和測量誤差等會導致最終對接位置與理想位置有一定偏差，造成對接失敗。

針對這一問題，提出加入柔順結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其具有一定的柔順性和容錯性。對于機器人的柔順結(jié)構(gòu)控制有兩種方式：一種是主動柔順控制，即通過機器人對力的測量實現(xiàn);另一種是被動柔順控制，即通過柔性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)被動控制[2]。由于主動柔順控制存在算法復雜等問題，本文采用被動柔順結(jié)構(gòu)控制。柔順結(jié)構(gòu)研究工作始于20世紀60年代，最早的柔順機器人SCARA是由Makino設(shè)計出的，該機器人具有較好的水平方向的柔性，適用于水平面的裝配[3]。Whiteny實驗團隊設(shè)計了六自由度的RCC（Remote Center Compliance）柔性手腕，但是這種結(jié)構(gòu)的柔性是通過改變彈簧的布置和彈性來改變的[4]，故這種結(jié)構(gòu)的適用性差，沒法適應其它不同的作業(yè)環(huán)境。Sturges等人引入正交柔順的概念，提出了空間SRCC（Space Remote Compliance Center）的設(shè)計思想，通過螺旋桿系調(diào)整方位角的誤差[5]。

為了提高LNG自動加液機器人的對接精度并且保證具有足夠的剛度以及適用性，我們提出設(shè)計一種在機器人手臂和自動工具交換裝置的連接處采用被動柔順結(jié)構(gòu)的高精度天然氣自動加液機器人，通過結(jié)構(gòu)零件的柔性來完成被動柔順功能，采用削弱零件剛度的方法形成夾具的柔性，實現(xiàn)LNG機器人末端和被加液車輛加氣口和回氣口精準對接。

柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計

不同于傳統(tǒng)柔順裝配技術(shù)[6]，考慮到LNG加液機器人使用場所的特殊性，對機器人末端被動柔順結(jié)構(gòu)設(shè)計提出約束條件。

設(shè)計要求

夾具重量小

如果按照傳統(tǒng)設(shè)計柔順結(jié)構(gòu)的方法設(shè)計夾具，再采用連桿、彈簧等柔性部件后，結(jié)構(gòu)部件通常較待安裝零件重[7]。若按照傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計，必然會使柔順結(jié)構(gòu)及夾具整體嚴重超重，導致機器人無法運作。因此為解決夾具超重的問題，提出夾具直接使用一體化柔順結(jié)構(gòu)。

柔性度

LNG自動加液系統(tǒng)工作流程為：搜索-檢測-移動的開環(huán)系統(tǒng)，存在位移、姿態(tài)誤差。因此這就需要夾具在對接的時候為加氣槍和回氣槍提供足夠的彈性位移，保證對接成功，減小對接時的沖擊，所以需要夾具具有一定的柔性度。

夾具剛度

因LNG加液機器人末端的加氣槍重量較大，如果所設(shè)計的夾具剛度過低的話，會使得其在運動過程中變形進而導致對接失敗，因此合理的剛度指標是柔性夾具設(shè)計約束條件之一。

柔順結(jié)構(gòu)的設(shè)計

方案一如圖1所示，采用電磁快拆模塊安裝加氣槍和回氣槍，并進行了柔順結(jié)構(gòu)設(shè)計。在電磁快拆模塊與機械手連接部分設(shè)計柔順結(jié)構(gòu)?？觳鹉K通過活動中座固定在機器人夾具上，中座兩端是圓弧結(jié)構(gòu)，側(cè)面用橡膠固定。由于存在測量誤差、控制誤差，加氣槍與回氣槍對接時會出現(xiàn)卡頓，此時活動中座壓縮橡膠，在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，確保對接成功。

方案一雖然能成功完成對接，但由于其重量大、結(jié)構(gòu)復雜，不符合設(shè)計要求。對其進行改進，改進方案如圖2和圖3所示。夾具直接使用一體被動柔順結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)零件的柔性完成被動柔順功能，采用削弱零件剛度形成夾具的柔順結(jié)構(gòu)。改進方案中柔性部分為圓筒形，并且通過提高零件前后部分剛度，可以保持連接部分的穩(wěn)定性。

圓筒形柔順結(jié)構(gòu)位于機器人手臂與自動工具交換裝置連接處。柔順結(jié)構(gòu)基體采用鋁合金，柔性部分為中空結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可在前后高剛度安裝面之間產(chǎn)生較大的彈性形變。同時在設(shè)計中優(yōu)化了邊沿倒角使得應力集中減小。為了增加連接處的剛度，采用增加圓筒前后連接板厚度的方法。因此圓筒形柔性零件彈性變形集中于中空部分，這有利于控制變形特性，在加液槍和加液口對接過程中若存在卡頓現(xiàn)象，可以調(diào)節(jié)機器人手臂確保對接成功。

柔順結(jié)構(gòu)的有限元分析

本文采用ANSYS Workbench 15.0軟件對LNG加液機器人圓筒形柔性零件進行限元分析，設(shè)定如下：

1.零件與機械臂采用六個螺栓固定位置;

2.引入輔助分析零件，模擬LNG加氣槍;

3.添加200N的遠程力，模擬LNG加氣槍20kG的最大重量;

4.為了模擬LNG槍體與結(jié)構(gòu)連接情況，采用螺栓力模擬實際的螺栓連接，設(shè)定預緊力為6000N;

5.工況設(shè)定LNG加液機器人末端位移加載最大0.6mm位移偏差，方向為正對夾具方向逆時針旋轉(zhuǎn)角度。分析工況設(shè)定如表1，分析結(jié)果如圖4至圖11所示。

圖6至圖11為6種不同工況下對文中設(shè)計的LNG加液機器人圓筒形柔順結(jié)構(gòu)的有限元分析。通過上述分析可知，本文所提出的圓筒形柔順結(jié)構(gòu)零件應力最大值為154Mpa，柔順結(jié)構(gòu)基體選用的是材料6061-T6鋁合金，極限工況下的安全系數(shù)仍能達到1.8倍，表明文中設(shè)計的圓筒形柔順結(jié)構(gòu)達到了設(shè)計要求。

實驗驗證

為進一步驗證高精度LNG自動加液機器人被動柔順結(jié)構(gòu)的性能及可行性，搭建如圖12所示的機器人實驗平臺，平臺包括ABB機械臂、圓筒形柔性夾具、加氣槍、回氣槍、模擬加氣車輛加氣口和回氣口等。通過把實驗板固定在實驗桌上，模擬車輛加注對接的真實情況。在此過程中，由于測量誤差、硬件裝配誤差以及偶然誤差等因素的影響，最終對接位置與理想位置有一定偏差，造成對接失敗。當加氣槍或回氣槍在對接存在卡頓時，活動機器人手臂，通過被動柔順結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)加氣槍位置，保證了加氣槍或回氣槍準確的插入相應接口。LNG自動加液機器人對接實驗結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，十次對接實驗全部成功，其中加氣槍對接位置最大誤差均值為0.257mm，回氣槍對接位置最大誤差均值為0.251mm，均達到設(shè)計要求。在對接期間，可以明顯地看到在對接的時候會出現(xiàn)對接卡頓的現(xiàn)象，這時通過柔性部分的變形活動機器人的手臂，使得加氣槍或回氣槍成功插入。

結(jié)論

為了提高LNG自動加液機器人的對接精度，盡量減少對接時沖擊力的影響，提出了設(shè)計一種在機器人手臂和自動工具交換裝置的連接處采用被動柔順結(jié)構(gòu)的高精度LNG自動加液機器人，保證加氣槍和加氣口精確對接。通過有限元分析以及實驗驗證表明，該設(shè)計結(jié)構(gòu)的有效性和可行性。

參考文獻

[1]程立明. LNG加氣站主要危險因素及防護措施[J]. 當代化工研究， 2018 （1）： 129-130

Cheng Liming. Main Risk Factors and Protective Measures in LNG Filling Station[J]. Chenmical Intermediate， 2018 （1）： 129-130

[2]黃婷， 孫立寧， 王振華等. 基于被動柔順的機器人拋磨力/位混合控制方法[J]. 機器人， 2017， 11（6）： 776-786

[3]Makino H.， Furuya N. Selective Compliance Assembly Robot Ann[J]. JICAA. 1980：77-86

[4]Whitney D E， Rourke J M. Mechanical behavior and design equations for elastomer shear pad remote center compliances[J]. Journal of Dynamic Systems， Measurement & Control， 1986，108（3）： 223-232

[5]Garg， Devendra P.， Ellingboe， Bruce S. Feedback Control in Chamferless Assembly of Compliantly Supported Rigid Parts [C]. American Control Conference， 1985

[6]Newman W S， Branicky M S， Podgurski H A， et al. Force-responsive robotic assembly of transmission components[C]. IEEE International Conference on Robotics and Automation， 1999， 3： 2096-2102

[7]R.H.Sturges， S.Laowattana. Design of an Orthogonal Compliance for Polygonal Peg Insertion[J]. Journal of Mechanical Design， 1996， Vol.118 （1）， pp.106