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基于虚拟样机的拆除机器人工作装置设计与运动学仿真

ＤｅｖｉｃｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＫｉｎｅｍａｔｉｃｓＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＤｉｓｍａｎｔｌｅＲｏｂｏｔｔｏ
ＢｅＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＶｉｒｔｕａｌＰｒｏｔｏｔｙｐｅ

豳福建晋工机械有限公司赵家宏／ＺＨＡＯＪｉａｈｏｎｇ
长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室张燕飞／ＺＨＡＮＧＹａｎｆｅｉ
司癸￣Ｐ／ＳＩＧｕｉｍａｏ孟小净／ＭＥＮＧＸｉａｏｊｉｎｇ

摘要：基于虚拟样机技术，应用ＣＡＴＩＡ软件，对拆除机器人的工作装置进行了设计。建立了拆除机器人工作装置
的三维模型，并对其进行了装配和干涉检查。利用ＡＤＭＡＳ软件对拆除机器人的工作装置进行了运动学仿真分析。通过
运动学仿真分析，得到了最大作业半径、最大作业深度和最大作业高度等基本作业参数。并自动生成了液压锤的工作范
围包络图，为拆除机器人整机设计的合理性提供了理论依据。

关键词：虚拟样机技术拆除机器人工作装置运动学仿真

拆除机器人广泛应用于工业与民用建筑、交通运的要求。而虚拟样机技术的发展，使产品设计摆脱了
输、水利水电工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军对物理样机的依赖，降低了产品的开发风险，大大提
事工程等机械化施工中，对提高劳动生产率、保障作高了企业的生产效率，体现了一种全新的研发模式。本
业人员生命安全以及保证工程质量等方面都起着非常文利用虚拟样机技术中的ＣＡＴＩＡ和ＡＤＡＭＳ软件，对
重要的作用。拆除机器人的作业范围是衡量拆除机器人拆除机器人工作装置进行了设计和运动学仿真分析。
性能的重要指标之一，也是用户购买拆除机器人时考虑
的重要因素之一。因此，对拆除机器人的工作装置进行ｌ拆除机器人的结构
深入的分析一直得到设计部门的关注。拆除机器人的从系统仿真建模的角度，拆除机器人可分为四个主
传统设计方法既费时又耗材，难以满足当今企业发展要部分：动力系统、机械系统、液压系统、控制系统。

ＡＢＣＤＥ

１．拆除工具２．遥控摄像、远程监视系统３．工作机构４．液压支腿５．强制冷却系统６．行走机构７．回转机构８．照明系统９．机架１０－液
压系统１１．动力系统１２．电气控制系统１３无线遥控系统Ａ．三臂Ｂ．转锤油缸ｃ．二臂Ｄ．三臂油缸Ｅ二臂油缸Ｆ．大臂Ｇ．大臂油缸
图１拆除机器人结构图

２０１２．０８建设机械技术与管理９９

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机器人的顺序工作方式进行运动学仿真。较常见；
在ＡＤＡＭＳ环境中对拆除机器人工作装置进行运加～函数白变量初始值；
动学仿真分析时，按以下步骤进行：函数自变量最终值；

一
（１）载入在ＣＡＴＩＡ中创建的拆除机器人工作装置０～函数初始值；
的装配模型：在ＣＡＴＩＡ中建立的工作装置虚拟样机，１一函数最终值。
要在ＡＤＡＭＳ中分析，还必须转换成ＡＤＡＭＳ支持的图４为ＳＴＥＰ函数示意图。
格式。或者直接在ＡＤＡＭＳ中重新建模、装配，但是
考虑到ＡＤＡＭＳ的建模能力欠佳，而ＣＡＴＩＡ的建模
能力却比较优秀，所以本文将ＣＡＴＩＡ三维模型另存
为Ｘｔ格式的文件，注意保存路径中不要出现中文，单
位设置要跟ＡＤＡＭＳ中的单位一致，像其他Ｐａｒａｓｏｌｉｄ
格式一样，将文件后缀名该为ｘｍｔｔｘｔ，然后就可以导入
ＡＤＡＭＳ环境中
Ｘ０１
（２）定义刚体：根据设计意图，将不同的运动部图４ＳＴＥＰ函数示意图
件定义为不同的刚体，因本文研究内容主要集中在工
作装置上，对它的行走装置不作研究，同时定义地基
（ｇｒｏｕｎｄ）作为其它刚体运动的参考基准，以装配模型中
的机架代表地基。在工作装置虚拟样机中定义１５个刚
体：机架、大臂、二臂、三臂、摇臂、连杆、液压破碎锤、
大臂液压缸缸筒、大臂液压缸活塞杆、二臂液压缸缸筒、
二臂液压缸活塞杆、三臂液压缸缸筒、三臂液压缸活
塞杆、转锤液压缸缸简、转锤液压缸活塞杆。其中行
走机构与地基（ｇｒｏｕｎｄ）定义为固定副，即在分析过程

中其保持不动。图５破碎锤钎杆齿尖部位ＭＡＲＫＥＲ标记点
（３１创建约束副：根据部件问的运动关系，定义刚将前面在ＣＡＴＩＡ中建立的智能拆除机器人工作装
体间的约束副。在工作装置中有两种运动，即活塞杆与置的虚拟样机导入ＡＤＡＭＳ中。首先在ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ
缸筒间的移动及其它各刚体问的转动。这样就在转动中，在破碎锤钎杆齿尖部位创建一个ＭＡＲＫＥＲ标记点，
液压缸和动臂举升液压缸上各定义了４个移动副，在工如图５所示。在此标记点上建立一个测量（ｍｅａｓｕｒｅ）定
作装置的对称面上各铰接点位置定义了１７转动副。义测量特征为移动位移，在测量分量中分别选取Ｙ和
ｆ４）添加驱动：液压缸产生的力是工作装置运动的ｚ，对系统进行一次仿真，就可获得拆除机器人的作业
原动力，故在液压缸缸筒和液压缸活塞杆间添加驱动。范围。如图６所示。
运动学驱动