淺談大型機(jī)器人演繹裝置

邱雙武

（東莞市環(huán)宇文化科技有限公司,廣東 東莞 523000）

引言

近年國(guó)內(nèi)演繹事業(yè)蓬勃發(fā)展,新業(yè)態(tài)、新演繹層出不窮。國(guó)家提倡夜經(jīng)濟(jì)發(fā)展,戶外演出和夜游演出越來(lái)越受歡迎,常規(guī)的演出裝置及舞美效果已滿足不了觀眾對(duì)視覺和體驗(yàn)感的追求。為了追求不一樣的視覺和體驗(yàn)效果,我司特打造一款蒸汽朋克時(shí)代的重型機(jī)器人裝置。其硬朗的外形,充滿力量感,蒸汽朋克式的造型,營(yíng)造出蒸汽工業(yè)時(shí)代的強(qiáng)烈氛圍。

1 機(jī)器人的主要構(gòu)成

1.1 機(jī)器人介紹

機(jī)器人總重量約200 t,高度20 m,手臂展開后寬度40 m,腳步行走輪組跨距11 m。機(jī)器人身上有多個(gè)表演平臺(tái),身上安裝有風(fēng)特效、霧森特效、火特效、煙特效及煙花特效等。

1.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分成五部分。腰身以下鋼結(jié)構(gòu)、腰身以上鋼結(jié)構(gòu)、頭部鋼結(jié)構(gòu)、手臂鋼結(jié)構(gòu)、行走輪機(jī)構(gòu)等。

1.2.1 機(jī)器人腰身以下結(jié)構(gòu) 采用優(yōu)質(zhì)合金鋼Q355B型材焊接?？傮w框架固定在底部行走輪機(jī)構(gòu)上,結(jié)構(gòu)采用龍門框架式結(jié)構(gòu)[2-3]。連接方式采用高強(qiáng)螺栓連接固定。設(shè)計(jì)采用3D 建模,有限元分析,優(yōu)化和驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在不同工況下的穩(wěn)定性等[1]。腰身以下結(jié)構(gòu)底部?jī)蛇叺鯍靸?chǔ)車庫(kù)和電柜房,車庫(kù)門采用后拉式結(jié)構(gòu),驅(qū)動(dòng)方式采用三相電機(jī)和鏈條,控制方式采用變頻控制。

1.2.2 腰身以上結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣采用優(yōu)質(zhì)合金鋼Q355B型材焊接。結(jié)構(gòu)形式采用框架式結(jié)構(gòu)[2-3],通過3D建模和有限元分析[1],簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)模型,提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,減輕了材料重量。用有限元重點(diǎn)分析了手臂旋轉(zhuǎn)固定底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及各種工況下結(jié)構(gòu)變形情況,確保了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

1.2.3 頭部鋼結(jié)構(gòu) 采用弧形框架結(jié)構(gòu)焊接,旋轉(zhuǎn)方式采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支撐傳動(dòng)。頭部結(jié)構(gòu)外側(cè)舞美包裝采用玻璃鋼材料,頭部可以旋轉(zhuǎn)0°～360°,眼睛可發(fā)光,鼻孔可以噴煙等。

1.2.4 手臂鋼結(jié)構(gòu) 一級(jí)手臂采用優(yōu)質(zhì)合金鋼Q355B,手臂尾部和腰身結(jié)構(gòu)連接處受力最大,需要對(duì)此處進(jìn)行強(qiáng)度和屈曲校核[1]。一級(jí)手臂翻轉(zhuǎn)角度0°～20°,翻轉(zhuǎn)方式采用油缸,控制采用伺服液壓系統(tǒng)控制。二級(jí)臂采用鋁合金6063-T6 焊接制作,重量輕,二級(jí)臂固定在一級(jí)臂上,二級(jí)臂身上包裝采用鍍鋅板封裝,運(yùn)動(dòng)部位的封板采用薄鋁板。二級(jí)臂翻轉(zhuǎn)角度0°～90°,翻轉(zhuǎn)方式采用油缸,控制采用伺服液壓系統(tǒng)控制。二級(jí)臂外側(cè)安裝有旋轉(zhuǎn)鋸盤,鋸盤骨架結(jié)構(gòu)采用鋁合金管材焊接,外側(cè)封板采用鋁合金和EVA 材料。鋸盤的驅(qū)動(dòng)方式采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鋸盤齒輪無(wú)限旋轉(zhuǎn)。

腳底分為上場(chǎng)門和下場(chǎng)門,每個(gè)場(chǎng)門右分為儲(chǔ)車庫(kù)和電柜房。儲(chǔ)車庫(kù)可以停放演繹用車輛,電柜房擺放機(jī)器人電箱和特效設(shè)備電箱,上場(chǎng)門電箱負(fù)責(zé)給腰身以下設(shè)備提供電力,下場(chǎng)門電箱負(fù)責(zé)給上場(chǎng)門設(shè)備提供電力。

手臂翻轉(zhuǎn)液壓油站,火特效燃料箱等安裝在腰身以上機(jī)構(gòu)的二層平臺(tái)上。靠近上場(chǎng)門液壓站負(fù)責(zé)控制上場(chǎng)門機(jī)械手臂,靠近下場(chǎng)門液壓站控制下場(chǎng)門機(jī)械手臂。火特效燃料箱負(fù)責(zé)腰身以上噴火設(shè)備的控制。

1.2.5 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu) 機(jī)器人總體可以前后移動(dòng),行走在兩條重型軌道上,行走輪軌道采用兩條平行的QU70 鋼軌,單根鋼軌總長(zhǎng)度約25 m,兩根軌道中心跨度11 m?？紤]機(jī)器人結(jié)構(gòu)自重和載荷較大,行走距離長(zhǎng),單個(gè)輪子承載力大,為了行走時(shí)確保每個(gè)輪子受力均勻,特將行走輪結(jié)構(gòu)形式采用平衡橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),確保每個(gè)行走輪都能很好的接觸軌道面,能很好的承受荷載。單邊合計(jì)8 套行走輪,長(zhǎng)度約9 m,安裝2 套動(dòng)力驅(qū)動(dòng)輪,6 套行走惰性輪,兩邊合共計(jì)16 套輪組,其中有4套驅(qū)動(dòng)動(dòng)輪系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用三相異步變頻電機(jī),電機(jī)參數(shù)為：AC380 V 15 KW,單制動(dòng)電機(jī),每套電機(jī)尾部安裝有編碼器。四套電機(jī)通過變頻器同步驅(qū)動(dòng)。行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝進(jìn)度要求高,行走輪組的8 個(gè)輪子要在一個(gè)平面內(nèi),平面度誤差2 mm/8 m,平衡橋剛性形變不大于跨度的1/1 000。平衡橋結(jié)構(gòu)采用Solidworks2016建模,采用有限元分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和撓度[1]。平衡橋采用先進(jìn)的CNC 加工安裝面,整套行走輪組系統(tǒng)在工廠加工、安裝、調(diào)試達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,整體包裝發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)拼裝。軌道安裝測(cè)量運(yùn)用水準(zhǔn)儀和專用管道間距檢具測(cè)量,軌道面高差2 mm/10 m。軌道兩側(cè)做成活動(dòng)蓋板,便于軌道調(diào)整和檢修。平衡橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 行走系統(tǒng)平衡橋結(jié)構(gòu)

1.3 機(jī)器人腰身以上動(dòng)力系統(tǒng)

腰身以上旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)采用大型回轉(zhuǎn)支撐和三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng),大型回轉(zhuǎn)支撐直徑2 500 mm,外齒輪?；剞D(zhuǎn)支撐底部固定在腰身以下機(jī)構(gòu)底座上,上部固定在腰身上部鋼架底座上?；剞D(zhuǎn)支撐以上部分可以選擇,電機(jī)不隨上部結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn),電機(jī)采用三相異步電機(jī)AC380 V 15 KW,單制動(dòng),減速器采用工業(yè)級(jí)行星減速,電機(jī)尾部安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器,電機(jī)控制采用變頻調(diào)速控制。

1.4 機(jī)器人手臂動(dòng)力系統(tǒng)

機(jī)器人手臂分成一級(jí)臂和二級(jí)臂,手臂展開后根部彎矩受力最大,一級(jí)臂根部結(jié)構(gòu)受力較大,設(shè)計(jì)和制造上采用Q355B 合金鋼材焊接,通過3D 建模和有限元分析,確定根部最有利的結(jié)構(gòu)形式[1]。二級(jí)臂受力較小,主要受力為自身重量和鋸盤重量,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用輕型鋁合金型材6063-T6 焊接,鋸盤也采用6063-T6 焊接,手臂包裝材料為EVA 和薄鋁板,鋸盤盤面采用鋁皮,鋸齒采用輕量化EVA組合。

一級(jí)手臂旋轉(zhuǎn)采用大型回轉(zhuǎn)支撐和三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)采用變頻調(diào)速控制。翻轉(zhuǎn)采用伺服控制的液壓油缸,翻轉(zhuǎn)角度0°～20°。

二級(jí)手臂翻轉(zhuǎn)采用伺服控制的液壓油缸,翻轉(zhuǎn)角度0-180 度。鋸盤采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng),轉(zhuǎn)速7 r/min,無(wú)限旋轉(zhuǎn)。手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖2 機(jī)器手臂結(jié)構(gòu)

1.5 機(jī)器人裝置區(qū)域分布

機(jī)器人主體鋼結(jié)構(gòu)采用合金鋼型材Q355B 焊接,腰部以下結(jié)構(gòu)采用龍門框架式結(jié)構(gòu)。龍門框架固定在行走機(jī)構(gòu)的平衡橋橫梁上。儲(chǔ)車庫(kù)和電柜房掛在龍門框架底部,腰身以上鋼結(jié)構(gòu)直接固定在腰部回轉(zhuǎn)支撐上表面。腰身平臺(tái)一層為設(shè)備安裝層,液壓站和噴火主機(jī)柜等都布置在該平臺(tái)。腰身平臺(tái)二層留有多個(gè)表演用的空間平臺(tái),腰身上部鋼結(jié)構(gòu)正面和背面都留有步梯和爬梯,各個(gè)平臺(tái)具有聯(lián)通。機(jī)器人頭部固定在腰身機(jī)構(gòu)頂端,頭部可以0°～180°旋轉(zhuǎn),機(jī)器人的眼睛可以發(fā)出紅色的光,鼻孔可以噴煙。機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖見圖3,機(jī)器人效果圖見圖4。

圖3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

圖4 機(jī)器人效果

2 機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 機(jī)器人裝置行走供電方式

采用特殊定制自動(dòng)卷線器同時(shí)傳輸強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)。行走驅(qū)動(dòng)采用4 套三相異步電機(jī),驅(qū)動(dòng)控制采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制方式,電機(jī)采用變頻調(diào)試控制。電機(jī)同步性采用跟隨和同步控制,確保電機(jī)同步性,電機(jī)行程和位置精準(zhǔn)度通過電機(jī)尾部編碼器實(shí)時(shí)測(cè)量、比較,調(diào)整,保證4 套驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一致性和同步性[5-7]。

2.2 腰部動(dòng)力系統(tǒng)

腰部旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和頭部旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用三相異步電機(jī),變頻調(diào)速控制。位置和角度測(cè)量通過旋轉(zhuǎn)編碼器和行程限位開關(guān)檢測(cè)。

2.3 手臂控制系統(tǒng)參數(shù)

一級(jí)手臂翻轉(zhuǎn)0～20°,采用伺服液壓站,通過恒壓力,變流量控制調(diào)節(jié)液壓油缸伸縮速度。二級(jí)手臂翻轉(zhuǎn)0～90°,采用伺服液壓站,通過恒壓力,變流量控制調(diào)節(jié)液壓油缸伸縮速度。液壓站油路塊內(nèi)置壓力傳感器,單向閥和防爆閥等安全措施,電機(jī)采用伺服控制,啟動(dòng)和停止平穩(wěn),無(wú)抖動(dòng)。

2.4 門控制方式

儲(chǔ)車庫(kù)開合門,采用電機(jī)和鏈輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),門的開合方式為后拉滑動(dòng)式,門打開后,翻轉(zhuǎn)90°,門位于車庫(kù)頂部。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用滾輪直線導(dǎo)軌,精度高,無(wú)間隙,運(yùn)行無(wú)噪聲?？刂齐姍C(jī)采用變頻調(diào)速控制,啟動(dòng)和停止平穩(wěn),無(wú)振動(dòng)。

2.5 胸部開合門系統(tǒng)

胸部開合門采用推拉式結(jié)構(gòu),傳動(dòng)方式采用齒輪和齒條嚙合,驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在鋼架上,齒條和門框架固定在一起,齒條隨門一起左右移動(dòng)。

2.6 安全保障措施

安全措施保障,機(jī)器人行走、腰部旋轉(zhuǎn)、頭部旋轉(zhuǎn)、手臂旋轉(zhuǎn)、手臂翻轉(zhuǎn)等均設(shè)內(nèi)部軟限位,演出位置限位及極限限位,機(jī)械硬限位等。機(jī)器人動(dòng)作和周邊配套設(shè)備相互互鎖,確保機(jī)器人運(yùn)行安全。急停開關(guān)設(shè)計(jì)位于控制室、機(jī)器人身上平臺(tái),機(jī)器人腳底電氣控制柜等位置。

3 機(jī)器人運(yùn)行情況

3.1 結(jié)構(gòu)運(yùn)行情況

總體運(yùn)行穩(wěn)定,前進(jìn)和后退驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同步性好,無(wú)啃軌現(xiàn)象。電纜卷線器運(yùn)行順暢,電纜展開平整,無(wú)剮蹭,扭曲。供電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,電力和信號(hào)傳輸穩(wěn)定,各項(xiàng)安全指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 手臂運(yùn)行情況

手臂翻轉(zhuǎn)啟動(dòng)和停止抖動(dòng)小,運(yùn)行速度快,系統(tǒng)響應(yīng)快等。液壓系統(tǒng)運(yùn)行正常,無(wú)異響和異常發(fā)熱情況。油缸、管道和接頭無(wú)漏油,振動(dòng),電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行無(wú)異響,發(fā)熱等。

3.3 機(jī)器人總體聯(lián)動(dòng)情況

總體聯(lián)動(dòng)動(dòng)作協(xié)調(diào),運(yùn)行軌跡平滑,總體無(wú)抖動(dòng),滑行,無(wú)異常噪音,運(yùn)行穩(wěn)定,多次測(cè)試、運(yùn)行未發(fā)現(xiàn)異常,總體測(cè)試運(yùn)行符合設(shè)計(jì)要求。

3.4 機(jī)器演出情況

機(jī)器人至開始投入演出以來(lái),設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,操作簡(jiǎn)便,保養(yǎng)維護(hù)方便,受到演員及甲方領(lǐng)導(dǎo)的多次肯定。其大體量和蒸汽朋克風(fēng)格,吸引了無(wú)數(shù)的觀眾來(lái)一睹它的表演,機(jī)器人裝置成了僑城園區(qū)標(biāo)志性的機(jī)械裝置和網(wǎng)紅打卡點(diǎn)。

4 電氣控制原理

電氣控制原理圖見圖5。

圖5 電氣控制系統(tǒng)

4.1 電氣控制方式

電氣控制機(jī)械控制臺(tái)布置在機(jī)器人外側(cè)專用控制功能房。機(jī)器人腳底電柜房電柜也可對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。機(jī)械控臺(tái)對(duì)機(jī)器人的控制通過現(xiàn)場(chǎng)總線,采用有線連接控制[5-7]。

4.2 機(jī)器人運(yùn)行情況

機(jī)器人設(shè)備作為表演裝置,他的運(yùn)行軌跡和動(dòng)作都是提前編排好的,演出時(shí)通過自動(dòng)控制程序,自動(dòng)運(yùn)行場(chǎng)景,自動(dòng)監(jiān)控,操控人員及時(shí)監(jiān)控及控制。

4.3 機(jī)器人安裝措施

機(jī)器人的運(yùn)行動(dòng)作和周邊其它設(shè)備均設(shè)有位置互鎖。操作時(shí),機(jī)械控制人員按下啟動(dòng)按鈕,機(jī)器人自動(dòng)按照編好的場(chǎng)景程序運(yùn)行,操控人員全程監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)異常,及時(shí)停止,確保設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、安全[5-7]。

4.4 機(jī)器人應(yīng)急措施

機(jī)器人裝置設(shè)置有多個(gè)緊急停止開關(guān),位置分布于機(jī)械控臺(tái)、電控柜、卷線器、腰身旋轉(zhuǎn)平臺(tái)等。遇到突發(fā)事件,專業(yè)培訓(xùn)保障人員及時(shí)就近按下急停開關(guān)。

5 結(jié)論

該機(jī)器人裝置各項(xiàng)指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求,至參與演出以來(lái),運(yùn)行穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)可靠,故障率低等。其蒸汽朋克式的風(fēng)格和機(jī)械質(zhì)感的外形,深受觀眾的喜愛。隨著國(guó)內(nèi)演繹事業(yè)的不斷發(fā)展,國(guó)家大力提倡夜文化、夜經(jīng)濟(jì),我們將打造出更多的符合大眾審美的機(jī)架類裝置。