0引言

近年来，在城市地下铁道的建设中,盾构施工法以其良好的防渗漏水性、施工安全快速、对周围环境影响小等优点，己经成为地 铁施工的主要方法之一，并给实际工程带来极大的便利^[1]。但在盾构施工过程中还存在着一些相关问题。盾构施工中，刀具会产生一定程度的磨损，此时就有必要开舱进行刀具的检查与更换。目前盾构机换刀工作为人工换刀，为了使作业人员能够安全进入土仓内进行刀具的检查及更换工作，就会采用带压开舱换刀技术^[2]。带压换刀时，土仓封闭、高温、高压的恶劣环境给换刀工作人员造成极大的影响，地下工作、空间狭小的情况也限制了工作人员的逃生，换刀作业中存在安全隐患，工作人员的生命安全没有保障。研究一种自动换刀方式，代替人工换刀方式迫在眉睫。

由于换刀工作步骤多样，利用机器人自由度高的特性，可以很好的代替人工完成繁琐的换刀工作。而多种工作任务则需要机器人根据工作需要自动更换末端工具，在一次进入工作环境中，完成多种工作任务^[3]。以期解决在恶劣环境中必须人工换刀给工人带来的伤害，同时解决了人工换刀的繁琐和不便，提高换刀效率。

综上所述，设计了一种可以自动换接末端工具的机器人末端换接装置，具有换接过程准确平稳、锁紧可靠、防故障自锁等特点，适用于盾构机土仓内封闭、高温、高压、空间狭小的工作环境。

1 总体结构及其原理

机器人末端工具快速更换系统是由主动端、放置在工具架上的工具端、适应盘及一些辅助部件组成的，如图1所示。 机器人末端工具快换装置主体为主动端与工具端，其发挥作用的关键是保证主动端快速切换锁紧状态，并可靠地拾起工具端以及末端工具，同时应具备防故障自锁功能^[4]。

图1机器人末端工具快换系统的组成^[5]

2 换接装置的设计与研究

2.1 结构设计

机器人末端工具快换装置中，锁紧模块保证机器人主动端与工具端顺利锁紧，有足够的稳定性和连接强度，不会自由摆动；动力源出现故障时，防故障自锁功能保证工具端口不会自动脱离。常见的锁紧方式有钢球式锁紧、凸轮式锁紧、插销式锁紧、卡盘式锁紧等。切换模块为更换器锁紧和松开时提供动力源，目前主要分为:气动式切换、液压式切换、电磁式切换等^[6]。考虑到盾构机土仓内高压、空间狭小的工作环境，满足换接装置切换准确平稳、锁紧可靠、防故障自锁的要求，采用钢球式锁紧与电磁式切换，设计一种机器人末端工具换接装置。

1.主动端 2.工具端 3.主动端壳体 4.钢球 5.凸轮 6.平键 7.步进电机 8.端盖 9.步进电机固定套 10.深沟球轴承 11.凸轮凹槽

图2. 换接装置结构示意图

如图2所示，换接装置由主动端与工具端组成，主动端主要由壳体、钢球锁紧模块与电磁切换模块组成。锁紧原理：步进电机带动凸轮转动，凸轮凹槽转动离开主动端壳体上的锥形孔位置，钢球沿凸轮凹槽的轮廓向锥形孔小口方向移动，钢球在锥形孔内被凸轮轮廓压紧在锥形孔小口处，同时钢球从小孔内探出的部分会进入工具端的锁紧槽内，进而实现主动端与工具端对接锁紧，此时的快换器处于锁紧状态，机器人拾起末端工具进行换刀工作；需要换接末端工具时，主动端移动至工具库相应位置，步进电机带动凸轮转动，凸轮凹槽转动至主动端壳体上的锥形孔位置时，钢球退缩回锥孔，主动端与工具端脱开，将原末端工具卸下，主动端移动至目标工具相应位置，重复锁紧过程，即可换上新的末端工具。

2.2原理分析

2.2.1 切换模块

图3. 切换过程受力分析

如图3所示，切换过程中，随着凸轮的转动，凸轮轮廓对锁紧钢球的作用力表示为沿当前接触点法线方向上的力，将力分解为沿方向上的分力，及沿方向上的分力，建立受力平衡方程：

                  (1)

            (2)

锁紧钢球在分力的作用下，钢球沿凸轮凹槽的轮廓向锥形孔小口方向移动，直至被压紧在小口处。

2.2.2 锁紧模块

图4. 锁紧状态受力分析

如图4所示，锁紧状态下，工具端的锁紧槽对锁紧钢球的作用力表示为沿接触点法线方向上的力，将力分解为沿方向上的分力，及沿方向上的分力，建立受力平衡方程：

        (3)

            (4)

锁紧槽作用于钢球上的力在方向上的分力和钢球作用在主动端壳体上的力互相抵消，在方向上的分力传递给锁紧凸轮，设置3个锁紧钢球对称均匀分布，3个钢球作用在凸轮上的作用力互相抵消，故锁紧机构自锁，换接装置能够实现防故障自锁功能。

3 刚柔耦合模型的建立

在机械系统中，柔性体会对整个系统的运动产生重要影响，在进行运动学分析时如果不考虑柔性体的影响将会造成很大的误差，同样整个系统的运动情况也反过来决定了每个构件的受力状况和运动状态，从而决定了构件内部的应力应变分布。因此采用ANSYS和ADAMS软件的联合仿真应蕴而生，它不但可以精确的模拟整个系统的运动，而且可以基于运动仿真的结果对运动系统中的柔性体进行应力应变的分析^[7,8]。

鉴于ANSYS和ADAMS软件三维建模能力不足，通过NX10.0软件建立机器人末端工具换接装置三维模型，保存为.Parasolid文件，利用转换接口将其导入到ADAMS中，去除非紧要构件以简化模型，添加材料属性及名称；仅选择主动端壳体作为柔性体，通过NX10.0与ANSYS15.0的直接接口将模型导入 ANSYS 软件，定义材料属性并划分网格，创建连接点并建立刚性区域，求得模态中性文件MNF( Modal Neutral Flie)，将壳体.mnf文件读入到ADAMS中，代替刚性壳体；按照实际约束关系定义模型之间的约束关系，定义相关构件之间的接触力，设置驱动函数，建立机器人末端工具换接装置的刚柔耦合模型，如图5所示。

     图5. 换接装置刚柔耦合模型

4 仿真结果分析

机器人手臂在调整好位姿后不断降落，机器人末端工具换接装置的主动端逐渐靠近工具端（0s-0.5s），凸轮旋转完成锁紧动作（0.5s-5.5s），当锁紧工具端后，将工具端及末端工具可靠拾起（5.5s-6s）。对这一系列动作设置主动端平移运动与凸轮旋转运动，分别添加驱动函数，可表示为：

STEP(time,0,0,0.5,55)+STEP(time,0.5,0,5.5,0)+STEP(time,5.5,0,6,-55)

STEP(time,0,0d,0.5,0d)+STEP(time,0.5,0d,4,15d)+STEP(time,4,0d,5.5,15d)+STEP(time,5.5,0d,6,0d)

在工具盘的下方施加980N的额定负载以模拟末端工具，在此驱动函数和负载下，设置仿真时间 t=6s，仿真步数 step=500，进行考刚柔耦合系统动力学仿真分析，可得到该状态下锁紧钢球在X方向上的运动曲线。

图6. 锁紧钢球在X方向的运动曲线

由图6可以看出，在0s-0.5s的时间段内锁紧钢球随着壳体的运动，在锥孔内有轻微的晃动，在0.5s时主动端与工具端结合，此时切换模块与锁紧模块开始动作，锁紧钢球在凸轮轮廓接触力的作用下向X方向挤出，在2.5s时到达最大位移处，在2.5s-5.5s的时间段内，凸轮继续旋转至平滑轮廓段，5.5s-6s的时间段内，主动端拾起工具端，在5.52s-5.54s之间0.02s的时间内，钢球在工具端接触力的作用下向X负方向移动微小距离，弥补空隙之后，钢球的位置基本保持不变，故可以认为主动端能够可靠锁紧并拾起工具端。另外，锁紧过程中，钢球加速度基本保持不变，速度有轻微波动，移动响应快速，可以认为机器人末端工具换接过程准确平稳。

为了解机器人末端工具换接装置中的主动端壳体在实际工作过程中的最大应力应变出现的时间及位置，在后处理界面中提取应力应变最大的危险节点，如表1所示。

表1. 危险节点应力及分布