[发明专利]四轴全电驱土工离心机器人

说明书

技术领域

本发明涉及一种离心机器人，特别是涉及一种四轴全电驱土工离心机器人。

背景技术

在岩土工程领域，离心模型试验是解决岩土工程问题和进行科学研究的有力手段。土工离心试验的基本原理是将土工模型置于高速旋转的离心机中，模型受到高于重力加速度的离心场作用，来补偿因模型尺寸缩小而导致的土体自重应力损失，使模型土体能够复制原形土体的应力状态。

随着岩土工程的发展，简单的离心模型试验已不能满足需要，它需在试验过程中对离心试验模型进行挖掘、加载等操作。在试验中途停机操作模型的方法会导致试验较大扰动，而在离心机不停机的状态下完成土工模型的试验操作方法则可逼真的模拟实际施工过程，能完成这样操作过程的离心机机载设备就是土工离心机器人。

土工离心机器人出现于十年前，并在这十多年时间里获得了迅速发展。1996年Actidyn公司和Cybernetics公司联合为法国道桥试验中心（LCPC）研制成功了世界上第一台土工离心机器人，2001年日本交通厅土木研究所自行研制了土工离心机器人，2006年Actidyn公司又为美国纽约伦斯勒理工学院(RPI)研制了土工离心机器人。国内，香港科技大学从2000年开始在400g.t土工离心机上研制并配备了土工离心机器人，同济大学于2006年在150g.t土工离心机上配备了土工离心机器人。国内其它大型土工离心机也开始建设机器人系统，如成都理工大学的500g.t土工离心机、中国水利水电科学研究院的450g.t土工离心机、长江水科院的200g.t土工离心机和长安大学的60g.t土工离心机等都开始建设机器人系统。上述土工离心机器人在外观、大小、结构等方面存在较大差异，其功能也参差不齐。同济大学土工离心机器人采用液压驱动，可在100g离心场下实现三轴联动，成都理工大学正研制的土工离心机器人也采用液压驱动，设计工作离心加速度为150g。香港科技大学的土工离心机器人和国外已研制成功的土工离心机器人都采用全电机驱动，并可实现多轴联动，但其承载过载能力和加载能力有差异。长江水科院正研制的土工离心机器人采用液压和电机混合驱动，其设计工作离心加速度为70g。

采用液压驱动或液-电混合驱动的土工离心机器人的定位精度较低，基本不能完成多个工具更换功能，从而很难实现复杂离心模型试验操作，所以具备自动更换工具的土工离心机器人都采用全电驱方式。

全电驱土工离心机器人的电机、驱动器、高精度传感器等在高离心场下使用需解决很多技术难题，且高离心场易引起结构变形甚至破坏，因此，经十余年的发展，国内外该类机器人才有上文介绍的几台投入使用。香港科技大学的土工离心机器人虽然设计的最大离心加速度为150g，但其实际达到的使用加速度不到70g；LCPC试验室的机器人、日本交通厅土木研究所的机器人以及RPI的机器人的最大试验加速度也没超过100g的文献报道。这几台机器人在垂直离心力的X、Y方向加载能力为250N～1000N，离心力方向（Z向）的加载能力为3000N～5000N，绕Z轴最大旋转角度为270°或360°，可提供5N·m的扭矩，而这其中能在100g下运行的机器人的最大行程为600mm左右。要对大规模的土工离心模型进行复杂的离心试验，有待性能指标更高的土工离心机器人的开发。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题而提供一种结构尺寸小、重量轻、定位精度高、加载能力强、行程大、能实现工具360°旋转和具备自动更换工具功能的四轴全电驱土工离心机器人。

本发明是通过以下技术方案实现的：