管道爬行器的研究與設(shè)計(jì)-輪式管道爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)【三維SW】【含CAD圖紙、說(shuō)明書】【JS系列】

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管道爬行器的研究與設(shè)計(jì)學(xué)生姓名馮春所學(xué)專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級(jí)機(jī)制054指導(dǎo)教師姓名杜家熙所學(xué)專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造職稱副教授完成期限 2008年 12月22日至2009年5月32日一、論文（設(shè)計(jì)）主要內(nèi)容及主要技術(shù)指標(biāo)（一）主要內(nèi)容該題目主要內(nèi)容有：1. 管道爬行器的運(yùn)動(dòng)原理分析（1） 管道爬行器的動(dòng)力選擇分析（2） 管道爬行器的動(dòng)力傳動(dòng)分析（3） 管道爬行器的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析2. 管道爬行器的結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)（1） 管道爬行器的工作原理分析（2） 管道爬行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（3） 根據(jù)其工作的要求設(shè)計(jì)爬行器的工作部分的結(jié)構(gòu)（4） 由于管道內(nèi)工作，需要進(jìn)行爬行器調(diào)整姿態(tài)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（5） 由于需要在管道內(nèi)進(jìn)行管道連接處的轉(zhuǎn)彎，進(jìn)行轉(zhuǎn)彎動(dòng)作的分析（6） 在工作時(shí)，由于有各種不利因素，進(jìn)行管道檢修部分（攝像頭基座）的設(shè)計(jì)及安裝分析3. 爬行器的零件設(shè)計(jì)及其裝配（1） 由管道的數(shù)據(jù)，進(jìn)行爬行器的零件尺寸，形狀設(shè)計(jì)（2） 用Solidworks進(jìn)行裝配4. 對(duì)于爬行器的工作運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)行電機(jī)的動(dòng)作分析（1） 正常工作狀態(tài)下，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)分析（2） 轉(zhuǎn)彎時(shí)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及其工作順序的分析5. 對(duì)爬行器的控制電路原理的設(shè)計(jì)（1） 根據(jù)工作條件進(jìn)行電機(jī)的選擇及其功率的核定（2） 由電機(jī)進(jìn)行電源分析和選擇（3） 確定工作電路的元件規(guī)格（4） 由工作要求進(jìn)行電機(jī)控制的電路分析（5） 由工作要求進(jìn)行各種控制電路的試制（6） 分析各種控制電路的優(yōu)缺點(diǎn)（7） 結(jié)合工作環(huán)境和工作要求進(jìn)行控制電路的確定6.對(duì)爬行器管道內(nèi)定位方案的提出及其電路設(shè)計(jì)。 （1） 根據(jù)爬行器所完成的任務(wù)列舉爬行器定位方案。 （2） 分析爬行器定位方案 （3） 初步進(jìn)行定位的設(shè)計(jì) （4） 完善定位7. 爬行器工作電路的總結(jié)（1） 通過(guò)人工控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和電機(jī)調(diào)速。人為的控制爬行器的順序動(dòng)作，完成十字口和丁字口的轉(zhuǎn)彎。（2） 通過(guò)里程計(jì)反饋電路反饋信號(hào)，結(jié)合管道工程圖確定爬行器所在的具體位置。（二）技術(shù)指標(biāo) 爬行器全長(zhǎng)840mm，能通過(guò)450mm1100mm的管道，電氣所需電源24V直流。 里程計(jì)電源5V。二、 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要求1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）一份：有400字左右的中英文摘要，正文后有15篇左右的參考文獻(xiàn)，正文中要引用5篇以上文獻(xiàn)，并注明文獻(xiàn)出處。論文字?jǐn)?shù)在6000字以上；2.有不少于2000漢字的與本課題有關(guān)的外文翻譯資料；3.畢業(yè)設(shè)計(jì)總字?jǐn)?shù)在10000字以上；4.零件工程圖；5.爬行器裝配圖；6.工作電路圖及其接線圖。三、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度安排1. 2008年12月22日-1月20日，下達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書；寒假期間完成英文資料翻譯和開題報(bào)告。2. 2009年2月25-3月9日（第1-2周），指導(dǎo)教師審核開題報(bào)告和設(shè)計(jì)方案。3. 2009年3月10日-4月18日（第3-10周），畢業(yè)設(shè)計(jì)各單元部分設(shè)計(jì)、撰寫論文初稿。4. 2009年4月20-26日（第11周），畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查。5. 2009年5月5-20日（第12-14周），設(shè)計(jì)計(jì)算、強(qiáng)度校核、零件模擬裝配、電氣部分設(shè)計(jì)撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。6. 2009年5月22日-25日（第15-16周）上交畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，指導(dǎo)教師、評(píng)閱教師審查評(píng)閱設(shè)計(jì)論文，畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯資格審查。畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯，學(xué)生修改整理設(shè)計(jì)論文。管道清洗機(jī)器人的優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：最近，由于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū)，因此對(duì)管道中可用的清潔機(jī)器人（稱為管道內(nèi)清潔機(jī)器人）的興趣正在增加。到目前為止，關(guān)于管道內(nèi)機(jī)器人的研究一直專注于檢查而不是清潔。在GACF中，當(dāng)垃圾移動(dòng)時(shí)，我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì)（直徑：300mm或400mm）。因此，在本文中，通過(guò)使用TRIZ（俄語(yǔ)縮寫中的問(wèn)題解決的發(fā)明理論），我們將提出一種GACF的管道內(nèi)清潔機(jī)器人，其具有6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動(dòng)壓力（不是彈簧）。所提出的用于GACF的管道內(nèi)清潔機(jī)器人本身可以具有向前/向后移動(dòng)以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn)。機(jī)器人本體應(yīng)具有適合直徑為300mm的較小管道的有限尺寸。另外，對(duì)于直徑為400mm的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過(guò)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑?；谑褂肨RIZ的概念設(shè)計(jì)，我們將與韓國(guó)Robot Valley公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作，建立機(jī)器人的初始設(shè)計(jì)。對(duì)于管內(nèi)清洗機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用機(jī)器人與管道內(nèi)表面碰撞的最大沖擊力進(jìn)行模擬。當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的鏈接被拉伸以適合時(shí)，RecurDyn進(jìn)入400毫米直徑的管道。利用基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的ANSYSWorkbench（簡(jiǎn)稱DOE），模擬最大沖擊力對(duì)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)6連桿施加的應(yīng)力。最后，將確定最佳尺寸，包括4個(gè)連桿的厚度，以便在本文中具有最佳安全系數(shù)2，并且具有4個(gè)連桿的最小質(zhì)量。它將被驗(yàn)證與Robot Valley，Inc。專家的初步設(shè)計(jì)相比，4連桿的最佳設(shè)計(jì)具有接近2的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量的4個(gè)連桿。此外，管道內(nèi)清潔機(jī)器人的原型將進(jìn)一步研究說(shuō)明。關(guān)鍵詞：管道內(nèi)清潔機(jī)器人，6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，TRIZ，優(yōu)化設(shè)計(jì)，RecurDyn，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE），ANSYSWorkbench1引言最近，由于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū)，因此對(duì)管道中可操作的清潔機(jī)器人（我們將此稱之為機(jī)器人管道清潔機(jī)器人）的興趣正在增加。 盡管根據(jù)調(diào)查，韓國(guó)GACF處于初始階段，但據(jù)報(bào)道，通過(guò)解決現(xiàn)有手動(dòng)拾取方式導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題（包括公寓之美），居民滿意度較高。 然而，GACF仍然存在設(shè)備安裝費(fèi)用昂貴，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高，食物垃圾收集率和回收率下降等問(wèn)題。這意味著GACF需要提高穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)技能。到目前為止，韓國(guó)垃圾收集的方式如下; 當(dāng)我們把垃圾放在塑料袋里并放在某個(gè)地方時(shí)，一輛皮卡車會(huì)繞過(guò)那個(gè)區(qū)域并撿起垃圾。 通常垃圾暴露在道路上，而狗，貓或老鼠等通常會(huì)損壞垃圾袋。 因此，城市的美麗可能會(huì)受到破壞，特別是在夏天。 此外，垃圾袋會(huì)導(dǎo)致蒼蠅或有害昆蟲的惡臭。 因此，這種垃圾處理系統(tǒng)可以歸結(jié)為不衛(wèi)生。與目前韓國(guó)垃圾處理和拾取系統(tǒng)的這種不方便且不衛(wèi)生的方式相比，GACF具有定期安裝的僅垃圾槽。 在GACF中，管道在地下構(gòu)建，使用戶能夠扔垃圾袋。 將垃圾暫時(shí)存放在插槽的底部后，將其連接到與管道連接的存儲(chǔ)區(qū)域。 因此，GACF不需要任何人力來(lái)拾取垃圾，并且進(jìn)一步是環(huán)境友好的系統(tǒng)，垃圾不會(huì)暴露在外面。與現(xiàn)有的人力和車輛接送方式相比，GACF擁有一個(gè)中央收集的設(shè)施，在地下建造的管道中提供約6070km / h的高速運(yùn)行空氣。 GACF可以根據(jù)垃圾的類型（易燃或不易燃）將垃圾放入垃圾焚燒爐。 加工后的垃圾可以運(yùn)到集裝箱車輛的最終處置場(chǎng)地。圖1顯示了GACF的關(guān)鍵圖。 圖1 GACF的關(guān)鍵圖如上所述，GACF可以快速收集生活垃圾。 此外，GACF可以將生活垃圾運(yùn)送到最終處置場(chǎng)所，即垃圾焚燒爐。 具體而言，當(dāng)居民將家庭垃圾扔進(jìn)GACF的輸入槽時(shí)，垃圾通過(guò)與收集場(chǎng)地相連的管道運(yùn)輸。 在收集的場(chǎng)地，GACF操作一個(gè)與管道連接的鼓風(fēng)機(jī)，并從進(jìn)氣口吸入空氣，如圖1所示。 此時(shí)，根據(jù)氣流，GACF收集生活垃圾。 為了長(zhǎng)期穩(wěn)定地維護(hù)GACF，管道內(nèi)清潔很重要。 在不久的將來(lái)，需要開發(fā)一種具有自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的管道內(nèi)清潔機(jī)器人，以使管道清潔。 管道清洗機(jī)器人的使用可以使管道老化延遲，從而可以降低管道更換成本。到目前為止，關(guān)于管道內(nèi)機(jī)器人的研究一直專注于檢查而不是清潔。 例如，Roh等人。 開發(fā)了一種用于地下燃?xì)夤艿赖牟顒?dòng)驅(qū)動(dòng)管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人。 此外，Choi等人。開發(fā)了一種管內(nèi)檢查/清潔機(jī)器人，它可以通過(guò)使用帶彈簧的輪子粘在管道的內(nèi)表面上，如圖2所示。這種機(jī)器人有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即機(jī)器人可以與 當(dāng)一個(gè)輪子在管道的分支點(diǎn)處無(wú)效時(shí)，管道的內(nèi)表面。圖2管道內(nèi)檢查/清潔機(jī)器人（Choi等人）在GACF中，當(dāng)垃圾移動(dòng)時(shí)，我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì)（直徑：300mm或400mm）。 因此，在本文中，我們將開發(fā)一種GACF管道內(nèi)清潔機(jī)器人，其滑動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過(guò)氣動(dòng)壓力（不是彈簧）調(diào)節(jié)到適合管道內(nèi)表面。 所提出的用于GACF的管道內(nèi)清潔機(jī)器人本身可以具有向前/向后移動(dòng)以及清潔時(shí)刷子的旋轉(zhuǎn)。 機(jī)器人本體應(yīng)具有適合直徑為300mm的較小管道的有限尺寸。 另外，對(duì)于直徑為400mm的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過(guò)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑。 機(jī)器人前部有一個(gè)攝像頭和一個(gè)旋轉(zhuǎn)刷，可同時(shí)進(jìn)行清潔和檢查。 此外，它可以通過(guò)使兩個(gè)刷子彼此反向旋轉(zhuǎn)來(lái)提高清潔效率。本文的結(jié)構(gòu)如下。第二節(jié)通過(guò)使用TRIZ（俄語(yǔ)縮寫中的問(wèn)題解決的發(fā)明理論）解釋了所提出的管道內(nèi)清潔機(jī)器人的概念設(shè)計(jì)?；谶@種概念設(shè)計(jì)，我們將與韓國(guó)Robot Valley公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作，建立機(jī)器人的初始設(shè)計(jì)。對(duì)于管道內(nèi)清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在第三節(jié)中，當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿拉伸到400mm時(shí)，使用RecurDyn模擬機(jī)器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。管道直徑。在第四節(jié)中，通過(guò)使用ANSYSWorkbench基于最大沖擊力對(duì)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的6個(gè)連桿施加的應(yīng)力進(jìn)行模擬。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（簡(jiǎn)稱DOE）。最后，將確定最佳尺寸，包括4個(gè)連桿的厚度，以便在本文中具有最佳安全系數(shù)2，并且具有4個(gè)連桿的最小質(zhì)量。第五節(jié)將得出結(jié)論。2.基于TRIZ的管道清洗機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)提出的管道內(nèi)清潔的概念設(shè)計(jì)機(jī)器人使用TRIZ的6SC執(zhí)行如下：A.（6SC的第1步）圖片中的問(wèn)題陳述圖3顯示了管道內(nèi)清潔機(jī)器人的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。 問(wèn)題是機(jī)器人無(wú)法裝入直徑為300mm / 400mm的管道，因?yàn)楦鶕?jù)兩種類型的管道（直徑為300mm或400mm），它沒(méi)有任何可變機(jī)構(gòu)。圖3管內(nèi)清潔機(jī)器人的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)B.（6SC的第2步）系統(tǒng)功能分析為了解決上面提出的問(wèn)題，我們首先進(jìn)行系統(tǒng)功能分析，如圖4所示在目標(biāo)上，機(jī)器人應(yīng)設(shè)計(jì)成適合兩種類型的管道（直徑300毫米或400毫米）。 在該圖中，保持機(jī)器人的直徑意味著保持機(jī)器人的狀態(tài)適合管道。圖4系統(tǒng)功能分析C.（6SC的第3步）理想的最終結(jié)果（IFR）作為IFR，我們建議將機(jī)器人設(shè)計(jì)成適合較小直徑（即300mm）的管子，然后以可伸縮的形式裝入較大直徑（即400mm）。D.（6SC的第4步）矛盾和分離原則下面的句子可以表示矛盾：“兩個(gè)機(jī)器人體應(yīng)分別設(shè)計(jì)成適合兩種類型的管子（直徑300mm或400mm）。 并且，機(jī)器人應(yīng)該被設(shè)計(jì)成一個(gè)整體?！盀榱苏业矫軉?wèn)題的解決方案，我們?cè)谙旅娴木渥又袘?yīng)用分離原則：”兩種管道的每個(gè)機(jī)器人體分別設(shè)計(jì)，然后是兩個(gè)機(jī)器人體 被放在一個(gè)機(jī)器人身上。E.（6SC的第5步）元素 - 相互作用分析圖5顯示了元素 - 交互分析。 在這個(gè)問(wèn)題中，元素是“機(jī)器人的身體”和“管的直徑”。這個(gè)圖表明機(jī)器人的身體設(shè)計(jì)成適合兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)直徑（300毫米和400毫米）的管道作為可變機(jī)構(gòu)。圖5元素相互作用分析F.（6SC的第6步）問(wèn)題解決和評(píng)估問(wèn)題的暫定解決方案可以如下：對(duì)于兩種類型的標(biāo)準(zhǔn)化管道（300mm或400mm），機(jī)器人的直徑需要是可變的。 如圖6所示，本文提出的最終問(wèn)題解決方案是6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)直徑為300mm / 400mm的管道。 特別地，在該解決方案中，氣動(dòng)壓力用于使滑動(dòng)機(jī)構(gòu)配合到管的內(nèi)表面中。 因此，機(jī)器人具有三個(gè)用于一個(gè)滑塊的6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖7所示。如該圖所示，管內(nèi)清潔機(jī)器人具有總共六個(gè)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，即前滑塊3個(gè)，后滑塊3個(gè)。圖6 6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)圖7一個(gè)滑塊的三個(gè)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)該問(wèn)題解決方案的評(píng)估可以如下進(jìn)行：當(dāng)三個(gè)六連桿機(jī)構(gòu)中的一個(gè)落入管道的分支點(diǎn)時(shí)，使用氣動(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過(guò)保持機(jī)器人的直徑來(lái)逃離分支點(diǎn)（在其他 單詞，機(jī)器人的狀態(tài)適合管道，并且可以穩(wěn)定地移動(dòng)，因?yàn)榭梢怨潭ㄈ齻€(gè)6連桿機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)，如圖8所示。圖8使用分支點(diǎn)處的氣動(dòng)壓力評(píng)估6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)3.使用RECURDYN進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬基于第二節(jié)中介紹的管道內(nèi)清潔機(jī)器人的概念設(shè)計(jì)，圖9中提出了使用氣動(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)，與韓國(guó)Robot Valley公司合作。 特別是表1顯示了鏈路1至4的初始設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度和厚度，這些設(shè)計(jì)來(lái)自機(jī)器人谷的設(shè)計(jì)專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。 對(duì)于管道清洗機(jī)器人的最佳設(shè)計(jì)，最大沖擊沖擊力通過(guò)使用RecurDyn（多體動(dòng)力學(xué)）在本節(jié)中模擬機(jī)器人與管道內(nèi)表面之間的關(guān)系模擬程序）當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合管道直徑400mm時(shí)。 特別是選擇直徑為400mm的管道而不是300mm直徑的管道，因?yàn)榧僭O(shè)前者具有比后者更大的加速度和更長(zhǎng)的位移。圖9采用氣動(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)表格1鏈接的初始設(shè)計(jì)Links1234Length (mm)919137145Thickness (mm)105510當(dāng)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)與初始拉伸表1的長(zhǎng)度尺寸和厚度由于氣動(dòng)，適合400毫米直徑的管道它會(huì)碰撞壓力（推動(dòng)滑動(dòng)連桿，即連桿5）與管道的內(nèi)壁。 那個(gè)時(shí)候，多體動(dòng)態(tài)模擬程序，即RecurDyn用于查找機(jī)器人之間碰撞的最大沖擊力和管道的內(nèi)表面。 在這個(gè)動(dòng)態(tài)的第一步仿真，6連桿滑動(dòng)的三維建模使用SolidWorks的機(jī)制（如圖9所示）是導(dǎo)入RecurDyn。在此模擬中使用的約束條件RecurDyn是重力，關(guān)節(jié)，固定狀態(tài)，接觸和彈簧力條件。 重力由g = 9.81m / s2提供在圖10所示的方向上，設(shè)置6個(gè)接頭RecurDyn中的Revolute Joints，如圖10所示連接到接頭1的部分是固定的，而下部是固定的連接到第2關(guān)節(jié)不需要約束，以便它可以滑動(dòng)。圖10關(guān)節(jié)和固定狀態(tài)的約束機(jī)器人六個(gè)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞管道內(nèi)表面只有一個(gè)六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)為方便起見(jiàn)，在RecurDyn中考慮過(guò)。 2個(gè)6連桿輪滑動(dòng)機(jī)構(gòu)由內(nèi)部“固體接觸”給出側(cè)面如圖11所示。另外，固體接觸條件是針對(duì)固定部件的碰撞而給出的（與接頭1連接）與滑動(dòng)部分（連接到接頭2）。圖11接觸約束6連桿機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)由氣動(dòng)壓力。 但沒(méi)有氣動(dòng)壓力RecurDyn計(jì)劃中的約束。 在這個(gè)模擬中，我們已賦予彈簧力氣動(dòng)壓力。 的情況下氣動(dòng)壓力，6連桿機(jī)構(gòu)滑動(dòng)加速度為2 m / s2。 通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬RecurDyn如圖12所示，彈簧力條件彈簧常數(shù)為5 N / mm，彈簧位移為40 mm使6連桿機(jī)構(gòu)以1.97m / s2加速度滑動(dòng)。因此，氣動(dòng)壓力可以用彈簧力代替常數(shù)5 N / mm，位移40 mm。圖12彈簧力條件圖13顯示了當(dāng)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)與管道內(nèi)側(cè)（直徑400 mm）碰撞時(shí)使用RecurDyn模擬的沖擊力。 如該圖所示，機(jī)構(gòu)滑動(dòng)1秒鐘（從彈簧力條件起作用的瞬間）。 然后我們可以看到最大沖擊力約為100N。圖13使用RecurDyn的沖擊力仿真結(jié)果4. 6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)在我們處理6連桿滑動(dòng)的最佳設(shè)計(jì)本節(jié)中的管道內(nèi)清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu)。 首先，最大沖擊力，即通過(guò)前一節(jié)中使用RecurDyn的動(dòng)態(tài)模擬獲得的100N，加載到6輪鏈滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的車輪1的點(diǎn)上，如圖14所示（3-D模型） ANSYSWorkbench）。 我們假設(shè)車輪1在動(dòng)態(tài)模擬中比車輪2更早地與管道內(nèi)側(cè)發(fā)生碰撞，因?yàn)檐囕?與6車道機(jī)構(gòu)的距離比車輪2短。然后使用ANSYSWorkbench進(jìn)行靜態(tài)分析基于DOE（ 也就是說(shuō)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）以獲得4個(gè)設(shè)計(jì)變量的最佳尺寸，即如圖15所示的4個(gè)鏈節(jié)的厚度。圖14ANSYSWorkbench的三維模型圖15 6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)（俯視圖）DOE通常用于通過(guò)對(duì)給定設(shè)計(jì)（或性能測(cè)試）問(wèn)題執(zhí)行最小模擬（或?qū)嶒?yàn)）來(lái)提取最大信息。 DOE可以幫助確定定量關(guān)于問(wèn)題中每個(gè)設(shè)計(jì)（或?qū)嶒?yàn)）因素（或變量）的影響。 這導(dǎo)致找到設(shè)計(jì)（或?qū)嶒?yàn)）變量的最佳值。 在6連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)變量的數(shù)量（統(tǒng)計(jì)術(shù)語(yǔ)中的控制因子）是表4中所示的四個(gè)等級(jí)中的四個(gè)。表2顯示了機(jī)器人谷的現(xiàn)場(chǎng)工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所產(chǎn)生的每個(gè)因素的水平。 對(duì)于這種6鏈路機(jī)制，四級(jí)四設(shè)計(jì)變量的正交陣列（L16）是使用DOE（特別是MINITAB）而不是全256（44）生成的。表2設(shè)計(jì)變量的水平LevelFactor1234Link1 Thickness(mm)51038Link2 Thickness(mm)51038Link3 Thickness(mm)51038Link4 Thickness(mm)51038基于表3的正交陣列（L16），使用ANSYSWorkbench對(duì)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行16次靜態(tài)分析。 4個(gè)設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)值可根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)選擇：（1）6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)應(yīng)高達(dá)2（現(xiàn)場(chǎng)工程師在機(jī)器人設(shè)計(jì)中建議最佳安全系數(shù)為2） ），（2）應(yīng)盡量減少機(jī)構(gòu)的質(zhì)量。 可以以與多目標(biāo)問(wèn)題類似的方式指定標(biāo)準(zhǔn)。 因此，該多目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)由等式（1）給出。這里sf1和sf2表示縮放因子。而且，w1和w2是加權(quán)因子。根據(jù)等式（1）選擇適當(dāng)?shù)闹亓亢捅壤蜃又?。由于多目?biāo)標(biāo)準(zhǔn)必須是線性組合函數(shù)，因此0.5的值已分配給w1和w2。同時(shí)，sf1和sf2的常數(shù)分別由0.5和0.5給出，以便將客觀標(biāo)準(zhǔn)的最大值的上限值設(shè)置為1.根據(jù)DOE，進(jìn)行了16次分析。圖16顯示了使用ANSYSWorkbench通過(guò)靜態(tài)分析執(zhí)行的16個(gè)結(jié)果。因此，與其他15組設(shè)計(jì)變量相比，表3的最后一列顯示了紅色下劃線的最優(yōu)（對(duì)應(yīng)于目標(biāo)函數(shù)的最小值）設(shè)計(jì)變量。因此，鏈路1,2,3和4的最佳厚度均為5mm，而鏈路1,2,3和4的初始厚度分別為10mm，5mm，5mm，10mm，如表1所示?？梢宰⒁獾?，最優(yōu)設(shè)計(jì)（或最佳厚度）具有目標(biāo)函數(shù)的值（即0.09653），包括安全系數(shù)2.7065和質(zhì)量0.145kg，遠(yuǎn)小于初始設(shè)計(jì)的情況，目標(biāo)值（即0.27631）功能包括安全系數(shù)3.6751和初始質(zhì)量0.241kg的情況，如表3中的第17行（下劃線為藍(lán)色）所示。特別是鏈節(jié)的材料是經(jīng)過(guò)特殊熱處理的AL 7075-O（ss）。因此，我們可以得出結(jié)論，與Robot Valley，Inc。的專家進(jìn)行的初始設(shè)計(jì)相比，4個(gè)鏈路的最佳設(shè)計(jì)具有接近2的最佳安全系數(shù)以及具有4個(gè)鏈路的最小質(zhì)量。 - 包括具有這些最佳尺寸的6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的管道清潔機(jī)器人如圖17所示。該原型機(jī)與Robot Valley，Inc。合作進(jìn)行清潔測(cè)試。表3正交陣列圖16使用ANSYSWorkbench進(jìn)行靜態(tài)分析的結(jié)果之一圖17管內(nèi)清洗機(jī)器人的原型，包括最佳尺寸的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)5. 結(jié)論最近，由于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū)，因此對(duì)管道內(nèi)清潔機(jī)器人的興趣正在增加。在GACF中，當(dāng)垃圾移動(dòng)時(shí)，我們必須去除粘附在垃圾內(nèi)表面的雜質(zhì)管（直徑：300mm或400mm）。因此，在本文中，通過(guò)使用TRIZ（俄語(yǔ)縮寫中的問(wèn)題解決的發(fā)明理論），我們提出了一種GACF的管道內(nèi)清潔機(jī)器人，其具有6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動(dòng)壓力（不是彈簧）。所提出的用于GACF的管道內(nèi)清潔機(jī)器人本身可以具有向前/向后移動(dòng)以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn)。機(jī)器人本體應(yīng)具有適合直徑為300mm的較小管道的有限尺寸。另外，對(duì)于直徑為400mm的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過(guò)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑?；谶@種概念設(shè)計(jì)，我們與韓國(guó)Robot Valley公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作，建立了機(jī)器人的初始設(shè)計(jì)。對(duì)于管道內(nèi)清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合直徑400mm的管道時(shí)，使用RecurDyn模擬機(jī)器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。 。利用基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的ANSYSWorkbench（簡(jiǎn)稱DOE），模擬了最大沖力對(duì)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)6連桿施加的應(yīng)力。最后確定了最佳尺寸，包括4個(gè)連桿的厚度，以便在本文中具有最佳安全系數(shù)2，并且具有4個(gè)連桿的最小質(zhì)量。經(jīng)驗(yàn)證，與機(jī)器人谷公司專家進(jìn)行的初步設(shè)計(jì)相比，4連桿的最佳設(shè)計(jì)具有接近2的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量為4連桿。管內(nèi)原型清潔機(jī)器人包括具有這些最佳尺寸的6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，已經(jīng)與Robot Valley，Inc。合作開發(fā)了清潔測(cè)試。為了進(jìn)一步研究這個(gè)原型，現(xiàn)有的清潔工具需要重新設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單有效的類型，因?yàn)槠浞此⒌膹?fù)雜機(jī)理。管道清洗機(jī)器人的優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 最近 由于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施 即 GACF 被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市 區(qū) 因此對(duì)管道中可用的清潔機(jī)器人 稱為管道內(nèi)清潔機(jī)器人 的興趣正在增加 到目前為止 關(guān)于管道內(nèi)機(jī)器人的研究一直專注于檢查而不是清潔 在 GACF 中 當(dāng)垃圾移動(dòng)時(shí) 我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì) 直徑 300mm 或 400mm 因此 在本文中 通過(guò)使用 TRIZ 俄語(yǔ)縮寫中的問(wèn)題解決的發(fā)明理論 我們將提出一種 GACF 的管道內(nèi)清潔機(jī)器人 其具有 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 可以調(diào) 節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動(dòng)壓力 不是彈簧 所提出的用于 GACF 的管道 內(nèi)清潔機(jī)器人本身可以具有向前 向后移 動(dòng)以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn) 機(jī)器人本 體應(yīng)具有適合直徑為 300mm 的較小管道的有限尺寸 另外 對(duì)于直徑為 400mm 的管道 機(jī)器人的連桿應(yīng)通過(guò)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑 基于使用 TRIZ 的概念設(shè)計(jì) 我們將與韓國(guó) Robot Valley 公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作 建立機(jī)器人的 初始設(shè)計(jì) 對(duì)于管內(nèi)清洗機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì) 利用機(jī)器人與管道內(nèi)表面碰撞的最 大沖擊力進(jìn)行模擬 當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的鏈接被拉伸以適合時(shí) RecurDyn 進(jìn)入 400 毫 米直徑的管道 利用基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的 ANSYS Workbench 簡(jiǎn)稱 DOE 模擬最 大沖擊力對(duì)滑動(dòng) 機(jī)構(gòu) 6 連桿施加的應(yīng)力 最后 將確定最佳尺寸 包括 4 個(gè)連桿 的厚度 以便在本文中具有最佳安全系數(shù) 2 并且具有 4 個(gè)連桿的最小質(zhì)量 它 將被驗(yàn)證與 Robot Valley Inc 專家的初步設(shè)計(jì)相比 4 連桿的最佳設(shè)計(jì)具有接 近 2 的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量的 4 個(gè)連桿 此外 管道內(nèi)清潔機(jī)器人的原型 將進(jìn)一步研究說(shuō)明 關(guān)鍵詞 管道內(nèi)清潔機(jī)器人 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) TRIZ 優(yōu)化設(shè)計(jì) RecurDyn 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) DOE ANSYS Workbench 1 引言 最近 由 于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施 即 GACF 被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū) 因此對(duì)管道中可操作的清潔機(jī)器人 我們將此稱之為機(jī)器人管道清潔機(jī)器人 的 興趣正在增加 盡管根據(jù)調(diào)查 韓國(guó) GACF 處于初始階段 但據(jù)報(bào)道 通過(guò)解 決現(xiàn)有手動(dòng)拾取方式導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題 包括公寓之美 居民滿意度較高 然而 GACF 仍然存在設(shè)備安裝費(fèi)用昂貴 運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高 食物垃圾收集率和回收率下降 等問(wèn)題 這意味著 GACF 需要提高穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)技能 到目前為止 韓國(guó)垃圾收集的方式如下 當(dāng) 我們把垃圾放在塑料袋里并放在 某個(gè)地方時(shí) 一輛皮卡車會(huì)繞過(guò)那個(gè)區(qū)域 并撿起垃圾 通常垃圾暴露在道路上 而狗 貓或老鼠等通常會(huì)損壞垃 圾袋 因此 城市的美麗可能會(huì)受到破壞 特 別是在夏天 此外 垃圾袋會(huì)導(dǎo)致蒼蠅或有害昆蟲的惡臭 因此 這種垃圾處 理系統(tǒng)可以歸結(jié)為不衛(wèi)生 與目前韓國(guó)垃圾處理和拾取系統(tǒng)的這種不方便且不衛(wèi)生的方式相比 GACF 具有定期安裝的僅垃圾槽 在 GACF 中 管道在地下構(gòu)建 使用戶能夠扔垃圾 袋 將垃圾暫時(shí)存放在插槽的底部后 將其連接到與管道連接的存儲(chǔ)區(qū)域 因 此 GACF 不需要任何人力來(lái)拾取 垃圾 并且進(jìn)一步是環(huán)境友好的系統(tǒng) 垃圾不 會(huì)暴露在外面 與現(xiàn)有的 人力和車 輛接送方式相比 GACF 擁有一個(gè)中央收集的設(shè)施 在地 下建造的管道中提供約 60 70km h 的高速運(yùn)行空氣 GACF 可以根據(jù)垃圾的類 型 易燃或不易燃 將垃圾放入垃圾焚燒爐 加工后的垃圾可以運(yùn)到 集裝箱車 輛的最終處置場(chǎng)地 圖 1 顯示了 GACF 的關(guān)鍵圖 圖 1 GACF 的關(guān)鍵圖 如上所述 GACF 可以快速收集生活垃圾 此外 GACF 可以將生活垃圾 運(yùn)送到最終處置場(chǎng)所 即垃圾焚燒爐 具體而言 當(dāng)居民將家庭垃圾扔進(jìn) GACF 的輸入槽時(shí) 垃圾通過(guò)與收集場(chǎng)地相連的管道運(yùn)輸 在 收集的場(chǎng)地 GACF 操 作一個(gè)與管道連接的鼓風(fēng)機(jī) 并從進(jìn)氣口吸入空氣 如圖 1 所示 此時(shí) 根據(jù) 氣流 GACF 收集生活垃圾 為了長(zhǎng)期穩(wěn)定地維 護(hù) GACF 管道內(nèi)清潔很重要 在不久的將來(lái) 需要開發(fā)一種具有自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的管道內(nèi)清潔機(jī)器人 以使管道清潔 管道清洗機(jī)器人的使用可以使管道老化延遲 從而可以降低管道更換成本 到目前為止 關(guān)于管道內(nèi)機(jī)器人的研究一直專注于檢查而不是清潔 例如 Roh 等人 開發(fā)了一種用于地下燃?xì)夤艿赖牟顒?dòng)驅(qū)動(dòng)管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人 此外 Choi 等人 開發(fā)了一種管內(nèi)檢查 清潔機(jī)器人 它可以通過(guò) 使用帶彈簧的輪子粘 在管道的內(nèi)表面上 如圖 2 所示 這種機(jī)器人有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn) 即機(jī)器人可以 與 當(dāng)一個(gè)輪子在管道的分支點(diǎn)處無(wú)效時(shí) 管道的內(nèi)表面 圖 2 管道內(nèi)檢查 清潔機(jī)器人 Choi 等人 在 GACF 中 當(dāng)垃圾移動(dòng)時(shí) 我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì) 直 徑 300mm 或 400mm 因此 在本文中 我們將 開發(fā)一種 GACF 管道內(nèi)清潔 機(jī)器人 其滑動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過(guò)氣動(dòng)壓力 不是彈簧 調(diào)節(jié)到適合管道內(nèi)表面 所 提出的用于 GACF 的管道內(nèi)清潔機(jī)器人本身可以具有向前 向后移動(dòng)以及清潔時(shí) 刷子的旋轉(zhuǎn) 機(jī)器人本體應(yīng)具有適合直徑為 300mm 的較小管道的有限尺寸 另 外 對(duì)于直徑為 400mm 的管道 機(jī)器人的連桿應(yīng)通過(guò)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道 的直徑 機(jī)器人前部有一個(gè) 攝像頭和一個(gè)旋轉(zhuǎn)刷 可同時(shí)進(jìn)行清潔和檢查 此 外 它可以通過(guò)使兩個(gè)刷子彼此反向旋轉(zhuǎn)來(lái)提高清潔效率 本文的結(jié)構(gòu)如下 第二節(jié)通過(guò)使用 TRIZ 俄語(yǔ)縮寫中的問(wèn)題解決的發(fā)明理 論 解釋了所提出 的管道內(nèi)清潔機(jī)器人的概念設(shè)計(jì) 基于這種概念設(shè)計(jì) 我們將 與韓國(guó) Robot Valley 公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作 建立機(jī)器人的初始設(shè)計(jì) 對(duì)于管道 內(nèi)清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì) 在第 三節(jié)中 當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿拉伸到 400mm 時(shí) 使用 RecurDyn 模擬機(jī)器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力 管道直徑 在第四節(jié)中 通過(guò)使用 ANSYS Workbench 基于最大沖擊力對(duì)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的 6 個(gè) 連桿施加的應(yīng)力進(jìn)行模擬 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)稱 DOE 最后 將確定最佳尺寸 包 括 4 個(gè)連桿的厚度 以便在本文中具有最佳安全系數(shù) 2 并且具有 4 個(gè)連桿的最 小質(zhì)量 第五節(jié)將得出結(jié)論 2 基于 TRIZ 的管道清洗機(jī)器人的基本設(shè)計(jì) 提出的管道內(nèi)清潔的概念設(shè)計(jì)機(jī)器人使用 TRIZ 的 6SC 執(zhí)行如下 A 6SC 的第 1 步 圖片中的問(wèn)題 陳述 圖 3 顯示了管道內(nèi)清潔機(jī)器人的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì) 問(wèn)題是機(jī)器人無(wú)法裝入直徑為 300mm 400mm 的管道 因?yàn)楦鶕?jù)兩種類型的管道 直徑為 300mm 或 400mm 它沒(méi)有任何可變機(jī)構(gòu) 圖 3 管內(nèi)清潔機(jī)器人的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì) B 6SC 的第 2 步 系統(tǒng)功能分析 為了解決上面提出的問(wèn)題 我們首先進(jìn)行系統(tǒng)功能分析 如圖 4 所示 在目標(biāo)上 機(jī)器人應(yīng)設(shè)計(jì)成適合兩種類型的管道 直徑 300毫米或 400毫米 在該圖中 保持機(jī)器人的直徑意味著保持機(jī)器人的狀態(tài)適合管道 圖 4 系統(tǒng)功能分析 C 6SC 的第 3 步 理想的最終結(jié)果 IFR 作為 IFR 我們建議將機(jī)器人設(shè)計(jì)成適合較小直徑 即 300mm 的管子 然后以可伸縮的形式裝入較大直徑 即 400mm D 6SC 的第 4 步 矛盾和分離原則 下面的句子可以表示矛盾 兩個(gè)機(jī)器人體應(yīng)分別設(shè)計(jì)成適合兩種類型的管 子 直徑 300mm 或 400mm 并且 機(jī)器人應(yīng)該被設(shè)計(jì)成一個(gè)整體 為了找 到矛盾問(wèn)題的解決方案 我們?cè)谙旅娴木渥又袘?yīng)用分離原則 兩種管道的每個(gè) 機(jī)器人體分別設(shè)計(jì) 然后是兩個(gè)機(jī)器人體 被放在一個(gè)機(jī)器人身上 E 6SC 的第 5 步 元素 相互作用分析 圖 5 顯 示了 元素 交互分析 在這個(gè)問(wèn)題中 元素是 機(jī)器人的身體 和 管 的直徑 這個(gè)圖表明機(jī)器人的身體設(shè)計(jì)成適合兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)直徑 300 毫米和 400 毫米 的管道作為可變機(jī)構(gòu) 圖 5 元素相互作用分析 F 6SC 的第 6 步 問(wèn)題解決和評(píng)估 問(wèn)題的暫定解決方案可以如下 對(duì)于兩種類型的標(biāo)準(zhǔn)化管道 300mm 或 400mm 機(jī)器人的直徑需要是可變的 如圖 6 所示 本文提出的最終問(wèn)題解決 方案是 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 以適應(yīng)直徑為 300mm 400mm 的管道 特別地 在該 解決方案中 氣動(dòng)壓力用于使滑動(dòng)機(jī)構(gòu)配合到管的內(nèi) 表面中 因此 機(jī)器人具 有三個(gè)用于一個(gè)滑塊的 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 如圖 7 所示 如該圖所示 管內(nèi)清潔機(jī) 器人具有總共六個(gè) 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 即前滑塊 3 個(gè) 后滑塊 3 個(gè) 圖 6 6 連桿滑動(dòng) 機(jī)構(gòu) 圖 7 一個(gè)滑塊的三個(gè) 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 該問(wèn)題解決方案的評(píng)估可以如下進(jìn)行 當(dāng)三個(gè)六連桿機(jī)構(gòu)中的一個(gè)落入管道 的分支點(diǎn)時(shí) 使用氣動(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過(guò)保持機(jī)器人的直徑來(lái)逃離 分支點(diǎn) 在其他 單詞 機(jī)器人的狀態(tài)適合管道 并且可以穩(wěn)定地移動(dòng) 因?yàn)榭?以固定三個(gè) 6 連桿機(jī)構(gòu)中的兩個(gè) 如圖 8 所示 圖 8 使用分支點(diǎn)處的氣動(dòng) 壓力評(píng)估 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 3 使用 RECURDYN 進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬 基于第二節(jié)中介紹的管道內(nèi)清潔機(jī)器人的概念設(shè)計(jì) 圖 9 中提出了使用氣動(dòng) 壓力的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的初始設(shè)計(jì) 與韓國(guó) Robot Valley 公司合作 特別是表 1 顯示了鏈路 1 至 4 的初始設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度和厚度 這些設(shè)計(jì)來(lái)自機(jī)器人谷的設(shè)計(jì)專家 的經(jīng)驗(yàn)知識(shí) 對(duì)于管道清洗機(jī)器人的最佳設(shè)計(jì) 最大沖擊沖擊力 通過(guò)使用 RecurDyn 多體動(dòng)力學(xué) 在本節(jié)中模擬機(jī)器人與管道內(nèi)表面之間的關(guān)系 模擬程 序 當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合管道直徑 400mm 時(shí) 特別是選擇 直徑為 400mm 的管道而不是 300mm 直徑的管道 因?yàn)榧僭O(shè)前者具有比后者更大的加速 度和更長(zhǎng)的位移 圖 9 采用氣動(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 表格 1 鏈接的初始設(shè)計(jì) Links 1 2 3 4 Length mm 91 91 37 145 Thickness mm 10 5 5 10 當(dāng) 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)與初始 拉伸表 1 的長(zhǎng)度尺寸和厚度 由于氣動(dòng) 適合 400 毫米直徑的管道 它會(huì)碰撞壓力 推動(dòng)滑動(dòng)連桿 即連桿 5 與管道的內(nèi)壁 那 個(gè)時(shí)候 多體 動(dòng)態(tài)模擬程序 即 RecurDyn 用于查找 機(jī)器人之間碰撞的 最大沖 擊力和管道的內(nèi)表面 在這個(gè)動(dòng)態(tài)的第一步 仿真 6 連桿滑動(dòng)的三維建模 使用 SolidWorks 的機(jī)制 如圖 9 所示 是 導(dǎo)入 RecurDyn 在此模擬中使用的約束條件 RecurDyn 是重力 關(guān)節(jié) 固定狀態(tài) 接觸和 彈簧力條件 重力由 g 9 81m s2 提供 在圖 10 所示的方向上 設(shè)置 6 個(gè)接頭 RecurDyn 中的 Revolute Joints 如圖 10 所示 連接到接頭 1 的部分是固定的 而 下部是固定的 連接到第 2 關(guān)節(jié)不需要約束 以便它可以滑動(dòng) 圖 10 關(guān)節(jié)和固定狀態(tài)的約束 機(jī)器人六個(gè) 6 連 桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞 管道內(nèi)表面只有一個(gè)六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)為 方便起見(jiàn) 在 RecurDyn 中考慮過(guò) 2 個(gè) 6 連桿輪 滑動(dòng)機(jī)構(gòu)由內(nèi)部 固體接觸 給出側(cè)面如圖 11 所示 另外 固體接觸 條件是針對(duì)固定部件的碰撞而給出的 與 接頭 1 連接 與滑動(dòng)部分 連接到接頭 2 圖 11 接觸約束 6 連桿機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)由 氣動(dòng)壓力 但沒(méi)有氣動(dòng)壓力 RecurDyn 計(jì)劃中的 約束 在這個(gè)模擬中 我們 已賦予彈簧力氣動(dòng)壓力 的情況下 氣動(dòng)壓力 6 連 桿機(jī)構(gòu)滑動(dòng) 加速度為 2 m s2 通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬 RecurDyn 如圖 12 所示 彈簧力 條 件 彈簧常數(shù)為 5 N mm 彈簧位移為 40 mm 使 6 連桿機(jī)構(gòu)以 1 97m s2 加速度 滑動(dòng) 因此 氣動(dòng)壓力可以用彈簧力代替常數(shù) 5 N mm 位移 40 mm 圖 12 彈簧力條件 圖 13 顯示了當(dāng) 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)與管道內(nèi)側(cè) 直徑 400 mm 碰撞時(shí)使用 RecurDyn 模擬的沖擊力 如該圖所示 機(jī)構(gòu)滑動(dòng) 1 秒鐘 從彈簧力條件起作 用的瞬間 然后我們可以看到最大沖擊力約為 100N 圖 13 使用 RecurDyn 的沖擊力仿真結(jié)果 4 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 現(xiàn)在 我們處理 6 連桿滑動(dòng)的最佳設(shè)計(jì) 本節(jié)中的管道內(nèi)清潔機(jī)器人的機(jī)構(gòu) 首先 最大沖擊力 即通過(guò)前一節(jié)中使用 RecurDyn 的動(dòng)態(tài)模擬獲得的 100N 加載到 6 輪鏈滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的車輪 1 的點(diǎn)上 如圖 14 所示 3 D 模型 ANSYS Workbench 我們假設(shè)車輪 1 在動(dòng)態(tài)模擬中比車輪 2 更早地與管道內(nèi) 側(cè)發(fā)生碰撞 因?yàn)檐囕?1 與 6 車道機(jī)構(gòu)的距離比車輪 2 短 然后使用 ANSYS Workbench 進(jìn)行靜態(tài)分析基于 DOE 也就是說(shuō) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 以獲得 4 個(gè)設(shè)計(jì)變量的最佳尺寸 即如圖 15 所示的 4 個(gè)鏈節(jié)的厚 度 圖 14ANSYS Workbench 的三維模型 圖 15 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 俯視圖 DOE 通常用于通過(guò)對(duì)給定設(shè)計(jì) 或性能測(cè)試 問(wèn)題執(zhí)行最小模擬 或?qū)嶒?yàn) 來(lái)提取最大信息 DOE 可以幫助確定定量 關(guān)于問(wèn)題中每個(gè)設(shè)計(jì) 或?qū)嶒?yàn) 因素 或變量 的影響 這導(dǎo)致找到設(shè)計(jì) 或?qū)嶒?yàn) 變量的最佳值 在 6 連桿機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì)中 設(shè)計(jì)變量的數(shù)量 統(tǒng)計(jì)術(shù)語(yǔ)中的控制因子 是表 4 中所示的四個(gè)等級(jí) 中的四個(gè) 表 2 顯示了機(jī)器人谷的現(xiàn)場(chǎng)工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所產(chǎn)生的每個(gè)因素的水 平 對(duì)于這種 6 鏈路機(jī)制 四級(jí)四設(shè)計(jì)變量的正交陣列 L16 是使 用 DOE 特 別是 MINITAB 而不是全 256 44 生成的 表 2 設(shè)計(jì)變量的水平 Level Factor 1 2 3 4 Link1 Thickness mm 5 10 3 8 Link2 Thickness mm 5 10 3 8 Link3 Thickness mm 5 10 3 8 Link4 Thickness mm 5 10 3 8 基于表 3 的正交陣列 L16 使用 ANSYS Workbench 對(duì) 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 進(jìn)行 16 次靜態(tài)分析 4 個(gè)設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)值可根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)選擇 1 6 連桿 滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)應(yīng)高達(dá) 2 現(xiàn)場(chǎng)工程師在機(jī)器人設(shè)計(jì)中建議最佳安全系數(shù)為 2 2 應(yīng)盡量減少機(jī)構(gòu)的質(zhì)量 可以以與多目標(biāo)問(wèn)題類似的方式指定標(biāo)準(zhǔn) 因此 該多目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)由等式 1 給出 這里 sf1 和 sf2 表示縮放因子 而且 w1 和 w2 是加權(quán)因子 根據(jù)等式 1 選擇適當(dāng)?shù)闹亓亢捅壤蜃又?由于多目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)必須是線性組合函數(shù) 因此 0 5 的值已分配給 w1 和 w2 同時(shí) sf1 和 sf2 的常數(shù)分別由 0 5 和 0 5 給出 以便將 客觀標(biāo)準(zhǔn)的最大值的上限值設(shè)置為 1 根據(jù) DOE 進(jìn)行了 16 次分析 圖 16 顯示 了 使用 ANSYS Workbench 通過(guò)靜態(tài)分析執(zhí)行的 16 個(gè)結(jié)果 因此 與其他 15 組設(shè)計(jì)變量相比 表 3 的最后一列顯示了紅色下劃線的最優(yōu) 對(duì)應(yīng)于目標(biāo)函數(shù)的 最小值 設(shè)計(jì)變量 因此 鏈路 1 2 3 和 4 的最佳厚度均為 5mm 而鏈路 1 2 3 和 4 的初始厚度分別為 10mm 5mm 5mm 10mm 如表 1 所示 可以注意到 最優(yōu)設(shè)計(jì) 或最佳厚度 具有目標(biāo)函數(shù)的值 即 0 09653 包括安全系數(shù) 2 7065 和質(zhì)量 0 145kg 遠(yuǎn)小于初始設(shè)計(jì)的情況 目標(biāo)值 即 0 27631 功能包括安全系 數(shù) 3 6751 和初始質(zhì)量 0 241kg 的情況 如表 3 中的第 17 行 下劃線為藍(lán)色 所 示 特別是鏈節(jié)的材料是經(jīng)過(guò)特殊熱處理的 AL 7075 O ss 因此 我們可以 得出結(jié)論 與 Robot Valley Inc 的專家進(jìn)行的初始設(shè)計(jì)相比 4 個(gè)鏈路的最佳 設(shè)計(jì)具有接近 2 的最佳安全系數(shù)以及具有 4 個(gè)鏈路的最小質(zhì)量 包括 具有這 些最佳尺寸的 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的管道清潔機(jī)器人如圖 17 所示 該原型機(jī)與 Robot Valley Inc 合作進(jìn)行清潔測(cè)試 表 3 正交陣列 圖 16 使用 ANSYS Workbench 進(jìn)行靜態(tài) 分析的結(jié)果之一 圖 17 管內(nèi)清洗機(jī)器人的原型 包括最佳尺寸的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 5 結(jié)論 最近 由于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施 即 GACF 被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū) 因此對(duì)管道內(nèi)清潔機(jī)器人的興趣正在增加 在 GACF 中 當(dāng)垃圾移動(dòng)時(shí) 我們 必須去除粘附在垃圾內(nèi)表面的雜質(zhì) 管 直徑 300mm 或 400mm 因此 在本 文中 通過(guò)使用 TRIZ 俄語(yǔ)縮寫中的問(wèn)題解決的發(fā)明理論 我們提出了一種 GACF 的管道內(nèi)清潔機(jī)器人 其具有 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi) 表面使用氣動(dòng)壓力 不是彈簧 所提出的用于 GACF 的 管道內(nèi)清潔機(jī)器人本身 可以具有向前 向后移動(dòng)以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn) 機(jī)器人本體應(yīng)具有適合直徑 為 300mm 的較小管道的有限尺寸 另外 對(duì)于直徑為 400mm 的管道 機(jī)器人 的連桿應(yīng)通過(guò)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑 基于這種概念 設(shè)計(jì) 我們與韓國(guó) Robot Valley 公司的現(xiàn)場(chǎng)工 程師合作 建立了機(jī)器人的初始設(shè)計(jì) 對(duì)于管道內(nèi)清 潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì) 當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合直徑 400mm 的管道時(shí) 使 用 RecurDyn 模擬機(jī)器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力 利用基于實(shí) 驗(yàn)設(shè)計(jì)的 ANSYS Workbench 簡(jiǎn)稱 DOE 模擬了最大沖力對(duì)滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 6 連桿 施加的應(yīng)力 最后確定了最佳尺寸 包括 4 個(gè)連桿的厚度 以便在本文中具有最 佳安全系數(shù) 2 并且具有 4 個(gè)連桿的最小質(zhì)量 經(jīng)驗(yàn)證 與機(jī)器人谷公司專家進(jìn) 行的初步設(shè)計(jì)相比 4 連桿的最佳設(shè)計(jì)具有接 近 2 的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量 為 4 連桿 管內(nèi)原型清潔 機(jī)器人包括具有這些最佳尺寸的 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 已經(jīng) 與 Robot Valley Inc 合作開發(fā)了清潔測(cè)試 為了進(jìn)一步研究這個(gè)原型 現(xiàn)有的 清潔工具需要重新設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單有效的類型 因?yàn)槠浞此⒌膹?fù)雜機(jī)理