管道爬行器的研究與設計-輪式管道爬行機器人設計【三維SW】【含CAD圖紙、文檔所見所得】

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因此對管道中可操作的清潔機器人 我們將此稱之為機器人管道清潔機器人 的 興趣正在增加 盡管根據調查 韓國 GACF 處于初始階段 但據報道 通過解 決現有手動拾取方式導致的環(huán)境問題 包括公寓之美 居民滿意度較高 然而 GACF 仍然存在設備安裝費用昂貴 運營費用高 食物垃圾收集率和回收率下降 等問題 這意味著 GACF 需要提高穩(wěn)定運行的技術技能 到目前為止 韓國垃圾收集的方式如下 當 我們把垃圾放在塑料袋里并放在 某個地方時 一輛皮卡車會繞過那個區(qū)域 并撿起垃圾 通常垃圾暴露在道路上 而狗 貓或老鼠等通常會損壞垃 圾袋 因此 城市的美麗可能會受到破壞 特 別是在夏天 此外 垃圾袋會導致蒼蠅或有害昆蟲的惡臭 因此 這種垃圾處 理系統(tǒng)可以歸結為不衛(wèi)生 與目前韓國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 管道在地下構建 使用戶能夠扔垃圾 袋 將垃圾暫時存放在插槽的底部后 將其連接到與管道連接的存儲區(qū)域 因 此 GACF 不需要任何人力來拾取 垃圾 并且進一步是環(huán)境友好的系統(tǒng) 垃圾不 會暴露在外面 與現有的 人力和車 輛接送方式相比 GACF 擁有一個中央收集的設施 在地 下建造的管道中提供約 60 70km h 的高速運行空氣 GACF 可以根據垃圾的類 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到 集裝箱車 輛的最終處置場地 圖 1 顯示了 GACF 的關鍵圖 圖 1 GACF 的關鍵圖 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 運送到最終處置場所 即垃圾焚燒爐 具體而言 當居民將家庭垃圾扔進 GACF 的輸入槽時 垃圾通過與收集場地相連的管道運輸 在 收集的場地 GACF 操 作一個與管道連接的鼓風機 并從進氣口吸入空氣 如圖 1 所示 此時 根據 氣流 GACF 收集生活垃圾 為了長期穩(wěn)定地維 護 GACF 管道內清潔很重要 在不久的將來 需要開發(fā)一種具有自動運動的管道內清潔機器人 以使管道清潔 管道清洗機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 關于管道內機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)了一種用于地下燃氣管道的差動驅動管道內檢測機器人 此外 Choi 等人 開發(fā)了一種管內檢查 清潔機器人 它可以通過 使用帶彈簧的輪子粘 在管道的內表面上 如圖 2 所示 這種機器人有一個嚴重的缺點 即機器人可以 與 當一個輪子在管道的分支點處無效時 管道的內表面 圖 2 管道內檢查 清潔機器人 Choi 等人 在 GACF 中 當垃圾移動時 我們必須去除粘在管道內表面上的雜質 直 徑 300mm 或 400mm 因此 在本文中 我們將 開發(fā)一種 GACF 管道內清潔 機器人 其滑動機構可以通過氣動壓力 不是彈簧 調節(jié)到適合管道內表面 所 提出的用于 GACF 的管道內清潔機器人本身可以具有向前 向后移動以及清潔時 刷子的旋轉 機器人本體應具有適合直徑為 300mm 的較小管道的有限尺寸 另 外 對于直徑為 400mm 的管道 機器人的連桿應通過滑動機構伸展以適應管道 的直徑 機器人前部有一個 攝像頭和一個旋轉刷 可同時進行清潔和檢查 此 外 它可以通過使兩個刷子彼此反向旋轉來提高清潔效率 本文的結構如下 第二節(jié)通過使用 TRIZ 俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理 論 解釋了所提出 的管道內清潔機器人的概念設計 基于這種概念設計 我們將 與韓國 Robot Valley 公司的現場工程師合作 建立機器人的初始設計 對于管道 內清潔機器人的優(yōu)化設計 在第 三節(jié)中 當滑動機構的連桿拉伸到 400mm 時 使用 RecurDyn 模擬機器人與管道內表面之間的最大碰撞沖擊力 管道直徑 在第四節(jié)中 通過使用 ANSYS Workbench 基于最大沖擊力對滑動機構的 6 個 連桿施加的應力進行模擬 實驗設計 簡稱 DOE 最后 將確定最佳尺寸 包 括 4 個連桿的厚度 以便在本文中具有最佳安全系數 2 并且具有 4 個連桿的最 小質量 第五節(jié)將得出結論 2 基于 TRIZ 的管道清洗機器人的基本設計 提出的管道內清潔的概念設計機器人使用 TRIZ 的 6SC 執(zhí)行如下 A 6SC 的第 1 步 圖片中的問題 陳述 圖 3 顯示了管道內清潔機器人的簡單設計 問題是機器人無法裝入直徑為 300mm 400mm 的管道 因為根據兩種類型的管道 直徑為 300mm 或 400mm 它沒有任何可變機構 圖 3 管內清潔機器人的簡單設計 B 6SC 的第 2 步 系統(tǒng)功能分析 為了解決上面提出的問題 我們首先進行系統(tǒng)功能分析 如圖 4 所示 在目標上 機器人應設計成適合兩種類型的管道 直徑 300毫米或 400毫米 在該圖中 保持機器人的直徑意味著保持機器人的狀態(tài)適合管道 圖 4 系統(tǒng)功能分析 C 6SC 的第 3 步 理想的最終結果 IFR 作為 IFR 我們建議將機器人設計成適合較小直徑 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 兩個機器人體應分別設計成適合兩種類型的管 子 直徑 300mm 或 400mm 并且 機器人應該被設計成一個整體 為了找 到矛盾問題的解決方案 我們在下面的句子中應用分離原則 兩種管道的每個 機器人體分別設計 然后是兩個機器人體 被放在一個機器人身上 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 在這個問題中 元素是 機器人的身體 和 管 的直徑 這個圖表明機器人的身體設計成適合兩個標準直徑 300 毫米和 400 毫米 的管道作為可變機構 圖 5 元素相互作用分析 F 6SC 的第 6 步 問題解決和評估 問題的暫定解決方案可以如下 對于兩種類型的標準化管道 300mm 或 400mm 機器人的直徑需要是可變的 如圖 6 所示 本文提出的最終問題解決 方案是 6 連桿滑動機構 以適應直徑為 300mm 400mm 的管道 特別地 在該 解決方案中 氣動壓力用于使滑動機構配合到管的內 表面中 因此 機器人具 有三個用于一個滑塊的 6 連桿滑動機構 如圖 7 所示 如該圖所示 管內清潔機 器人具有總共六個 6 連桿滑動機構 即前滑塊 3 個 后滑塊 3 個 圖 6 6 連桿滑動 機構 圖 7 一個滑塊的三個 6 連桿滑動機構 該問題解決方案的評估可以如下進行 當三個六連桿機構中的一個落入管道 的分支點時 使用氣動壓力的六連桿滑動機構可以通過保持機器人的直徑來逃離 分支點 在其他 單詞 機器人的狀態(tài)適合管道 并且可以穩(wěn)定地移動 因為可 以固定三個 6 連桿機構中的兩個 如圖 8 所示 圖 8 使用分支點處的氣動 壓力評估 6 連桿滑動機構 3 使用 RECURDYN 進行動態(tài)模擬 基于第二節(jié)中介紹的管道內清潔機器人的概念設計 圖 9 中提出了使用氣動 壓力的六連桿滑動機構的初始設計 與韓國 Robot Valley 公司合作 特別是表 1 顯示了鏈路 1 至 4 的初始設計的長度和厚度 這些設計來自機器人谷的設計專家 的經驗知識 對于管道清洗機器人的最佳設計 最大沖擊沖擊力 通過使用 RecurDyn 多體動力學 在本節(jié)中模擬機器人與管道內表面之間的關系 模擬程 序 當滑動機構的連桿伸展到適合管道直徑 400mm 時 特別是選擇 直徑為 400mm 的管道而不是 300mm 直徑的管道 因為假設前者具有比后者更大的加速 度和更長的位移 圖 9 采用氣動壓力的六連桿滑動機構 表格 1 鏈接的初始設計 Links 1 2 3 4 Length mm 91 91 37 145 Thickness mm 10 5 5 10 當 6 連桿滑動機構與初始 拉伸表 1 的長度尺寸和厚度 由于氣動 適合 400 毫米直徑的管道 它會碰撞壓力 推動滑動連桿 即連桿 5 與管道的內壁 那 個時候 多體 動態(tài)模擬程序 即 RecurDyn 用于查找 機器人之間碰撞的 最大沖 擊力和管道的內表面 在這個動態(tài)的第一步 仿真 6 連桿滑動的三維建模 使用 SolidWorks 的機制 如圖 9 所示 是 導入 RecurDyn 在此模擬中使用的約束條件 RecurDyn 是重力 關節(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 設置 6 個接頭 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 關節(jié)不需要約束 以便它可以滑動 圖 10 關節(jié)和固定狀態(tài)的約束 機器人六個 6 連 桿滑動機構的碰撞 管道內表面只有一個六連桿滑動機構為 方便起見 在 RecurDyn 中考慮過 2 個 6 連桿輪 滑動機構由內部 固體接觸 給出側面如圖 11 所示 另外 固體接觸 條件是針對固定部件的碰撞而給出的 與 接頭 1 連接 與滑動部分 連接到接頭 2 圖 11 接觸約束 6 連桿機構的滑動運動由 氣動壓力 但沒有氣動壓力 RecurDyn 計劃中的 約束 在這個模擬中 我們 已賦予彈簧力氣動壓力 的情況下 氣動壓力 6 連 桿機構滑動 加速度為 2 m s2 通過動態(tài)模擬 RecurDyn 如圖 12 所示 彈簧力 條 件 彈簧常數為 5 N mm 彈簧位移為 40 mm 使 6 連桿機構以 1 97m s2 加速度 滑動 因此 氣動壓力可以用彈簧力代替常數 5 N mm 位移 40 mm 圖 12 彈簧力條件 圖 13 顯示了當 6 連桿滑動機構與管道內側 直徑 400 mm 碰撞時使用 RecurDyn 模擬的沖擊力 如該圖所示 機構滑動 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 的沖擊力仿真結果 4 6 連桿滑動機構的優(yōu)化設計 現在 我們處理 6 連桿滑動的最佳設計 本節(jié)中的管道內清潔機器人的機構 首先 最大沖擊力 即通過前一節(jié)中使用 RecurDyn 的動態(tài)模擬獲得的 100N 加載到 6 輪鏈滑動機構的車輪 1 的點上 如圖 14 所示 3 D 模型 ANSYS Workbench 我們假設車輪 1 在動態(tài)模擬中比車輪 2 更早地與管道內 側發(fā)生碰撞 因為車輪 1 與 6 車道機構的距離比車輪 2 短 然后使用 ANSYS Workbench 進行靜態(tài)分析基于 DOE 也就是說 實驗設計 以獲得 4 個設計變量的最佳尺寸 即如圖 15 所示的 4 個鏈節(jié)的厚 度 圖 14ANSYS Workbench 的三維模型 圖 15 6 連桿滑動機構 俯視圖 DOE 通常用于通過對給定設計 或性能測試 問題執(zhí)行最小模擬 或實驗 來提取最大信息 DOE 可以幫助確定定量 關于問題中每個設計 或實驗 因素 或變量 的影響 這導致找到設計 或實驗 變量的最佳值 在 6 連桿機構 的設計中 設計變量的數量 統(tǒng)計術語中的控制因子 是表 4 中所示的四個等級 中的四個 表 2 顯示了機器人谷的現場工程師的設計經驗所產生的每個因素的水 平 對于這種 6 鏈路機制 四級四設計變量的正交陣列 L16 是使 用 DOE 特 別是 MINITAB 而不是全 256 44 生成的 表 2 設計變量的水平 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 6 連桿滑動機構 進行 16 次靜態(tài)分析 4 個設計變量的最優(yōu)值可根據以下標準選擇 1 6 連桿 滑動機構的安全系數應高達 2 現場工程師在機器人設計中建議最佳安全系數為 2 2 應盡量減少機構的質量 可以以與多目標問題類似的方式指定標準 因此 該多目標標準由等式 1 給出 這里 sf1 和 sf2 表示縮放因子 而且 w1 和 w2 是加權因子 根據等式 1 選擇適當的重量和比例因子值 由于多目標標準必須是線性組合函數 因此 0 5 的值已分配給 w1 和 w2 同時 sf1 和 sf2 的常數分別由 0 5 和 0 5 給出 以便將 客觀標準的最大值的上限值設置為 1 根據 DOE 進行了 16 次分析 圖 16 顯示 了 使用 ANSYS Workbench 通過靜態(tài)分析執(zhí)行的 16 個結果 因此 與其他 15 組設計變量相比 表 3 的最后一列顯示了紅色下劃線的最優(yōu) 對應于目標函數的 最小值 設計變量 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)設計 或最佳厚度 具有目標函數的值 即 0 09653 包括安全系數 2 7065 和質量 0 145kg 遠小于初始設計的情況 目標值 即 0 27631 功能包括安全系 數 3 6751 和初始質量 0 241kg 的情況 如表 3 中的第 17 行 下劃線為藍色 所 示 特別是鏈節(jié)的材料是經過特殊熱處理的 AL 7075 O ss 因此 我們可以 得出結論 與 Robot Valley Inc 的專家進行的初始設計相比 4 個鏈路的最佳 設計具有接近 2 的最佳安全系數以及具有 4 個鏈路的最小質量 包括 具有這 些最佳尺寸的 6 連桿滑動機構的管道清潔機器人如圖 17 所示 該原型機與 Robot Valley Inc 合作進行清潔測試 表 3 正交陣列 圖 16 使用 ANSYS Workbench 進行靜態(tài) 分析的結果之一 圖 17 管內清洗機器人的原型 包括最佳尺寸的六連桿滑動機構 5 結論 最近 由于垃圾自動收集設施 即 GACF 被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū) 因此對管道內清潔機器人的興趣正在增加 在 GACF 中 當垃圾移動時 我們 必須去除粘附在垃圾內表面的雜質 管 直徑 300mm 或 400mm 因此 在本 文中 通過使用 TRIZ 俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理論 我們提出了一種 GACF 的管道內清潔機器人 其具有 6 連桿滑動機構 可以調節(jié)以適合管道的內 表面使用氣動壓力 不是彈簧 所提出的用于 GACF 的 管道內清潔機器人本身 可以具有向前 向后移動以及刷子在清潔中的旋轉 機器人本體應具有適合直徑 為 300mm 的較小管道的有限尺寸 另外 對于直徑為 400mm 的管道 機器人 的連桿應通過滑動機構伸展以適應管道的直徑 基于這種概念 設計 我們與韓國 Robot Valley 公司的現場工 程師合作 建立了機器人的初始設計 對于管道內清 潔機器人的優(yōu)化設計 當滑動機構的連桿伸展到適合直徑 400mm 的管道時 使 用 RecurDyn 模擬機器人與管道內表面之間的最大碰撞沖擊力 利用基于實 驗設計的 ANSYS Workbench 簡稱 DOE 模擬了最大沖力對滑動機構 6 連桿 施加的應力 最后確定了最佳尺寸 包括 4 個連桿的厚度 以便在本文中具有最 佳安全系數 2 并且具有 4 個連桿的最小質量 經驗證 與機器人谷公司專家進 行的初步設計相比 4 連桿的最佳設計具有接 近 2 的最佳安全系數以及最小質量 為 4 連桿 管內原型清潔 機器人包括具有這些最佳尺寸的 6 連桿滑動機構 已經 與 Robot Valley Inc 合作開發(fā)了清潔測試 為了進一步研究這個原型 現有的 清潔工具需要重新設計成簡單有效的類型 因為其反刷的復雜機理