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管道清洗機器人的優(yōu)化機構(gòu)設(shè)計
摘要：最近，由于垃圾自動收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū)，因此對管道中可用的清潔機器人（稱為管道內(nèi)清潔機器人）的興趣正在增加。到目前為止，關(guān)于管道內(nèi)機器人的研究一直專注于檢查而不是清潔。在GACF中，當垃圾移動時，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，通過使用TRIZ（俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理論），我們將提出一種GACF的管道內(nèi)清潔機器人，其具有6連桿滑動機構(gòu)，可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動壓力（不是彈簧）。所提出的用于GACF的管道內(nèi)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(zhuǎn)。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(gòu)伸展以適應管道的直徑。基于使用TRIZ的概念設(shè)計，我們將與韓國Robot Valley公司的現(xiàn)場工程師合作，建立機器人的初始設(shè)計。對于管內(nèi)清洗機器人的優(yōu)化設(shè)計，利用機器人與管道內(nèi)表面碰撞的最大沖擊力進行模擬。當滑動機構(gòu)的鏈接被拉伸以適合時，RecurDyn?進入400毫米直徑的管道。利用基于實驗設(shè)計的ANSYS?Workbench（簡稱DOE），模擬最大沖擊力對滑動機構(gòu)6連桿施加的應力。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(shù)2，并且具有4個連桿的最小質(zhì)量。它將被驗證與Robot Valley，Inc。專家的初步設(shè)計相比，4連桿的最佳設(shè)計具有接近2的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量的4個連桿。此外，管道內(nèi)清潔機器人的原型將進一步研究說明。
關(guān)鍵詞：管道內(nèi)清潔機器人，6連桿滑動機構(gòu)，TRIZ，優(yōu)化設(shè)計，RecurDyn?，實驗設(shè)計（DOE），ANSYS?Workbench
1引言
最近，由于垃圾自動收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū)，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(jù)調(diào)查，韓國GACF處于初始階段，但據(jù)報道，通過解決現(xiàn)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(shè)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(shù)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(jié)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(gòu)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(xiàn)有的人力和車輛接送方式相比，GACF擁有一個中央收集的設(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到集裝箱車輛的最終處置場地。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(jù)氣流，GACF收集生活垃圾。 為了長期穩(wěn)定地維護GACF，管道內(nèi)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(nèi)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(guān)于管道內(nèi)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(qū)動管道內(nèi)檢測機器人。 此外，Choi等人。開發(fā)了一種管內(nèi)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(nèi)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(nèi)表面。
圖2管道內(nèi)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(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)清潔機器人，其滑動機構(gòu)可以通過氣動壓力（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)清潔機器人本身可以具有向前/向后移動以及清潔時刷子的旋轉(zhuǎn)。 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(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)來提高清潔效率。
本文的結(jié)構(gòu)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(nèi)清潔機器人的概念設(shè)計?；谶@種概念設(shè)計，我們將與韓國Robot Valley公司的現(xiàn)場工程師合作，建立機器人的初始設(shè)計。對于管道內(nèi)清潔機器人的優(yōu)化設(shè)計，在第三節(jié)中，當滑動機構(gòu)的連桿拉伸到400mm時，使用RecurDyn?模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。管道直徑。在第四節(jié)中，通過使用ANSYS?Workbench基于最大沖擊力對滑動機構(gòu)的6個連桿施加的應力進行模擬。實驗設(shè)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(shù)2，并且具有4個連桿的最小質(zhì)量。第五節(jié)將得出結(jié)論。
2.基于TRIZ的管道清洗機器人的基本設(shè)計
提出的管道內(nèi)清潔的概念設(shè)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(nèi)清潔機器人的簡單設(shè)計。 問題是機器人無法裝入直徑為300mm / 400mm的管道，因為根據(jù)兩種類型的管道（直徑為300mm或400mm），它沒有任何可變機構(gòu)。
圖3管內(nèi)清潔機器人的簡單設(shè)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(shè)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(jié)果（IFR）
作為IFR，我們建議將機器人設(shè)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(shè)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(shè)計成一個整體?！盀榱苏业矫軉栴}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(shè)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(shè)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(gòu)。
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(gòu)，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(gòu)配合到管的內(nèi)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(gòu)，如圖7所示。如該圖所示，管內(nèi)清潔機器人具有總共六個6連桿滑動機構(gòu)，即前滑塊3個，后滑塊3個。
圖6 6連桿滑動機構(gòu)
圖7一個滑塊的三個6連桿滑動機構(gòu)
該問題解決方案的評估可以如下進行：當三個六連桿機構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)
3.使用RECURDYN?進行動態(tài)模擬
基于第二節(jié)中介紹的管道內(nèi)清潔機器人的概念設(shè)計，圖9中提出了使用氣動壓力的六連桿滑動機構(gòu)的初始設(shè)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(shè)計的長度和厚度，這些設(shè)計來自機器人谷的設(shè)計專家的經(jīng)驗知識。 對于管道清洗機器人的最佳設(shè)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(nèi)表面之間的關(guān)系模擬程序）當滑動機構(gòu)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(shè)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(gòu)
表格1
鏈接的初始設(shè)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(gòu)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(nèi)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(nèi)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(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。
圖10關(guān)節(jié)和固定狀態(tài)的約束
機器人六個6連桿滑動機構(gòu)的碰撞管道內(nèi)表面只有一個六連桿滑動機構(gòu)為方便起見，在RecurDyn?中考慮過。 2個6連桿輪滑動機構(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(gòu)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(gòu)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(shù)為5 N / mm，彈簧位移為40 mm使6連桿機構(gòu)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(shù)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(gòu)與管道內(nèi)側(cè)（直徑400 mm）碰撞時使用RecurDyn?模擬的沖擊力。 如該圖所示，機構(gòu)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(jié)果
4. 6連桿滑動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
現(xiàn)在我們處理6連桿滑動的最佳設(shè)計本節(jié)中的管道內(nèi)清潔機器人的機構(gòu)。 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(gòu)的車輪1的點上，如圖14所示（3-D模型） ANSYS?Workbench）。 我們假設(shè)車輪1在動態(tài)模擬中比車輪2更早地與管道內(nèi)側(cè)發(fā)生碰撞，因為車輪1與6車道機構(gòu)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(shè)計）以獲得4個設(shè)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(gòu)（俯視圖）
DOE通常用于通過對給定設(shè)計（或性能測試）問題執(zhí)行最小模擬（或?qū)嶒灒﹣硖崛∽畲笮畔ⅰ?DOE可以幫助確定定量關(guān)于問題中每個設(shè)計（或?qū)嶒灒┮蛩兀ɑ蜃兞浚┑挠绊憽?這導致找到設(shè)計（或?qū)嶒灒┳兞康淖罴阎怠?在6連桿機構(gòu)的設(shè)計中，設(shè)計變量的數(shù)量（統(tǒng)計術(shù)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(xiàn)場工程師的設(shè)計經(jīng)驗所產(chǎn)生的每個因素的水平。 對于這種6鏈路機制，四級四設(shè)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(shè)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(gòu)進行16次靜態(tài)分析。 4個設(shè)計變量的最優(yōu)值可根據(jù)以下標準選擇：（1）6連桿滑動機構(gòu)的安全系數(shù)應高達2（現(xiàn)場工程師在機器人設(shè)計中建議最佳安全系數(shù)為2） ），（2）應盡量減少機構(gòu)的質(zhì)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(quán)因子。根據(jù)等式（1）選擇適當?shù)闹亓亢捅壤蜃又?。由于多目標標準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，sf1和sf2的常數(shù)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(shè)置為1.根據(jù)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(jié)果。因此，與其他15組設(shè)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(shù)的最小值）設(shè)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(shè)計（或最佳厚度）具有目標函數(shù)的值（即0.09653），包括安全系數(shù)2.7065和質(zhì)量0.145kg，遠小于初始設(shè)計的情況，目標值（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（下劃線為藍色）所示。特別是鏈節(jié)的材料是經(jīng)過特殊熱處理的AL 7075-O（ss）。因此，我們可以得出結(jié)論，與Robot Valley，Inc。的專家進行的初始設(shè)計相比，4個鏈路的最佳設(shè)計具有接近2的最佳安全系數(shù)以及具有4個鏈路的最小質(zhì)量。 - 包括具有這些最佳尺寸的6連桿滑動機構(gòu)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(jié)果之一
圖17管內(nèi)清洗機器人的原型，包括最佳尺寸的六連桿滑動機構(gòu)
5. 結(jié)論
最近，由于垃圾自動收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū)，因此對管道內(nèi)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(nèi)表面的雜質(zhì)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(nèi)清潔機器人，其具有6連桿滑動機構(gòu)，可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動壓力（不是彈簧）。所提出的用于GACF的管道內(nèi)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(zhuǎn)。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(gòu)伸展以適應管道的直徑?；谶@種概念設(shè)計，我們與韓國Robot Valley公司的現(xiàn)場工程師合作，建立了機器人的初始設(shè)計。對于管道內(nèi)清潔機器人的優(yōu)化設(shè)計，當滑動機構(gòu)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(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。 。利用基于實驗設(shè)計的ANSYS?Workbench（簡稱DOE），模擬了最大沖力對滑動機構(gòu)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(shù)2，并且具有4個連桿的最小質(zhì)量。經(jīng)驗證，與機器人谷公司專家進行的初步設(shè)計相比，4連桿的最佳設(shè)計具有接近2的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量為4連桿。管內(nèi)原型清潔機器人包括具有這些最佳尺寸的6連桿滑動機構(gòu)，已經(jīng)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(xiàn)有的清潔工具需要重新設(shè)計成簡單有效的類型，因為其反刷的復雜機理。