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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(jī)器人的原型將進(jìn)一步研究說明。 關(guān)鍵詞：管道內(nèi)清潔機(jī)器人，6連桿滑動機(jī)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(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(dǎo)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(dāng)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(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(jìn)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(dāng)居民將家庭垃圾扔進(jìn)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(fēng)機(jī)，并從進(jìn)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(hù)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(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)夤艿赖牟顒域?qū)動管道內(nèi)檢測機(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)器人有一個嚴(yán)重的缺點，即機(jī)器人可以與 當(dāng)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(jī)器人（Choi等人） 在GACF中，當(dāng)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(jī)器人，其滑動機(jī)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(jī)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(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，對于直徑為400mm的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過滑動機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑。 機(jī)器人前部有一個攝像頭和一個旋轉(zhuǎn)刷，可同時進(jìn)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(jī)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(jī)器人的初始設(shè)計。對于管道內(nèi)清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計，在第三節(jié)中，當(dāng)滑動機(jī)構(gòu)的連桿拉伸到400mm時，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，通過使用ANSYS?Workbench基于最大沖擊力對滑動機(jī)構(gòu)的6個連桿施加的應(yīng)力進(jìn)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(jī)器人的基本設(shè)計 提出的管道內(nèi)清潔的概念設(shè)計機(jī)器人使用TRIZ的6SC執(zhí)行如下： A.（6SC的第1步）圖片中的問題陳述 圖3顯示了管道內(nèi)清潔機(jī)器人的簡單設(shè)計。 問題是機(jī)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(jī)構(gòu)。 圖3管內(nèi)清潔機(jī)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(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(jī)器人體應(yīng)分別設(shè)計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(yīng)用分離原則：”兩種管道的每個機(jī)器人體分別設(shè)計，然后是兩個機(jī)器人體 被放在一個機(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。 在這個問題中，元素是“機(jī)器人的身體”和“管的直徑”。這個圖表明機(jī)器人的身體設(shè)計成適合兩個標(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(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，本文提出的最終問題解決方案是6連桿滑動機(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，氣動壓力用于使滑動機(jī)構(gòu)配合到管的內(nèi)表面中。 因此，機(jī)器人具有三個用于一個滑塊的6連桿滑動機(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6連桿滑動機(jī)構(gòu)，即前滑塊3個，后滑塊3個。 圖6 6連桿滑動機(jī)構(gòu) 圖7一個滑塊的三個6連桿滑動機(jī)構(gòu) 該問題解決方案的評估可以如下進(jìn)行：當(dāng)三個六連桿機(jī)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(jī)構(gòu)可以通過保持機(jī)器人的直徑來逃離分支點（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，因為可以固定三個6連桿機(jī)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(jī)構(gòu) 3.使用RECURDYN?進(jìn)行動態(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，圖9中提出了使用氣動壓力的六連桿滑動機(jī)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(jī)器人谷的設(shè)計專家的經(jīng)驗知識。 對于管道清洗機(jī)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(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)滑動機(jī)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(jī)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(dāng)6連桿滑動機(jī)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(jī)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(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(jī)器人六個6連桿滑動機(jī)構(gòu)的碰撞管道內(nèi)表面只有一個六連桿滑動機(jī)構(gòu)為方便起見，在RecurDyn?中考慮過。 2個6連桿輪滑動機(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(jī)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(jī)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(jī)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(dāng)6連桿滑動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人的機(jī)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(jī)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(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，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(jī)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(dǎo)致找到設(shè)計（或?qū)嶒灒┳兞康淖罴阎怠?在6連桿機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)選擇：（1）6連桿滑動機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)應(yīng)高達(dá)2（現(xiàn)場工程師在機(jī)器人設(shè)計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，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(yīng)于目標(biāo)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(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(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機(jī)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(jī)器人的興趣正在增加。在GACF中，當(dāng)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(jī)器人，其具有6連桿滑動機(jī)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(jī)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(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，對于直徑為400mm的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過滑動機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)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(jī)器人的初始設(shè)計。對于管道內(nèi)清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計，當(dāng)滑動機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合直徑400mm的管道時，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。 。利用基于實驗設(shè)計的ANSYS?Workbench（簡稱DOE），模擬了最大沖力對滑動機(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(jī)器人谷公司專家進(jìn)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(jī)器人包括具有這些最佳尺寸的6連桿滑動機(jī)構(gòu)，已經(jīng)與Robot Valley，Inc。合作開發(fā)了清潔測試。為了進(jìn)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(fù)雜機(jī)理。 管道清洗機(jī)器人的優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計 摘要：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(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(jī)器人，其具有 6 連桿滑動機(jī)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(jī)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(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，對于直徑為 400mm的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過滑動機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑?；谑褂?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(jī)器人的初始設(shè)計。對于管內(nèi)清洗機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計，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)滑動機(jī)構(gòu)的鏈接被拉伸以適合時，RecurDyn進(jìn)入 400 毫米直徑的管道。利用基于實驗設(shè)計的 ANSYSWorkbench（簡稱 DOE） ，模擬最大沖擊力對滑動機(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(jī)器人的原型將進(jìn)一步研究說明。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：管道內(nèi)清潔機(jī)器人，6 連桿滑動機(jī)構(gòu)，TRIZ，優(yōu)化設(shè)計，RecurDyn，實驗設(shè)計（DOE） ，ANSYSWorkbench 1 1 引言引言 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(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 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(dǎo)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(dāng)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(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(jìn)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 6070km / 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。 圖圖 1 GACF 的關(guān)鍵圖的關(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(dāng)居民將家庭垃圾扔進(jìn) 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(fēng)機(jī)，并從進(jìn)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(hù) 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(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)夤艿赖牟顒域?qū)動管道內(nèi)檢測機(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)器人有一個嚴(yán)重的缺點，即機(jī)器人可以與 當(dāng)一個輪子在管道的分支點處無效時，管道的內(nèi)表面。 圖圖 2 管道內(nèi)檢查管道內(nèi)檢查/清潔機(jī)器人（清潔機(jī)器人（Choi 等人）等人） 在 GACF 中，當(dāng)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(jī)器人， 其滑動機(jī)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(jī)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(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，對于直徑為 400mm 的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過滑動機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑。 機(jī)器人前部有一個攝像頭和一個旋轉(zhuǎn)刷，可同時進(jìn)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(jī)器人的概念設(shè)計。基于這種概念設(shè)計，我們將與韓國 Robot Valley 公司的現(xiàn)場工程師合作，建立機(jī)器人的初始設(shè)計。對于管道內(nèi)清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計，在第三節(jié)中，當(dāng)滑動機(jī)構(gòu)的連桿拉伸到 400mm 時，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，通過使用 ANSYSWorkbench 基于最大沖擊力對滑動機(jī)構(gòu)的 6 個連桿施加的應(yīng)力進(jìn)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.基于基于 TRIZ 的管道清洗機(jī)器人的基本設(shè)計的管道清洗機(jī)器人的基本設(shè)計 提出的管道內(nèi)清潔的概念設(shè)計機(jī)器人使用 TRIZ 的 6SC 執(zhí)行如下： A.（6SC 的第 1 步）圖片中的問題陳述 圖 3 顯示了管道內(nèi)清潔機(jī)器人的簡單設(shè)計。 問題是機(jī)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(jī)構(gòu)。 圖圖 3 管內(nèi)清潔機(jī)器人的簡單設(shè)計管內(nèi)清潔機(jī)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(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。 圖圖 4 系統(tǒng)功能分析系統(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(jī)器人體應(yīng)分別設(shè)計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(yīng)用分離原則：”兩種管道的每個機(jī)器人體分別設(shè)計，然后是兩個機(jī)器人體 被放在一個機(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。 在這個問題中， 元素是“機(jī)器人的身體”和“管的直徑”。這個圖表明機(jī)器人的身體設(shè)計成適合兩個標(biāo)準(zhǔn)直徑（300 毫米和 400毫米）的管道作為可變機(jī)構(gòu)。 圖圖 5 元素相互作用分析元素相互作用分析 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(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，本文提出的最終問題解決方案是 6 連桿滑動機(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，氣動壓力用于使滑動機(jī)構(gòu)配合到管的內(nèi)表面中。 因此，機(jī)器人具有三個用于一個滑塊的 6 連桿滑動機(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 6 連桿滑動機(jī)構(gòu)，即前滑塊 3 個，后滑塊 3 個。 圖圖 6 6 連桿滑動連桿滑動機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu) 圖圖 7 一個滑塊的三個一個滑塊的三個 6 連桿滑動機(jī)構(gòu)連桿滑動機(jī)構(gòu) 該問題解決方案的評估可以如下進(jìn)行： 當(dāng)三個六連桿機(jī)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(jī)構(gòu)可以通過保持機(jī)器人的直徑來逃離分支點（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，因為可以固定三個 6 連桿機(jī)構(gòu)中的兩個，如圖 8 所示。 圖圖 8 使用分支點處的氣動使用分支點處的氣動壓力評估壓力評估 6 連桿滑動機(jī)構(gòu)連桿滑動機(jī)構(gòu) 3.使用使用 RECURDYN進(jìn)行動態(tài)模擬進(jìn)行動態(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， 圖 9 中提出了使用氣動壓力的六連桿滑動機(jī)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(jī)器人谷的設(shè)計專家的經(jīng)驗知識。 對于管道清洗機(jī)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(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)滑動機(jī)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。 圖圖 9 采用氣動壓力的六連桿滑動機(jī)構(gòu)采用氣動壓力的六連桿滑動機(jī)構(gòu) 表格表格 1 鏈接的初始設(shè)計鏈接的初始設(shè)計 Links 1 2 3 4 Length (mm) 91 91 37 145 Thickness (mm) 10 5 5 10 當(dāng) 6 連桿滑動機(jī)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(jī)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(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。 圖圖 10 關(guān)節(jié)和固定狀態(tài)的約束關(guān)節(jié)和固定狀態(tài)的約束 機(jī)器人六個 6 連桿滑動機(jī)構(gòu)的碰撞管道內(nèi)表面只有一個六連桿滑動機(jī)構(gòu)為方便起見，在 RecurDyn中考慮過。 2 個 6 連桿輪滑動機(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） 。 圖圖 11 接觸約束接觸約束 6 連桿機(jī)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(jī)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(jī)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。 圖圖 12 彈簧力條件彈簧力條件 圖 13 顯示了當(dāng) 6 連桿滑動機(jī)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(jī)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。 圖圖 13 使用使用 RecurDyn的沖擊力仿真結(jié)果的沖擊力仿真結(jié)果 4. 6 連桿滑動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計連桿滑動機(jī)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(jī)器人的機(jī)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(jī)構(gòu)的車輪 1 的點上，如圖 14 所示（3-D 模型） ANSYSWorkbench） 。 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(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，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。 圖圖 14ANSYSWorkbench 的三維模型的三維模型 圖圖 15 6 連桿滑動機(jī)構(gòu)（俯視圖）連桿滑動機(jī)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(dǎo)致找到設(shè)計（或?qū)嶒灒┳兞康淖罴阎怠?在 6 連桿機(jī)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(jī)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(jī)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。 表表 2 設(shè)計變量的水平設(shè)計變量的水平 Level Factor 1 2 3 4 Link1 Thickness(mm5 10 3 8 Link2 Thickness(mm5 10 3 8 Link3 Thickness(mm5 10 3 8 Link4 Thickness(mm5 10 3 8 基于表 3 的正交陣列（L16） ，使用 ANSYSWorkbench 對 6 連桿滑動機(jī)構(gòu)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)選擇： （1）6 連桿滑動機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)應(yīng)高達(dá) 2（現(xiàn)場工程師在機(jī)器人設(shè)計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，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(yīng)于目標(biāo)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?？梢宰⒁獾?，最優(yōu)設(shè)計（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(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)行清潔測試。 表表 3 正交陣列正交陣列 圖圖 16 使用使用 ANSYSWorkbench 進(jìn)行靜態(tài)進(jìn)行靜態(tài)分析的結(jié)果之一分析的結(jié)果之一 圖圖 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機(jī)構(gòu)管內(nèi)清洗機(jī)器人的原型，包括最佳尺寸的六連桿滑動機(jī)構(gòu) 5. 結(jié)論結(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(jī)器人的興趣正在增加。在 GACF 中，當(dāng)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(jī)器人，其具有 6 連桿滑動機(jī)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(jī)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(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，對于直徑為 400mm 的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過滑動機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)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(jī)器人的初始設(shè)計。對于管道內(nèi)清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計，當(dāng)滑動機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合直徑 400mm 的管道時，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。 。利用基于實驗設(shè)計的 ANSYSWorkbench（簡稱 DOE） ，模擬了最大沖力對滑動機(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(jī)器人谷公司專家進(jìn)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(jī)器人包括具有這些最佳尺寸的 6 連桿滑動機(jī)構(gòu)，已經(jīng)與 Robot Valley，Inc。合作開發(fā)了清潔測試。為了進(jìn)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(fù)雜機(jī)理。