喜歡這套資料就充值下載吧。資源目錄里展示的都可在線預覽哦。下載后都有，請放心下載，文件全都包含在內(nèi)，有疑問咨詢QQ:414951605 或 1304139763 管道清洗機器人的優(yōu)化機構設計 摘要：摘要：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，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。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?；谑褂?TRIZ的概念設計，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計。對于管內(nèi)清洗機器人的優(yōu)化設計，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。利用基于實驗設計的 ANSYSWorkbench（簡稱 DOE） ，模擬最大沖擊力對滑動機構 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。專家的初步設計相比，4 連桿的最佳設計具有接近 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。 關鍵詞：關鍵詞：管道內(nèi)清潔機器人，6 連桿滑動機構，TRIZ，優(yōu)化設計，RecurDyn，實驗設計（DOE） ，ANSYSWorkbench 1 1 引言引言 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(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 的關鍵圖。 圖圖 1 GACF 的關鍵圖的關鍵圖 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(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。 圖圖 2 管道內(nèi)檢查管道內(nèi)檢查/清潔機器人（清潔機器人（Choi 等人）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。 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(nèi)清潔機器人的概念設計?；谶@種概念設計，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計。對于管道內(nèi)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(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(shù) 2，并且具有 4 個連桿的最小質(zhì)量。第五節(jié)將得出結論。 2.基于基于 TRIZ 的管道清洗機器人的基本設計的管道清洗機器人的基本設計 提出的管道內(nèi)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(nèi)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(jù)兩種類型的管道（直徑為 300mm 或 400mm） ，它沒有任何可變機構。 圖圖 3 管內(nèi)清潔機器人的簡單設計管內(nèi)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?！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(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，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，即前滑塊 3 個，后滑塊 3 個。 圖圖 6 6 連桿滑動連桿滑動機構機構 圖圖 7 一個滑塊的三個一個滑塊的三個 6 連桿滑動機構連桿滑動機構 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 連桿滑動機構連桿滑動機構 3.使用使用 RECURDYN進行動態(tài)模擬進行動態(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(jīng)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(nèi)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。 圖圖 9 采用氣動壓力的六連桿滑動機構采用氣動壓力的六連桿滑動機構 表格表格 1 鏈接的初始設計鏈接的初始設計 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(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。 圖圖 10 關節(jié)和固定狀態(tài)的約束關節(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(nèi)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(nèi)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） 。 圖圖 11 接觸約束接觸約束 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(shù)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(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 6 連桿滑動機構與管道內(nèi)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。 圖圖 13 使用使用 RecurDyn的沖擊力仿真結果的沖擊力仿真結果 4. 6 連桿滑動機構的優(yōu)化設計連桿滑動機構的優(yōu)化設計 現(xiàn)在我們處理 6 連桿滑動的最佳設計本節(jié)中的管道內(nèi)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） ANSYSWorkbench） 。 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(nèi)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ANSYSWorkbench 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。 圖圖 14ANSYSWorkbench 的三維模型的三維模型 圖圖 15 6 連桿滑動機構（俯視圖）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?qū)嶒灒﹣硖崛∽畲笮畔ⅰ?DOE 可以幫助確定定量關于問題中每個設計（或?qū)嶒灒┮蛩兀ɑ蜃兞浚┑挠绊憽?這導致找到設計（或?qū)嶒灒┳兞康淖罴阎怠?在 6 連桿機構的設計中，設計變量的數(shù)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(xiàn)場工程師的設計經(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 設計變量的水平設計變量的水平 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 連桿滑動機構進行 16 次靜態(tài)分析。 4 個設計變量的最優(yōu)值可根據(jù)以下標準選擇： （1）6 連桿滑動機構的安全系數(shù)應高達 2（現(xiàn)場工程師在機器人設計中建議最佳安全系數(shù)為2） ） ， （2） 應盡量減少機構的質(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置為 1.根據(jù) DOE，進行了 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(shù)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(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(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。 表表 3 正交陣列正交陣列 圖圖 16 使用使用 ANSYSWorkbench 進行靜態(tài)進行靜態(tài)分析的結果之一分析的結果之一 圖圖 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 5. 結論結論 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(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，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。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?；谶@種概念設計，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計。對于管道內(nèi)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(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。 。利用基于實驗設計的 ANSYSWorkbench（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(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計相比，4 連桿的最佳設計具有接近 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，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計成簡單有效的類型，因為其反刷的復雜機理。