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管道清洗機器人的優(yōu)化機構設計 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 稱為管道內清潔機器人 的興趣正在增加 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 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 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 基于使用 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 對于管內清洗機器人的優(yōu)化設計 利用機器人與管道內表面碰撞的最 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 ANSYS Workbench 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)以及最小質量的 4 個連桿 此外 管道內清潔機器人的原型 將進一步研究說明 關鍵詞 管道內清潔機器人 6 連桿滑動機構 TRIZ 優(yōu)化設計 RecurDyn 實驗設計 DOE ANSYS Workbench 1 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 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(jù) 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(xiàn)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(shù) 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(jù)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(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(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 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(xiàn)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(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 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(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 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(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(xiàn)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(shù) 2 并且具有 4 個連桿的最小質量 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(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