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1 外 文 翻 譯 畢業(yè)設(shè)計(jì) 題目： 基于 寬窄行分插機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 原文 1： 譯文 1： 電纜攀爬機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)仿真分析 2 電纜攀爬機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)仿真分析 u , i, 要 :本文介紹了一種使用動(dòng)態(tài)分析軟件 立一個(gè)關(guān)于電纜爬墻機(jī)器人引導(dǎo)原理的仿真模型的方法。通過這個(gè)模型和仿真的手段建立許多因素的影響 ,包括操作、姿態(tài)、角度、支撐剛度、預(yù)加載荷、支撐輪子的維度。來得到機(jī)器人的身體在工作狀態(tài)下的抵消補(bǔ)償。文章中的這種方法能夠提供一個(gè)基礎(chǔ)電纜攀爬機(jī)器 人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 : 電纜攀爬機(jī)器人 引導(dǎo)原理 動(dòng)態(tài)仿真 Ⅰ 簡介 電纜機(jī)器人通過沿著承載斜拉橋的電纜爬 ,高電壓線分布 ,桅桿和其他高空電纜 ,它可以執(zhí)行如同缺陷檢測、污垢清洗、自動(dòng)繪畫等 ]3,2,1[ 。和手動(dòng)工作模式相比較 ,這個(gè)由機(jī)器人執(zhí)行的自動(dòng)工作模式不僅能降低操作成本 ,而且能保證工作過程的安全。因此 ,關(guān)于電纜攀爬機(jī)器的人相關(guān)技術(shù)和理論研究在已經(jīng)被全世界許多學(xué)院和最近制定的許多成功的作品廣泛的看重 ]4[ 。通過機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行分類，存在通過輪子支撐的電動(dòng)運(yùn)行機(jī)制，氣動(dòng)蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)，以及液壓驅(qū)動(dòng)等。氣動(dòng)蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)是其中一種廣泛運(yùn)用的模式，因?yàn)樗忻襟w的優(yōu)勢清潔、鎖模力緩沖、負(fù)載自適應(yīng)、和更好的可控制性等優(yōu)勢。 本文介紹了一種氣動(dòng)監(jiān)測和控制機(jī)器人電纜繪畫。該機(jī)器人利用注入的壓縮空氣作為動(dòng)力源，以監(jiān)視和控制功能作為它的工作模式，它可以完成防腐涂料繪畫和電纜表面的顏色裝飾等工作，電纜的直徑在范圍在 60 毫米 到 200 毫米之間，長度在 300米以內(nèi)。由于電纜可能有不同的截面形狀，如圓柱形、平行六個(gè)棱柱、或螺旋六棱柱，機(jī)器人的這種固定和支持引導(dǎo)機(jī)制必須有一定的靈活性，即機(jī)器人有對(duì)直徑變化能力的要求。然而，這種靈活性也必須有限制，如果太大，機(jī)器人的身體和電纜之間的偏心將會(huì)增加，從而會(huì)影響畫的質(zhì)量，甚至可能導(dǎo)致機(jī)器人被阻塞等等。本文論述了對(duì)于機(jī)器人身體偏心的影響因素，例如 ,工作姿態(tài)、支承剛度、支撐車輪大小、預(yù)加載荷等等，并介紹了一些電纜爬墻機(jī)器人設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則。 Ⅱ 電纜機(jī)器人的操作姿勢 在機(jī)器人工作過程中保持身體和 電纜的同心度是很有必要的，否則，工作質(zhì)量3 有可能降低。三個(gè)引導(dǎo)車輪均勻地分布在圓柱的周圍用于保持設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)的同心度。為了適應(yīng)不同電纜的不同截面形狀，三個(gè)引導(dǎo)支持輪，尾部是由三個(gè)薄氣缸驅(qū)動(dòng)，用于夾緊電纜。盡管有電纜形狀的影響，外部工作負(fù)載有可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人身體的偏轉(zhuǎn)和因此帶來受力狀態(tài)的改變。 為了方便分析，并且為了計(jì)算方便，假設(shè)這三個(gè)支撐是彈性的 (見圖 1),定義如下：與電纜相關(guān)的機(jī)器人的身體狀態(tài)命名為工作姿態(tài)；線 通過電纜軸和沿重力方向的線，被作為工作姿態(tài)的參考線；位于電纜頂端的并且最靠近 的支持 輪命名為輪 1； β 角是主截面和參考線之間的夾角，被命名為工作姿態(tài)角；從輪 1 開始，其他兩個(gè)沿逆時(shí)針的支持輪分別被命名為輪 2 和 3。根據(jù)上述的假設(shè)和定義，我們知道機(jī)器人的工作姿態(tài)取決于工作姿態(tài)角，并且這個(gè)角應(yīng)該在關(guān)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)的正負(fù) 60° 范圍之內(nèi)。 圖 1 機(jī)器人的姿態(tài)和其被迫所處的狀態(tài) 4 Ⅲ 機(jī)器人身體補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)仿真 分析電纜機(jī)器人在工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性是非常復(fù)雜的 (參見圖 1)。如圖 1所示，當(dāng)三個(gè)定向輪子的預(yù)加載荷相等并且沒有其他外部負(fù)載作用，機(jī)器人身體的幾何中心和該 電纜的中心是同心的；一旦有外力作用，由于支撐點(diǎn)的彈性特征，機(jī)器人的幾何中心和電纜中心會(huì)產(chǎn)生偏移量，不同的支持輪也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)并且會(huì)導(dǎo)致支持車輪和電纜的接觸點(diǎn)改變，然后動(dòng)態(tài)特性也會(huì)隨著改變。因此，電纜機(jī)器人在工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)機(jī)理模型是一個(gè)時(shí)變模型。與此同時(shí)，在分析過程中也應(yīng)考慮接觸剛度、摩擦特性。因此，簡單的模型并不能滿足對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)的要求，而且傳統(tǒng)的靜態(tài)分析法很難建立和解決以上這種問題并且計(jì)算精度也達(dá)不到要求。本文介紹了一種使用新方法，一種動(dòng)態(tài)仿真軟件，來建立電纜機(jī)器人引導(dǎo)機(jī)制和根據(jù)實(shí)際工 作條件仿真獲得的機(jī)器人身體的不同偏移的動(dòng)態(tài)模型。 為了理論分析和仿真計(jì)算的方便，機(jī)器人引導(dǎo)機(jī)制的物理和幾何參數(shù)定義如下： 機(jī)器人身體的內(nèi)徑 ( L - 引導(dǎo)輪寬度 ( β θ p? Ki(i = 1、 2、 3)支持點(diǎn)的剛度 (N / 引導(dǎo)車輪的曲率半徑 Ni(i = 1、 2、 3)電纜引導(dǎo)輪的支撐力 (N) i = 1、 2、 3)引導(dǎo) 機(jī)械的移動(dòng)部件的摩擦力 (N) i = 1、 2、 3)彈性支承力 (N) Ci(i = 1、 2、 3)集中支持力點(diǎn) 5 B. 力學(xué)仿真建模 模板是用來格式化你的紙和文本風(fēng)格的。所有的邊緣、列寬、行空間、和文本字體都是規(guī)定好的；請(qǐng)不要改變它們。你可能會(huì)注意特點(diǎn)。例如，頭頂邊緣的比例在這模板中超過了一般的模板。這個(gè)測量和其他測量是故意的，使用規(guī)范期待著你的紙作為整個(gè)程序的一個(gè)部分，而不是作為一個(gè)獨(dú)立的文檔。 請(qǐng)不要修改任何當(dāng)前名稱。 世界上目前最權(quán)威的并且是廣泛使用的機(jī)械系統(tǒng)模擬軟件。它的模擬精度和可靠性在同類軟件中是最高的。這意味著這個(gè)軟件，很容易根據(jù)剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)原理建立參數(shù)模型和執(zhí)行模擬計(jì)算 ]6,5[ 。通過 者建立了電纜機(jī)器人引導(dǎo)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型 (顯示在圖 2) ，作出如下假設(shè)： (a) 3D 實(shí) 體模型 (b) 3D 線框模型 圖 2 仿真模型的建模和支撐原理 (1)忽略重力對(duì)于模擬計(jì)算的作用； (2)等效荷載作用于機(jī)器人幾何中心，垂直電纜的軸； (3)電纜是剛體，并且固定在地上。 (4)三個(gè)引導(dǎo)支撐輪的剛度是常數(shù) Ki(i = 1、 2、 3)= K； (5)三個(gè)引導(dǎo)支撐輪的預(yù)加載力相等。 仿真模型是通過 立的，工具欄中的建模工具被用來建造機(jī)器人的身體 (圓柱 )，電纜 (列 )，支持體 (矩形盒 )， 引導(dǎo)滑塊 (列 )，約束工具箱用于施加一些6 對(duì)模擬模型的約束，例如，機(jī)器人身體的移動(dòng)部分和引導(dǎo)部分的作用力；固定電纜和大地之間的約束；引導(dǎo)滑塊和機(jī)器人之間的彈簧力；支撐部分和電纜之間的接觸力，以及作用于機(jī)器人的常力 (一個(gè)等效載荷 )，各種約束力的不同物理參數(shù)設(shè)置如下： (1)身體尺寸： 600 (2)電纜直徑： D =? 200 (3)引導(dǎo)車輪尺寸： L = 80 100 (4)等效負(fù)載： 1000 N； (5)彈簧阻尼系數(shù)： ? = (6)移動(dòng)部分屬性：動(dòng)力因素： 靜力因素 : (7)接觸力類型：接觸剛度 =20000N/ 阻尼系數(shù) = 穿透深度 = (8)表面摩擦：靜態(tài)摩擦系數(shù) = 動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù) = 仿真結(jié)果 基于作用于 機(jī)器人身上的相同的等效載荷的假設(shè)，以及考慮到不同姿態(tài)角、不同的預(yù)加載、不同的彈簧剛度、不同支持塊維度等的影響。這些參數(shù)對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)的影響在給定模型上進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，仿真結(jié)果如圖 3 到圖 5。 (a) 預(yù)加載 =0 的曲線 (b) 預(yù)加載 =200N 的曲線 圖 3 仿真曲線的機(jī)器人身體的偏移量 (當(dāng) K=50n/7 (a) 預(yù)加載 =0 的曲線 (b) 預(yù)加載 =200N 的曲線 圖 4 仿真曲線的機(jī)器人身體的 偏移量 (當(dāng) K=100n/(a) 支持輪寬度 L=120 毫米 ,預(yù)加載 =0 (b) 錐底的支持 ,預(yù)加載 =200N 圖 5仿真曲線的機(jī)器人身體的偏移量在不同支持輪寬度 (當(dāng) K=50n/通過比較這些模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了一些有意義的規(guī)則，這些規(guī)則對(duì)于設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)參數(shù)的確定具有重要的指導(dǎo)意義。 1)由于機(jī)器人身體的對(duì)稱性，正負(fù)姿態(tài)角并不會(huì)影響身體偏移量 (見圖 3所以β角在范圍 0° 到 60° 就足夠研究機(jī)器人身體的動(dòng)態(tài)特性了。 2)當(dāng)支持滑塊的寬度遠(yuǎn)大于 0，如果 β =0， 機(jī)器人身體就會(huì)出現(xiàn)最大的偏移值，如果 β =60° ，機(jī)器人的本體就會(huì)出現(xiàn)最小的偏移值 (見圖 1、圖 2 和圖 3(b) )。兩種不8 同條件下的偏移值存在很大差別。因此，在設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用中保證使機(jī)器人工作在 β =60° 是最好的選擇。 3)當(dāng)支撐點(diǎn)的彈簧剛度適當(dāng)增加時(shí)機(jī)器人身體的偏移值就會(huì)減少 (見圖 1 和圖 2(一個(gè) ), (b) )。但是，如果剛度太大，則機(jī)器人跨過障礙物的能力就會(huì)減小。 4)如果支撐部分能加上一個(gè)合適的預(yù)加載荷則機(jī)器人身體的偏移值可以減少 (見圖 1 和圖 2(一個(gè) ), (b) )。但預(yù)加載荷的增加受到結(jié)構(gòu)尺寸的限制，并 且無限的增長預(yù)加載荷也會(huì)減少機(jī)器人通過障礙物的能力。 5)通過增加支撐輪和電纜之間所夾 θ 角 (或增加滑塊寬度 )，機(jī)器人身體的偏移值也會(huì)大大減少 (請(qǐng)參見圖 1(a)和圖 3(a)。因此引導(dǎo)支撐輪的寬度應(yīng)該盡可能的寬，支持輪的曲面和電纜的表面應(yīng)盡可能的合適 ()，即角 θ 應(yīng)該增加。 6)如果支撐滑塊的末端是圓錐則以上提到的規(guī)則是不適用的 (見圖 5(b) )。但這種情況在實(shí)踐中是不可能的。 Ⅳ 結(jié)論 通過動(dòng)態(tài)模擬和分析機(jī)器人 身體的引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，姿態(tài)角、支持剛度、預(yù)加載荷和支持輪的尺寸對(duì)于機(jī)器人身體偏移的影響被精確的計(jì)算。通過仿真得到的曲線有展示了機(jī)器人真正的動(dòng)態(tài)性能，和一些結(jié)論，對(duì)于實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)是非常有用的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了這些規(guī)則對(duì)于指導(dǎo)機(jī)器人的實(shí)際設(shè)計(jì)是重要的。 9 參考文獻(xiàn)： [1] [J]. 2):1348~1351 [2] J]. ):360~362 [3] on [J]. 2001.(1):47~48 [4] [J]. 1999(2):25~26 [5] i, s [J]. 2002(4):21~22 [6] ? 1997(3):16~19