履带式自动行走管道机器人结构设计-吸尘除尘【三维Solidworks模型】【含16张CAD图纸】
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管道清洗机器人的优化机构设计摘要：最近，由于垃圾自动收集设施（即GACF）被广泛安装在韩国首尔大都市区，因此对管道中可用的清洁机器人（称为管道内清洁机器人）的兴趣正在增加。到目前为止，关于管道内机器人的研究一直专注于检查而不是清洁。在GACF中，当垃圾移动时，我们必须去除粘在管道内表面上的杂质（直径：300mm或400mm）。因此，在本文中，通过使用TRIZ（俄语缩写中的问题解决的发明理论），我们将提出一种GACF的管道内清洁机器人，其具有6连杆滑动机构，可以调节以适合管道的内表面使用气动压力（不是弹簧）。所提出的用于GACF的管道内清洁机器人本身可以具有向前/向后移动以及刷子在清洁中的旋转。机器人本体应具有适合直径为300mm的较小管道的有限尺寸。另外，对于直径为400mm的管道，机器人的连杆应通过滑动机构伸展以适应管道的直径。基于使用TRIZ的概念设计，我们将与韩国Robot Valley公司的现场工程师合作，建立机器人的初始设计。对于管内清洗机器人的优化设计，利用机器人与管道内表面碰撞的最大冲击力进行模拟。当滑动机构的链接被拉伸以适合时，RecurDyn进入400毫米直径的管道。利用基于实验设计的ANSYSWorkbench（简称DOE），模拟最大冲击力对滑动机构6连杆施加的应力。最后，将确定最佳尺寸，包括4个连杆的厚度，以便在本文中具有最佳安全系数2，并且具有4个连杆的最小质量。它将被验证与Robot Valley，Inc。专家的初步设计相比，4连杆的最佳设计具有接近2的最佳安全系数以及最小质量的4个连杆。此外，管道内清洁机器人的原型将进一步研究说明。关键词：管道内清洁机器人，6连杆滑动机构，TRIZ，优化设计，RecurDyn，实验设计（DOE），ANSYSWorkbench1引言最近，由于垃圾自动收集设施（即GACF）被广泛安装在韩国首尔大都市区，因此对管道中可操作的清洁机器人（我们将此称之为机器人管道清洁机器人）的兴趣正在增加。 尽管根据调查，韩国GACF处于初始阶段，但据报道，通过解决现有手动拾取方式导致的环境问题（包括公寓之美），居民满意度较高。 然而，GACF仍然存在设备安装费用昂贵，运营费用高，食物垃圾收集率和回收率下降等问题。这意味着GACF需要提高稳定运行的技术技能。到目前为止，韩国垃圾收集的方式如下; 当我们把垃圾放在塑料袋里并放在某个地方时，一辆皮卡车会绕过那个区域并捡起垃圾。 通常垃圾暴露在道路上，而狗，猫或老鼠等通常会损坏垃圾袋。 因此，城市的美丽可能会受到破坏，特别是在夏天。 此外，垃圾袋会导致苍蝇或有害昆虫的恶臭。 因此，这种垃圾处理系统可以归结为不卫生。与目前韩国垃圾处理和拾取系统的这种不方便且不卫生的方式相比，GACF具有定期安装的仅垃圾槽。 在GACF中，管道在地下构建，使用户能够扔垃圾袋。 将垃圾暂时存放在插槽的底部后，将其连接到与管道连接的存储区域。 因此，GACF不需要任何人力来拾取垃圾，并且进一步是环境友好的系统，垃圾不会暴露在外面。与现有的人力和车辆接送方式相比，GACF拥有一个中央收集的设施，在地下建造的管道中提供约6070km / h的高速运行空气。 GACF可以根据垃圾的类型（易燃或不易燃）将垃圾放入垃圾焚烧炉。 加工后的垃圾可以运到集装箱车辆的最终处置场地。图1显示了GACF的关键图。 图1 GACF的关键图如上所述，GACF可以快速收集生活垃圾。 此外，GACF可以将生活垃圾运送到最终处置场所，即垃圾焚烧炉。 具体而言，当居民将家庭垃圾扔进GACF的输入槽时，垃圾通过与收集场地相连的管道运输。 在收集的场地，GACF操作一个与管道连接的鼓风机，并从进气口吸入空气，如图1所示。 此时，根据气流，GACF收集生活垃圾。 为了长期稳定地维护GACF，管道内清洁很重要。 在不久的将来，需要开发一种具有自动运动的管道内清洁机器人，以使管道清洁。 管道清洗机器人的使用可以使管道老化延迟，从而可以降低管道更换成本。到目前为止，关于管道内机器人的研究一直专注于检查而不是清洁。 例如，Roh等人。 开发了一种用于地下燃气管道的差动驱动管道内检测机器人。 此外，Choi等人。开发了一种管内检查/清洁机器人，它可以通过使用带弹簧的轮子粘在管道的内表面上，如图2所示。这种机器人有一个严重的缺点，即机器人可以与 当一个轮子在管道的分支点处无效时，管道的内表面。图2管道内检查/清洁机器人（Choi等人）在GACF中，当垃圾移动时，我们必须去除粘在管道内表面上的杂质（直径：300mm或400mm）。 因此，在本文中，我们将开发一种GACF管道内清洁机器人，其滑动机构可以通过气动压力（不是弹簧）调节到适合管道内表面。 所提出的用于GACF的管道内清洁机器人本身可以具有向前/向后移动以及清洁时刷子的旋转。 机器人本体应具有适合直径为300mm的较小管道的有限尺寸。 另外，对于直径为400mm的管道，机器人的连杆应通过滑动机构伸展以适应管道的直径。 机器人前部有一个摄像头和一个旋转刷，可同时进行清洁和检查。 此外，它可以通过使两个刷子彼此反向旋转来提高清洁效率。本文的结构如下。第二节通过使用TRIZ（俄语缩写中的问题解决的发明理论）解释了所提出的管道内清洁机器人的概念设计。基于这种概念设计，我们将与韩国Robot Valley公司的现场工程师合作，建立机器人的初始设计。对于管道内清洁机器人的优化设计，在第三节中，当滑动机构的连杆拉伸到400mm时，使用RecurDyn模拟机器人与管道内表面之间的最大碰撞冲击力。管道直径。在第四节中，通过使用ANSYSWorkbench基于最大冲击力对滑动机构的6个连杆施加的应力进行模拟。实验设计（简称DOE）。最后，将确定最佳尺寸，包括4个连杆的厚度，以便在本文中具有最佳安全系数2，并且具有4个连杆的最小质量。第五节将得出结论。2.基于TRIZ的管道清洗机器人的基本设计提出的管道内清洁的概念设计机器人使用TRIZ的6SC执行如下：A.（6SC的第1步）图片中的问题陈述图3显示了管道内清洁机器人的简单设计。 问题是机器人无法装入直径为300mm / 400mm的管道，因为根据两种类型的管道（直径为300mm或400mm），它没有任何可变机构。图3管内清洁机器人的简单设计B.（6SC的第2步）系统功能分析为了解决上面提出的问题，我们首先进行系统功能分析，如图4所示在目标上，机器人应设计成适合两种类型的管道（直径300毫米或400毫米）。 在该图中，保持机器人的直径意味着保持机器人的状态适合管道。图4系统功能分析C.（6SC的第3步）理想的最终结果（IFR）作为IFR，我们建议将机器人设计成适合较小直径（即300mm）的管子，然后以可伸缩的形式装入较大直径（即400mm）。D.（6SC的第4步）矛盾和分离原则下面的句子可以表示矛盾：“两个机器人体应分别设计成适合两种类型的管子（直径300mm或400mm）。 并且，机器人应该被设计成一个整体。“为了找到矛盾问题的解决方案，我们在下面的句子中应用分离原则：”两种管道的每个机器人体分别设计，然后是两个机器人体 被放在一个机器人身上。E.（6SC的第5步）元素 - 相互作用分析图5显示了元素 - 交互分析。 在这个问题中，元素是“机器人的身体”和“管的直径”。这个图表明机器人的身体设计成适合两个标准直径（300毫米和400毫米）的管道作为可变机构。图5元素相互作用分析F.（6SC的第6步）问题解决和评估问题的暂定解决方案可以如下：对于两种类型的标准化管道（300mm或400mm），机器人的直径需要是可变的。 如图6所示，本文提出的最终问题解决方案是6连杆滑动机构，以适应直径为300mm / 400mm的管道。 特别地，在该解决方案中，气动压力用于使滑动机构配合到管的内表面中。 因此，机器人具有三个用于一个滑块的6连杆滑动机构，如图7所示。如该图所示，管内清洁机器人具有总共六个6连杆滑动机构，即前滑块3个，后滑块3个。图6 6连杆滑动机构图7一个滑块的三个6连杆滑动机构该问题解决方案的评估可以如下进行：当三个六连杆机构中的一个落入管道的分支点时，使用气动压力的六连杆滑动机构可以通过保持机器人的直径来逃离分支点（在其他 单词，机器人的状态适合管道，并且可以稳定地移动，因为可以固定三个6连杆机构中的两个，如图8所示。图8使用分支点处的气动压力评估6连杆滑动机构3.使用RECURDYN进行动态模拟基于第二节中介绍的管道内清洁机器人的概念设计，图9中提出了使用气动压力的六连杆滑动机构的初始设计，与韩国Robot Valley公司合作。 特别是表1显示了链路1至4的初始设计的长度和厚度，这些设计来自机器人谷的设计专家的经验知识。 对于管道清洗机器人的最佳设计，最大冲击冲击力通过使用RecurDyn（多体动力学）在本节中模拟机器人与管道内表面之间的关系模拟程序）当滑动机构的连杆伸展到适合管道直径400mm时。 特别是选择直径为400mm的管道而不是300mm直径的管道，因为假设前者具有比后者更大的加速度和更长的位移。图9采用气动压力的六连杆滑动机构表格1链接的初始设计Links1234Length (mm)919137145Thickness (mm)105510当6连杆滑动机构与初始拉伸表1的长度尺寸和厚度由于气动，适合400毫米直径的管道它会碰撞压力（推动滑动连杆，即连杆5）与管道的内壁。 那个时候，多体动态模拟程序，即RecurDyn用于查找机器人之间碰撞的最大冲击力和管道的内表面。 在这个动态的第一步仿真，6连杆滑动的三维建模使用SolidWorks的机制（如图9所示）是导入RecurDyn。在此模拟中使用的约束条件RecurDyn是重力，关节，固定状态，接触和弹簧力条件。 重力由g = 9.81m / s2提供在图10所示的方向上，设置6个接头RecurDyn中的Revolute Joints，如图10所示连接到接头1的部分是固定的，而下部是固定的连接到第2关节不需要约束，以便它可以滑动。图10关节和固定状态的约束机器人六个6连杆滑动机构的碰撞管道内表面只有一个六连杆滑动机构为方便起见，在RecurDyn中考虑过。 2个6连杆轮滑动机构由内部“固体接触”给出侧面如图11所示。另外，固体接触条件是针对固定部件的碰撞而给出的（与接头1连接）与滑动部分（连接到接头2）。图11接触约束6连杆机构的滑动运动由气动压力。 但没有气动压力RecurDyn计划中的约束。 在这个模拟中，我们已赋予弹簧力气动压力。 的情况下气动压力，6连杆机构滑动加速度为2 m / s2。 通过动态模拟RecurDyn如图12所示，弹簧力条件弹簧常数为5 N / mm，弹簧位移为40 mm使6连杆机构以1.97m / s2加速度滑动。因此，气动压力可以用弹簧力代替常数5 N / mm，位移40 mm。图12弹簧力条件图13显示了当6连杆滑动机构与管道内侧（直径400 mm）碰撞时使用RecurDyn模拟的冲击力。 如该图所示，机构滑动1秒钟（从弹簧力条件起作用的瞬间）。 然后我们可以看到最大冲击力约为100N。图13使用RecurDyn的冲击力仿真结果4. 6连杆滑动机构的优化设计现在我们处理6连杆滑动的最佳设计本节中的管道内清洁机器人的机构。 首先，最大冲击力，即通过前一节中使用RecurDyn的动态模拟获得的100N，加载到6轮链滑动机构的车轮1的点上，如图14所示（3-D模型） ANSYSWorkbench）。 我们假设车轮1在动态模拟中比车轮2更早地与管道内侧发生碰撞，因为车轮1与6车道机构的距离比车轮2短。然后使用ANSYSWorkbench进行静态分析基于DOE（ 也就是说，实验设计）以获得4个设计变量的最佳尺寸，即如图15所示的4个链节的厚度。图14ANSYSWorkbench的三维模型图15 6连杆滑动机构（俯视图）DOE通常用于通过对给定设计（或性能测试）问题执行最小模拟（或实验）来提取最大信息。 DOE可以帮助确定定量关于问题中每个设计（或实验）因素（或变量）的影响。 这导致找到设计（或实验）变量的最佳值。 在6连杆机构的设计中，设计变量的数量（统计术语中的控制因子）是表4中所示的四个等级中的四个。表2显示了机器人谷的现场工程师的设计经验所产生的每个因素的水平。 对于这种6链路机制，四级四设计变量的正交阵列（L16）是使用DOE（特别是MINITAB）而不是全256（44）生成的。表2设计变量的水平LevelFactor1234Link1 Thickness(mm)51038Link2 Thickness(mm)51038Link3 Thickness(mm)51038Link4 Thickness(mm)51038基于表3的正交阵列（L16），使用ANSYSWorkbench对6连杆滑动机构进行16次静态分析。 4个设计变量的最优值可根据以下标准选择：（1）6连杆滑动机构的安全系数应高达2（现场工程师在机器人设计中建议最佳安全系数为2） ），（2）应尽量减少机构的质量。 可以以与多目标问题类似的方式指定标准。 因此，该多目标标准由等式（1）给出。这里sf1和sf2表示缩放因子。而且，w1和w2是加权因子。根据等式（1）选择适当的重量和比例因子值。由于多目标标准必须是线性组合函数，因此0.5的值已分配给w1和w2。同时，sf1和sf2的常数分别由0.5和0.5给出，以便将客观标准的最大值的上限值设置为1.根据DOE，进行了16次分析。图16显示了使用ANSYSWorkbench通过静态分析执行的16个结果。因此，与其他15组设计变量相比，表3的最后一列显示了红色下划线的最优（对应于目标函数的最小值）设计变量。因此，链路1,2,3和4的最佳厚度均为5mm，而链路1,2,3和4的初始厚度分别为10mm，5mm，5mm，10mm，如表1所示。可以注意到，最优设计（或最佳厚度）具有目标函数的值（即0.09653），包括安全系数2.7065和质量0.145kg，远小于初始设计的情况，目标值（即0.27631）功能包括安全系数3.6751和初始质量0.241kg的情况，如表3中的第17行（下划线为蓝色）所示。特别是链节的材料是经过特殊热处理的AL 7075-O（ss）。因此，我们可以得出结论，与Robot Valley，Inc。的专家进行的初始设计相比，4个链路的最佳设计具有接近2的最佳安全系数以及具有4个链路的最小质量。 - 包括具有这些最佳尺寸的6连杆滑动机构的管道清洁机器人如图17所示。该原型机与Robot Valley，Inc。合作进行清洁测试。表3正交阵列图16使用ANSYSWorkbench进行静态分析的结果之一图17管内清洗机器人的原型，包括最佳尺寸的六连杆滑动机构5. 结论最近，由于垃圾自动
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