管道爬行器的研究与设计-轮式管道爬行机器人设计【三维SW
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管道清洗机器人的优化机构设计 摘要：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：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） ，ANSYSWorkbench 1 1 引言引言 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。 图图 1 GACF 的关键图的关键图 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。 图图 2 管道内检查管道内检查/清洁机器人（清洁机器人（Choi 等人）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.基于基于 TRIZ 的管道清洗机器人的基本设计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。 图图 3 管内清洁机器人的简单设计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。 图图 4 系统功能分析系统功能分析 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。 图图 5 元素相互作用分析元素相互作用分析 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。 图图 6 6 连杆滑动连杆滑动机构机构 图图 7 一个滑块的三个一个滑块的三个 6 连杆滑动机构连杆滑动机构 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。 图图 8 使用分支点处的气动使用分支点处的气动压力评估压力评估 6 连杆滑动机构连杆滑动机构 3.使用使用 RECURDYN进行动态模拟进行动态模拟 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。 图图 9 采用气动压力的六连杆滑动机构采用气动压力的六连杆滑动机构 表格表格 1 链接的初始设计链接的初始设计 Links 1 2 3 4 Length (mm) 91 91 37 145 Thickness (mm) 10 5 5 10 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。 图图 10 关节和固定状态的约束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） 。 图图 11 接触约束接触约束 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。 图图 12 弹簧力条件弹簧力条件 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。 图图 13 使用使用 RecurDyn的冲击力仿真结果的冲击力仿真结果 4. 6 连杆滑动机构的优化设计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。 图图 14ANSYSWorkbench 的三维模型的三维模型 图图 15 6 连杆滑动机构（俯视图）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。 表表 2 设计变量的水平设计变量的水平 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。 表表 3 正交阵列正交阵列 图图 16 使用使用 ANSYSWorkbench 进行静态进行静态分析的结果之一分析的结果之一 图图 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管
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