中央空调管道清洁机器人的设计及运动仿真三维UG
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中央空调管道清洁机器人的设计及运动仿真三维UG,中央空调,管道,清洁,机器人,设计,运动,仿真,三维,UG
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管道清洁机器人的优化设计管道清洁机器人的优化设计Chang Doo Jung, Won Jee Chung,Jin Su Ahn,Myung Sik Kim，Gi Soo Shin,and Soon Jea Kwon摘要摘要：近日，因为垃圾自动收集设施（即 GACF）广泛被安装在韩国首尔大都市区，对于管道清洁机器人研究的兴趣不断增加。从目前的相关研究看来，对管道机器人的研究一直侧重于检查，而非清洗。在本文中，为了除去 GACF 中被卡在管（300mm 和 400 毫米直径）内表面的杂质，我们将通过使用 TRIZ（发明问题的解决理论）的思想提出六杆滑动机构管内清洗机器人应用于垃圾自动收集设施（GACF）中。该机器人通过启动气动压力方式（非弹簧）调节滑动机构以贴合管的内面。 该管道清洗机器人可以在 GACF 中向前/向后运动并通过刷子地旋转进行清洗。机器人整个主体原则上必须小于管的最小直径 300mm。此外，对于直径为400mm 的管，机器人通过使用 6 杆滑动机构进行调节延伸到管壁并配合上述管的直径。基于使用 TRIZ 的概念设计，通过和韩国的机器人谷公司的现场工程师合作， 我们将建立机器人的初始设计模型。为了进一步对管道清洁机器人进行优化设计， 当滑动机构的滚轮被拉伸以适应到直径 400mm 的管道时，我们将通过使用RecurDyn（由韩国 FunctionBay 公司开发出的新一代多体系统动力学仿真软件 ）模拟机器人和管的内面之间碰撞的最大冲击力。施加在六杆滑动机构上最大冲击力的应力将基于试验设计使用 ANSYS工作台（美国 ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件 ）进行模拟。在本文的最后，为了达到最优的安全系数和最轻量化的机构设计，各个零件的最佳尺寸将被确定。我们将与机器人谷公司专家们的一起完成最终的初步设计， 在理论上使其具备最优的安全系数和轻便性。此外，随着研究的深入管道清洁机器人的原型机也将出现。关键词关键词:管道清洁机器人，6 连杆滑动机制，TRIZ（发明问题的解决理论），优化设计，RecurDyn，试验设计（DOE），ANSYS工作台.引言引言近日，因为垃圾自动收集设施（即 GACF）广泛被安装在韩国首尔大都市区，对于管道清洁机器人的可行性兴趣正在增加。尽管韩国的 GACF 在初始阶段，到目前为止根据调查1（居民满意度据报道），相比于手动的方式，它对环境问题（包括公寓的美丽）的解决还是获得了很高的满意度。然而，GACF 仍然存在不少问题，如昂贵的设备安装费，高额运行费用，较低的食物垃圾回收率等，这意味着我们需要运用科学技术进一步改善和提高 GACF 的稳定运行能力。现阶段韩国普通的垃圾回收方法如下：当我们把垃圾装在塑料袋，将它们放在一个确定的地点，然后一辆垃圾回收车去周围的区域回收垃圾。通常情况下，垃圾暴露在道路上，而且垃圾袋经常会被狗，猫或老鼠等损坏。导致的结果就是破坏城市的美观，尤其是在夏天。此外，该垃圾袋可导致恶臭的苍蝇或有害的昆虫在其中不断滋生。因此可以断定这种垃圾处理方式是不卫生的。与目前韩国的垃圾处置和回收体系这种不方便不卫生的方式比较，GACF 只有一个垃圾槽被安装在固定的间隔位置上。通过 GACF，用户可以向构造在地下的管道扔垃圾袋。 垃圾是在槽的底部暂时存储后通过管道联接被回收到一个存储区域。 因而 GACF 因为不需要任何人力捡垃圾， 并且垃圾也不会暴露在外面。 GACF才真正称得上是环境友好型系统。相比现有拾取方式所采用的人力和车辆运输，GACF 具有一个由 6070 公里每小时高速运转空气的地下管道设施收集中心。 该 GACF 可以把垃圾按照垃圾 （易燃或不可燃）的类型扔进垃圾箱燃烧器。经过处理的生活垃圾可以通过货柜车运送到最终处置场。图 1 示出了 GACF 的关键环节。图 1 GACF 关键环节图如上所述，GACF 可以快捷又干净地收集生活垃圾。此外 GACF 可以运送生活垃圾最终处置场，即垃圾焚烧地。更具体的说，当居民将生活垃圾扔进 GACF 槽的入口时，垃圾通过形成收集网的管道不断输送。在收集网中，GACF 操作连接管道的鼓风机与在空气吸入口的吸气机，如图 1 所示。就这样 GACF 通过空气流动收集生活垃圾。在为了稳定地保持 GACF 长时间的工作，在管内的清洗就显得非常重要了。可以预见在不久的将来，一个全自主的管道清洗智能机器人将被开发出来。管道清洗机器人的使用可以延长管道的寿命，使得管道因老化而更换的成本降低。迄今在管道机器人上的研究一直集中在检查而不是清洗。例如，Roh 等人作品 2先后开发了地下燃气管道的差分驱动管内检测机器人。此外，Choi 等人作品3研究了通过使用轮带弹簧卡在管内表面上行动的管内检测/清洁机器人。（如图 2 所示）但是 Choi 等人的机器人有一个严重的缺点，当一个轮带不能有效支撑在管道上时机器人会从内管道壁分离，这样它的可靠性将大大降低。这也是我们设计的管道机器人成功解决的关键问题之一。图 2 管道检测/清洁机器人（Choi 等人作品）在 GACF 中， 当垃圾移动时， 我们要除去它们粘在管 （直径： 300mm 和 400mm）内表面的杂质。因此，在本文中，我们将开发 GACF 的滑动机构管道清洁机器人，它可以通过使用气压（没有弹簧）合适地调整到管道内面。我们拟议将 GACF 管道清洁机器人设计成可以自主前进/后退并通过刷子的旋转不断清洁。该机器人的身体应该能适合管的最小直径 300mm。另外，对于管的最大直径 400mm，机器人可以通过滑动机构延伸并与管的最大内径面贴合。 通过在该机器人的前端安装照相机和纺丝刷，它可以同时执行清洁和检查的任务。此外，它可以通过两把刷子反方向旋转来提高清洗效率。本文的结构如下。第二节阐述如何利用 TRIZ4对管道清洗机器人进行概念设计。基于此概念设计，我们将与韩国机器人谷公司的工程师一起对机器人进行初始设计。在第三节中，为了进一步对管道清洗机器人设计优化，当滑动机构的杆被拉伸以适应到直径 400mm 的管道时，通过使用 RecurDyn（由韩国FunctionBay 公司开发出的新一代多体系统动力学仿真软件 ）模拟机器人和管的内面碰撞之间的最大冲击力。在第四节里，施加在 6 连杆滑动机构上最大冲击力的应力将基于试验设计通过使用 ANSYS工作台（美国 ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件 ）进行模拟。最后，包括滑动机构的四根杆厚度的最佳尺寸将被确定以保证其具有最好安全系数和最优的轻便性。 第五节将得出最终结论。.利用利用 TRIZ 对管道清洗机器人进行初始设计对管道清洗机器人进行初始设计管道清洗机器人的设计概念通过 TRIZ 的 6SC5表述如下：A.（6SC 的第 1 步）问题表述如图所示图 3 示出了在管内的清洗机器人的一个简单的设计。 主要问题是该机器人不能与 300mm /400 毫米直径的管道贴合，因为它不具有任何用来与管（300mm 至400 毫米直径）适应的可调节机构。图 3 管道清洗机器人的简单设计B.（6SC 的第二步）系统功能分析针对以上问题，我们首先进行系统功能分析，如图所示。该机器人的设计要可以适应两种类型的管（300 毫米或者 400 毫米直径）。在下图中，机器人维持状态是指机器人保持与管壁的贴合状态不变。图。4 系统功能分析C.（6SC 的第 3 步）最终理想结果（IFR）为了达到最终理想结果， 我们试图将管道清洗机器人设计成通过可自由拉伸的机构能自由可调节地适应两种不同尺寸的管道 （300 毫米或者 400 毫米直径） 。D.（6SC 的第 4 步）矛盾律和分离原理首先我们设计两种分别适应两种管道的机器人，然后要将两者合为一体。为了解决这个矛盾的问题，我们将会分离并单独设计适应两种管的机器结构，然后通过机械机构将两者拼凑成一个机器人。E.（6SC 的第五步）相互作用因素的分析相互作用因素的分析如图 5 所示。在这个问题上，相互作用因素分别是“机器人的身体”和“管的直径“。该图表明，通过设计可调节机构使机器人的主体能够分别适应两种不同尺寸的管道（300 毫米或者 400 毫米直径）。图 5 相互作用因素的分析F.（6SC 的第六步）问题的解决方案和评估初步解决方案如下： 机器人通过可调节机构能够分别适应两种型号的垃圾管道尺寸（300 毫米或 400 毫米）。最终的解决方案是设计一种如图 6 所示的六杆滑动机构来适应不同直径的管道。值得一提的是，在这套解决方案里我们采用了气动压力来驱使滑动机构，使之能够紧密贴合垃圾管道内壁。如图 7 所示，3 个六杆滑动机构组成一套滑动组，6 个滑动机构、两套滑轮组分别负责一前一后共同组成我们所看到的管道清洁机器人。图 6 六杆滑动机构图 7 由 3 组六杆滑动机构组成的滑动组当清洁机器人遭遇分支管道口时，它该如何平稳的通过，解决方案如图 8所示。 当三组六杆滑动机构中的一组落在分支管时，此时通过气动压力作用在滑动机构上使机器人保持外径不变。同时，因为其余两组仍作用在管壁上，因此管道机器人可以继续稳定地移动。图 8 六杆滑动机构通过气动压力在分支管道口移动III.动态模拟技术动态模拟技术 RECURDYN基于第二节对管道清洗机人概念设计和图 9 中与韩国机器人谷公司合作提出的气动压力六杆滑动机构初设设计的研究， 还有机器人谷公司富有经验的专家在初始设计中提供如表 1 所示的 1 至 4 杆的长度和厚度。 我们对管道清洁机器人进行了优化设计，我们通过使用 RecurDyn（多体动力学模拟程序）模拟机器人与管内壁之间的最大冲击力。 在这里我们只对管道清洁机器人通过滑杆机构调节适应 400mm 直径管道进行模拟， 因为它相比机器人在 300mm 直径管道中拥有更大的加速度和更长的位移。图 9 六杆滑动机构利用气动压力示意图表 1 1-4 杆的初步设计按照表 1 中的 1-4 杆的长度和厚度尺寸建立六杆滑杆机构通过气动压力 （推动编号 5 的滑动杆）调节以适应 400mm 直径管道与管道内壁形成压力的模型。然后根据模型运行多体动力学仿真程序（即 RecurDyn）模拟该模型，最后得出管道机器人和管道内壁之间的最大冲击力。作为该动态仿真的第一步便是将用SolidWorks 制图软件绘制的六杆滑动机构三维造型（即图 9）导入到 RecurDyn多体动力学仿真程序中。在 RecurDyn模拟中考虑的约束条件是：重力、关节、固定点、接触点和弹力。重力采用 g = 9.81m/s2，方向如图 10 所示。在图 10 中我们可以看到编号 6的关节在 RecurDyn中被设定为外卷滑动关节。在机构下部可以看到连接到关节1 的部位是被固定的，而连接到关节 2 的部位没有被固定，它是可以在导轨上滑动的。图 10 约束调节：各个关节和固定点我们可以看到在管道中清洁机器人有 6 个六杆滑动机构与管的内壁接触，为了方便起见我们只对其中一个六杆滑动机构进行 RecurDyn模拟。 如侧面图 11所示，六杆滑动机构的两个滚轮与管内壁属于“固体接触”。除此之外，通过模拟该固体接触就能计算得出固定部件（关节 1）与滑动部件（关节 2）之间的碰撞力。图 11 接触约束在上文中我们提到推动六杆滑动机构滑动的力是由气动压力提供的，但是在 RecurDyn程序中没有气压约束力这一项。因此我们采用弹力约束来替代气动压力。 在初始设计中， 六杆滑动机构设计的加速度为 2 m/s2。 接着运行 RecurDyn动态模拟程序（如图 12 所示），设置弹力系数为 5N/mm、弹力行程为 40mm，模拟推动六杆滑动机构得出 1.97m/s2 的加速度，与设计加速度几乎一致。因此我们在 RecurDyn程序中用弹力系数 5N/mm、 弹力行程 40mm 的弹力替代设计中所使用的气动压力。图 12 弹力约束条件图 13 为通过 RecurDyn程序模拟六杆滑动机构与管内壁（直径 400mm）之间的碰撞力。从图中可以看到弹力约束条件施加后 1 秒内的碰撞力变化，接着我们可以看到六杆滑动机构与管内壁（直径 400 毫米）之间的最大冲击力为 100N 左右。图 13 使用 RecurD
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