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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 ANSYS Workbench 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 ANSYS Workbench 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 60 70km 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 ANSYS Workbench 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 ANSYS Workbench 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 ANSYS Workbench 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 14ANSYS Workbench 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 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 的正交阵列 L16 使用 ANSYS Workbench 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 ANSYS Workbench 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 ANSYS Workbench 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内清洗机器人的原型 包