街道護欄清洗機設(shè)計P
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管道清洗機器人的優(yōu)化機構(gòu)設(shè)計
摘要:最近,由于垃圾自動收集設(shè)施(即GACF)被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū),因此對管道中可用的清潔機器人(稱為管道內(nèi)清潔機器人)的興趣正在增加。到目前為止,關(guān)于管道內(nèi)機器人的研究一直專注于檢查而不是清潔。在GACF中,當(dāng)垃圾移動時,我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì)(直徑:300mm或400mm)。因此,在本文中,通過使用TRIZ(俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理論),我們將提出一種GACF的管道內(nèi)清潔機器人,其具有6連桿滑動機構(gòu),可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動壓力(不是彈簧)。所提出的用于GACF的管道內(nèi)清潔機器人本身可以具有向前/向后移動以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn)。機器人本體應(yīng)具有適合直徑為300mm的較小管道的有限尺寸。另外,對于直徑為400mm的管道,機器人的連桿應(yīng)通過滑動機構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑。基于使用TRIZ的概念設(shè)計,我們將與韓國Robot Valley公司的現(xiàn)場工程師合作,建立機器人的初始設(shè)計。對于管內(nèi)清洗機器人的優(yōu)化設(shè)計,利用機器人與管道內(nèi)表面碰撞的最大沖擊力進行模擬。當(dāng)滑動機構(gòu)的鏈接被拉伸以適合時,RecurDyn?進入400毫米直徑的管道。利用基于實驗設(shè)計的ANSYS?Workbench(簡稱DOE),模擬最大沖擊力對滑動機構(gòu)6連桿施加的應(yīng)力。最后,將確定最佳尺寸,包括4個連桿的厚度,以便在本文中具有最佳安全系數(shù)2,并且具有4個連桿的最小質(zhì)量。它將被驗證與Robot Valley,Inc。專家的初步設(shè)計相比,4連桿的最佳設(shè)計具有接近2的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量的4個連桿。此外,管道內(nèi)清潔機器人的原型將進一步研究說明。
關(guān)鍵詞:管道內(nèi)清潔機器人,6連桿滑動機構(gòu),TRIZ,優(yōu)化設(shè)計,RecurDyn?,實驗設(shè)計(DOE),ANSYS?Workbench
1引言
最近,由于垃圾自動收集設(shè)施(即GACF)被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū),因此對管道中可操作的清潔機器人(我們將此稱之為機器人管道清潔機器人)的興趣正在增加。 盡管根據(jù)調(diào)查,韓國GACF處于初始階段,但據(jù)報道,通過解決現(xiàn)有手動拾取方式導(dǎo)致的環(huán)境問題(包括公寓之美),居民滿意度較高。 然而,GACF仍然存在設(shè)備安裝費用昂貴,運營費用高,食物垃圾收集率和回收率下降等問題。這意味著GACF需要提高穩(wěn)定運行的技術(shù)技能。
到目前為止,韓國垃圾收集的方式如下; 當(dāng)我們把垃圾放在塑料袋里并放在某個地方時,一輛皮卡車會繞過那個區(qū)域并撿起垃圾。 通常垃圾暴露在道路上,而狗,貓或老鼠等通常會損壞垃圾袋。 因此,城市的美麗可能會受到破壞,特別是在夏天。 此外,垃圾袋會導(dǎo)致蒼蠅或有害昆蟲的惡臭。 因此,這種垃圾處理系統(tǒng)可以歸結(jié)為不衛(wèi)生。
與目前韓國垃圾處理和拾取系統(tǒng)的這種不方便且不衛(wèi)生的方式相比,GACF具有定期安裝的僅垃圾槽。 在GACF中,管道在地下構(gòu)建,使用戶能夠扔垃圾袋。 將垃圾暫時存放在插槽的底部后,將其連接到與管道連接的存儲區(qū)域。 因此,GACF不需要任何人力來拾取垃圾,并且進一步是環(huán)境友好的系統(tǒng),垃圾不會暴露在外面。
與現(xiàn)有的人力和車輛接送方式相比,GACF擁有一個中央收集的設(shè)施,在地下建造的管道中提供約60~70km / h的高速運行空氣。 GACF可以根據(jù)垃圾的類型(易燃或不易燃)將垃圾放入垃圾焚燒爐。 加工后的垃圾可以運到集裝箱車輛的最終處置場地。圖1顯示了GACF的關(guān)鍵圖。
圖1 GACF的關(guān)鍵圖
如上所述,GACF可以快速收集生活垃圾。 此外,GACF可以將生活垃圾運送到最終處置場所,即垃圾焚燒爐。 具體而言,當(dāng)居民將家庭垃圾扔進GACF的輸入槽時,垃圾通過與收集場地相連的管道運輸。 在收集的場地,GACF操作一個與管道連接的鼓風(fēng)機,并從進氣口吸入空氣,如圖1所示。 此時,根據(jù)氣流,GACF收集生活垃圾。 為了長期穩(wěn)定地維護GACF,管道內(nèi)清潔很重要。 在不久的將來,需要開發(fā)一種具有自動運動的管道內(nèi)清潔機器人,以使管道清潔。 管道清洗機器人的使用可以使管道老化延遲,從而可以降低管道更換成本。
到目前為止,關(guān)于管道內(nèi)機器人的研究一直專注于檢查而不是清潔。 例如,Roh等人。 開發(fā)了一種用于地下燃氣管道的差動驅(qū)動管道內(nèi)檢測機器人。 此外,Choi等人。開發(fā)了一種管內(nèi)檢查/清潔機器人,它可以通過使用帶彈簧的輪子粘在管道的內(nèi)表面上,如圖2所示。這種機器人有一個嚴(yán)重的缺點,即機器人可以與 當(dāng)一個輪子在管道的分支點處無效時,管道的內(nèi)表面。
圖2管道內(nèi)檢查/清潔機器人(Choi等人)
在GACF中,當(dāng)垃圾移動時,我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì)(直徑:300mm或400mm)。 因此,在本文中,我們將開發(fā)一種GACF管道內(nèi)清潔機器人,其滑動機構(gòu)可以通過氣動壓力(不是彈簧)調(diào)節(jié)到適合管道內(nèi)表面。 所提出的用于GACF的管道內(nèi)清潔機器人本身可以具有向前/向后移動以及清潔時刷子的旋轉(zhuǎn)。 機器人本體應(yīng)具有適合直徑為300mm的較小管道的有限尺寸。 另外,對于直徑為400mm的管道,機器人的連桿應(yīng)通過滑動機構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑。 機器人前部有一個攝像頭和一個旋轉(zhuǎn)刷,可同時進行清潔和檢查。 此外,它可以通過使兩個刷子彼此反向旋轉(zhuǎn)來提高清潔效率。
本文的結(jié)構(gòu)如下。第二節(jié)通過使用TRIZ(俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理論)解釋了所提出的管道內(nèi)清潔機器人的概念設(shè)計?;谶@種概念設(shè)計,我們將與韓國Robot Valley公司的現(xiàn)場工程師合作,建立機器人的初始設(shè)計。對于管道內(nèi)清潔機器人的優(yōu)化設(shè)計,在第三節(jié)中,當(dāng)滑動機構(gòu)的連桿拉伸到400mm時,使用RecurDyn?模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。管道直徑。在第四節(jié)中,通過使用ANSYS?Workbench基于最大沖擊力對滑動機構(gòu)的6個連桿施加的應(yīng)力進行模擬。實驗設(shè)計(簡稱DOE)。最后,將確定最佳尺寸,包括4個連桿的厚度,以便在本文中具有最佳安全系數(shù)2,并且具有4個連桿的最小質(zhì)量。第五節(jié)將得出結(jié)論。
2.基于TRIZ的管道清洗機器人的基本設(shè)計
提出的管道內(nèi)清潔的概念設(shè)計機器人使用TRIZ的6SC執(zhí)行如下:
A.(6SC的第1步)圖片中的問題陳述
圖3顯示了管道內(nèi)清潔機器人的簡單設(shè)計。 問題是機器人無法裝入直徑為300mm / 400mm的管道,因為根據(jù)兩種類型的管道(直徑為300mm或400mm),它沒有任何可變機構(gòu)。
圖3管內(nèi)清潔機器人的簡單設(shè)計
B.(6SC的第2步)系統(tǒng)功能分析
為了解決上面提出的問題,我們首先進行系統(tǒng)功能分析,如圖4所示
在目標(biāo)上,機器人應(yīng)設(shè)計成適合兩種類型的管道(直徑300毫米或400毫米)。 在該圖中,保持機器人的直徑意味著保持機器人的狀態(tài)適合管道。
圖4系統(tǒng)功能分析
C.(6SC的第3步)理想的最終結(jié)果(IFR)
作為IFR,我們建議將機器人設(shè)計成適合較小直徑(即300mm)的管子,然后以可伸縮的形式裝入較大直徑(即400mm)。
D.(6SC的第4步)矛盾和分離原則
下面的句子可以表示矛盾:“兩個機器人體應(yīng)分別設(shè)計成適合兩種類型的管子(直徑300mm或400mm)。 并且,機器人應(yīng)該被設(shè)計成一個整體。“為了找到矛盾問題的解決方案,我們在下面的句子中應(yīng)用分離原則:”兩種管道的每個機器人體分別設(shè)計,然后是兩個機器人體 被放在一個機器人身上。
E.(6SC的第5步)元素 - 相互作用分析
圖5顯示了元素 - 交互分析。 在這個問題中,元素是“機器人的身體”和“管的直徑”。這個圖表明機器人的身體設(shè)計成適合兩個標(biāo)準(zhǔn)直徑(300毫米和400毫米)的管道作為可變機構(gòu)。
圖5元素相互作用分析
F.(6SC的第6步)問題解決和評估
問題的暫定解決方案可以如下:對于兩種類型的標(biāo)準(zhǔn)化管道(300mm或400mm),機器人的直徑需要是可變的。 如圖6所示,本文提出的最終問題解決方案是6連桿滑動機構(gòu),以適應(yīng)直徑為300mm / 400mm的管道。 特別地,在該解決方案中,氣動壓力用于使滑動機構(gòu)配合到管的內(nèi)表面中。 因此,機器人具有三個用于一個滑塊的6連桿滑動機構(gòu),如圖7所示。如該圖所示,管內(nèi)清潔機器人具有總共六個6連桿滑動機構(gòu),即前滑塊3個,后滑塊3個。
圖6 6連桿滑動機構(gòu)
圖7一個滑塊的三個6連桿滑動機構(gòu)
該問題解決方案的評估可以如下進行:當(dāng)三個六連桿機構(gòu)中的一個落入管道的分支點時,使用氣動壓力的六連桿滑動機構(gòu)可以通過保持機器人的直徑來逃離分支點(在其他 單詞,機器人的狀態(tài)適合管道,并且可以穩(wěn)定地移動,因為可以固定三個6連桿機構(gòu)中的兩個,如圖8所示。
圖8使用分支點處的氣動壓力評估6連桿滑動機構(gòu)
3.使用RECURDYN?進行動態(tài)模擬
基于第二節(jié)中介紹的管道內(nèi)清潔機器人的概念設(shè)計,圖9中提出了使用氣動壓力的六連桿滑動機構(gòu)的初始設(shè)計,與韓國Robot Valley公司合作。 特別是表1顯示了鏈路1至4的初始設(shè)計的長度和厚度,這些設(shè)計來自機器人谷的設(shè)計專家的經(jīng)驗知識。 對于管道清洗機器人的最佳設(shè)計,最大沖擊沖擊力通過使用RecurDyn?(多體動力學(xué))在本節(jié)中模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的關(guān)系模擬程序)當(dāng)滑動機構(gòu)的連桿伸展到適合管道直徑400mm時。 特別是選擇直徑為400mm的管道而不是300mm直徑的管道,因為假設(shè)前者具有比后者更大的加速度和更長的位移。
圖9采用氣動壓力的六連桿滑動機構(gòu)
表格1
鏈接的初始設(shè)計
Links
1
2
3
4
Length (mm)
91
91
37
145
Thickness (mm)
10
5
5
10
當(dāng)6連桿滑動機構(gòu)與初始拉伸表1的長度尺寸和厚度由于氣動,適合400毫米直徑的管道它會碰撞壓力(推動滑動連桿,即連桿5)與管道的內(nèi)壁。 那個時候,多體動態(tài)模擬程序,即RecurDyn?用于查找機器人之間碰撞的最大沖擊力和管道的內(nèi)表面。 在這個動態(tài)的第一步仿真,6連桿滑動的三維建模使用SolidWorks?的機制(如圖9所示)是導(dǎo)入RecurDyn?。
在此模擬中使用的約束條件RecurDyn?是重力,關(guān)節(jié),固定狀態(tài),接觸和彈簧力條件。 重力由g = 9.81m / s2提供在圖10所示的方向上,設(shè)置6個接頭RecurDyn?中的Revolute Joints,如圖10所示連接到接頭1的部分是固定的,而下部是固定的連接到第2關(guān)節(jié)不需要約束,以便它可以滑動。
圖10關(guān)節(jié)和固定狀態(tài)的約束
機器人六個6連桿滑動機構(gòu)的碰撞管道內(nèi)表面只有一個六連桿滑動機構(gòu)為方便起見,在RecurDyn?中考慮過。 2個6連桿輪滑動機構(gòu)由內(nèi)部“固體接觸”給出側(cè)面如圖11所示。另外,固體接觸條件是針對固定部件的碰撞而給出的(與接頭1連接)與滑動部分(連接到接頭2)。
圖11接觸約束
6連桿機構(gòu)的滑動運動由氣動壓力。 但沒有氣動壓力RecurDyn?計劃中的約束。 在這個模擬中,我們已賦予彈簧力氣動壓力。 的情況下氣動壓力,6連桿機構(gòu)滑動加速度為2 m / s2。 通過動態(tài)模擬RecurDyn?如圖12所示,彈簧力條件彈簧常數(shù)為5 N / mm,彈簧位移為40 mm使6連桿機構(gòu)以1.97m / s2加速度滑動。因此,氣動壓力可以用彈簧力代替常數(shù)5 N / mm,位移40 mm。
圖12彈簧力條件
圖13顯示了當(dāng)6連桿滑動機構(gòu)與管道內(nèi)側(cè)(直徑400 mm)碰撞時使用RecurDyn?模擬的沖擊力。 如該圖所示,機構(gòu)滑動1秒鐘(從彈簧力條件起作用的瞬間)。 然后我們可以看到最大沖擊力約為100N。
圖13使用RecurDyn?的沖擊力仿真結(jié)果
4. 6連桿滑動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
現(xiàn)在我們處理6連桿滑動的最佳設(shè)計本節(jié)中的管道內(nèi)清潔機器人的機構(gòu)。 首先,最大沖擊力,即通過前一節(jié)中使用RecurDyn?的動態(tài)模擬獲得的100N,加載到6輪鏈滑動機構(gòu)的車輪1的點上,如圖14所示(3-D模型) ANSYS?Workbench)。 我們假設(shè)車輪1在動態(tài)模擬中比車輪2更早地與管道內(nèi)側(cè)發(fā)生碰撞,因為車輪1與6車道機構(gòu)的距離比車輪2短。然后使用ANSYS?Workbench進行靜態(tài)分析基于DOE( 也就是說,實驗設(shè)計)以獲得4個設(shè)計變量的最佳尺寸,即如圖15所示的4個鏈節(jié)的厚度。
圖14ANSYS?Workbench的三維模型
圖15 6連桿滑動機構(gòu)(俯視圖)
DOE通常用于通過對給定設(shè)計(或性能測試)問題執(zhí)行最小模擬(或?qū)嶒灒﹣硖崛∽畲笮畔ⅰ?DOE可以幫助確定定量關(guān)于問題中每個設(shè)計(或?qū)嶒灒┮蛩兀ɑ蜃兞浚┑挠绊憽?這導(dǎo)致找到設(shè)計(或?qū)嶒灒┳兞康淖罴阎怠?在6連桿機構(gòu)的設(shè)計中,設(shè)計變量的數(shù)量(統(tǒng)計術(shù)語中的控制因子)是表4中所示的四個等級中的四個。表2顯示了機器人谷的現(xiàn)場工程師的設(shè)計經(jīng)驗所產(chǎn)生的每個因素的水平。 對于這種6鏈路機制,四級四設(shè)計變量的正交陣列(L16)是使用DOE(特別是MINITAB?)而不是全256(44)生成的。
表2
設(shè)計變量的水平
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的正交陣列(L16),使用ANSYS?Workbench對6連桿滑動機構(gòu)進行16次靜態(tài)分析。 4個設(shè)計變量的最優(yōu)值可根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)選擇:(1)6連桿滑動機構(gòu)的安全系數(shù)應(yīng)高達2(現(xiàn)場工程師在機器人設(shè)計中建議最佳安全系數(shù)為2) ),(2)應(yīng)盡量減少機構(gòu)的質(zhì)量。 可以以與多目標(biāo)問題類似的方式指定標(biāo)準(zhǔn)。 因此,該多目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)由等式(1)給出。
這里sf1和sf2表示縮放因子。而且,w1和w2是加權(quán)因子。根據(jù)等式(1)選擇適當(dāng)?shù)闹亓亢捅壤蜃又怠S捎诙嗄繕?biāo)標(biāo)準(zhǔn)必須是線性組合函數(shù),因此0.5的值已分配給w1和w2。同時,sf1和sf2的常數(shù)分別由0.5和0.5給出,以便將客觀標(biāo)準(zhǔn)的最大值的上限值設(shè)置為1.根據(jù)DOE,進行了16次分析。圖16顯示了使用ANSYS?Workbench通過靜態(tài)分析執(zhí)行的16個結(jié)果。因此,與其他15組設(shè)計變量相比,表3的最后一列顯示了紅色下劃線的最優(yōu)(對應(yīng)于目標(biāo)函數(shù)的最小值)設(shè)計變量。因此,鏈路1,2,3和4的最佳厚度均為5mm,而鏈路1,2,3和4的初始厚度分別為10mm,5mm,5mm,10mm,如表1所示。可以注意到,最優(yōu)設(shè)計(或最佳厚度)具有目標(biāo)函數(shù)的值(即0.09653),包括安全系數(shù)2.7065和質(zhì)量0.145kg,遠小于初始設(shè)計的情況,目標(biāo)值(即0.27631)功能包括安全系數(shù)3.6751和初始質(zhì)量0.241kg的情況,如表3中的第17行(下劃線為藍色)所示。特別是鏈節(jié)的材料是經(jīng)過特殊熱處理的AL 7075-O(ss)。因此,我們可以得出結(jié)論,與Robot Valley,Inc。的專家進行的初始設(shè)計相比,4個鏈路的最佳設(shè)計具有接近2的最佳安全系數(shù)以及具有4個鏈路的最小質(zhì)量。 - 包括具有這些最佳尺寸的6連桿滑動機構(gòu)的管道清潔機器人如圖17所示。該原型機與Robot Valley,Inc。合作進行清潔測試。
表3
正交陣列
圖16使用ANSYS?Workbench進行靜態(tài)分析的結(jié)果之一
圖17管內(nèi)清洗機器人的原型,包括最佳尺寸的六連桿滑動機構(gòu)
5. 結(jié)論
最近,由于垃圾自動收集設(shè)施(即GACF)被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū),因此對管道內(nèi)清潔機器人的興趣正在增加。在GACF中,當(dāng)垃圾移動時,我們必須去除粘附在垃圾內(nèi)表面的雜質(zhì)管(直徑:300mm或400mm)。因此,在本文中,通過使用TRIZ(俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理論),我們提出了一種GACF的管道內(nèi)清潔機器人,其具有6連桿滑動機構(gòu),可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動壓力(不是彈簧)。所提出的用于GACF的管道內(nèi)清潔機器人本身可以具有向前/向后移動以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn)。機器人本體應(yīng)具有適合直徑為300mm的較小管道的有限尺寸。另外,對于直徑為400mm的管道,機器人的連桿應(yīng)通過滑動機構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑。基于這種概念設(shè)計,我們與韓國Robot Valley公司的現(xiàn)場工程師合作,建立了機器人的初始設(shè)計。對于管道內(nèi)清潔機器人的優(yōu)化設(shè)計,當(dāng)滑動機構(gòu)的連桿伸展到適合直徑400mm的管道時,使用RecurDyn?模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。 。利用基于實驗設(shè)計的ANSYS?Workbench(簡稱DOE),模擬了最大沖力對滑動機構(gòu)6連桿施加的應(yīng)力。最后確定了最佳尺寸,包括4個連桿的厚度,以便在本文中具有最佳安全系數(shù)2,并且具有4個連桿的最小質(zhì)量。經(jīng)驗證,與機器人谷公司專家進行的初步設(shè)計相比,4連桿的最佳設(shè)計具有接近2的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量為4連桿。管內(nèi)原型清潔機器人包括具有這些最佳尺寸的6連桿滑動機構(gòu),已經(jīng)與Robot Valley,Inc。合作開發(fā)了清潔測試。為了進一步研究這個原型,現(xiàn)有的清潔工具需要重新設(shè)計成簡單有效的類型,因為其反刷的復(fù)雜機理。
管道清洗機器人的優(yōu)化機構(gòu)設(shè)計 摘要:摘要:最近,由于垃圾自動收集設(shè)施(即 GACF)被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū), 因此對管道中可用的清潔機器人 (稱為管道內(nèi)清潔機器人) 的興趣正在增加。到目前為止,關(guān)于管道內(nèi)機器人的研究一直專注于檢查而不是清潔。在 GACF中,當(dāng)垃圾移動時,我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì)(直徑:300mm 或400mm) 。 因此, 在本文中, 通過使用 TRIZ (俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理論) ,我們將提出一種 GACF 的管道內(nèi)清潔機器人,其具有 6 連桿滑動機構(gòu),可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動壓力(不是彈簧) 。所提出的用于 GACF 的管道內(nèi)清潔機器人本身可以具有向前/向后移動以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn)。機器人本體應(yīng)具有適合直徑為 300mm 的較小管道的有限尺寸。另外,對于直徑為 400mm的管道,機器人的連桿應(yīng)通過滑動機構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑?;谑褂?TRIZ的概念設(shè)計,我們將與韓國 Robot Valley 公司的現(xiàn)場工程師合作,建立機器人的初始設(shè)計。對于管內(nèi)清洗機器人的優(yōu)化設(shè)計,利用機器人與管道內(nèi)表面碰撞的最大沖擊力進行模擬。當(dāng)滑動機構(gòu)的鏈接被拉伸以適合時,RecurDyn進入 400 毫米直徑的管道。利用基于實驗設(shè)計的 ANSYSWorkbench(簡稱 DOE) ,模擬最大沖擊力對滑動機構(gòu) 6 連桿施加的應(yīng)力。最后,將確定最佳尺寸,包括 4 個連桿的厚度,以便在本文中具有最佳安全系數(shù) 2,并且具有 4 個連桿的最小質(zhì)量。它將被驗證與 Robot Valley,Inc。專家的初步設(shè)計相比,4 連桿的最佳設(shè)計具有接近 2 的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量的 4 個連桿。此外,管道內(nèi)清潔機器人的原型將進一步研究說明。 關(guān)鍵詞:關(guān)鍵詞:管道內(nèi)清潔機器人,6 連桿滑動機構(gòu),TRIZ,優(yōu)化設(shè)計,RecurDyn,實驗設(shè)計(DOE) ,ANSYSWorkbench 1 1 引言引言 最近, 由于垃圾自動收集設(shè)施 (即 GACF) 被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū),因此對管道中可操作的清潔機器人(我們將此稱之為機器人管道清潔機器人)的興趣正在增加。 盡管根據(jù)調(diào)查,韓國 GACF 處于初始階段,但據(jù)報道,通過解決現(xiàn)有手動拾取方式導(dǎo)致的環(huán)境問題 (包括公寓之美) , 居民滿意度較高。 然而,GACF 仍然存在設(shè)備安裝費用昂貴,運營費用高,食物垃圾收集率和回收率下降等問題。這意味著 GACF 需要提高穩(wěn)定運行的技術(shù)技能。 到目前為止,韓國垃圾收集的方式如下; 當(dāng)我們把垃圾放在塑料袋里并放在某個地方時,一輛皮卡車會繞過那個區(qū)域并撿起垃圾。 通常垃圾暴露在道路上,而狗,貓或老鼠等通常會損壞垃圾袋。 因此,城市的美麗可能會受到破壞,特別是在夏天。 此外,垃圾袋會導(dǎo)致蒼蠅或有害昆蟲的惡臭。 因此,這種垃圾處理系統(tǒng)可以歸結(jié)為不衛(wèi)生。 與目前韓國垃圾處理和拾取系統(tǒng)的這種不方便且不衛(wèi)生的方式相比,GACF具有定期安裝的僅垃圾槽。 在 GACF 中,管道在地下構(gòu)建,使用戶能夠扔垃圾袋。 將垃圾暫時存放在插槽的底部后,將其連接到與管道連接的存儲區(qū)域。 因此,GACF 不需要任何人力來拾取垃圾,并且進一步是環(huán)境友好的系統(tǒng),垃圾不會暴露在外面。 與現(xiàn)有的人力和車輛接送方式相比,GACF 擁有一個中央收集的設(shè)施,在地下建造的管道中提供約 6070km / h 的高速運行空氣。 GACF 可以根據(jù)垃圾的類型(易燃或不易燃)將垃圾放入垃圾焚燒爐。 加工后的垃圾可以運到集裝箱車輛的最終處置場地。圖 1 顯示了 GACF 的關(guān)鍵圖。 圖圖 1 GACF 的關(guān)鍵圖的關(guān)鍵圖 如上所述,GACF 可以快速收集生活垃圾。 此外,GACF 可以將生活垃圾運送到最終處置場所, 即垃圾焚燒爐。 具體而言, 當(dāng)居民將家庭垃圾扔進 GACF的輸入槽時,垃圾通過與收集場地相連的管道運輸。 在收集的場地,GACF 操作一個與管道連接的鼓風(fēng)機,并從進氣口吸入空氣,如圖 1 所示。 此時,根據(jù)氣流,GACF 收集生活垃圾。 為了長期穩(wěn)定地維護 GACF,管道內(nèi)清潔很重要。 在不久的將來, 需要開發(fā)一種具有自動運動的管道內(nèi)清潔機器人, 以使管道清潔。 管道清洗機器人的使用可以使管道老化延遲,從而可以降低管道更換成本。 到目前為止,關(guān)于管道內(nèi)機器人的研究一直專注于檢查而不是清潔。 例如,Roh 等人。 開發(fā)了一種用于地下燃氣管道的差動驅(qū)動管道內(nèi)檢測機器人。 此外,Choi 等人。開發(fā)了一種管內(nèi)檢查/清潔機器人,它可以通過使用帶彈簧的輪子粘在管道的內(nèi)表面上,如圖 2 所示。這種機器人有一個嚴(yán)重的缺點,即機器人可以與 當(dāng)一個輪子在管道的分支點處無效時,管道的內(nèi)表面。 圖圖 2 管道內(nèi)檢查管道內(nèi)檢查/清潔機器人(清潔機器人(Choi 等人)等人) 在 GACF 中,當(dāng)垃圾移動時,我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì)(直徑:300mm 或 400mm) 。 因此,在本文中,我們將開發(fā)一種 GACF 管道內(nèi)清潔機器人, 其滑動機構(gòu)可以通過氣動壓力 (不是彈簧) 調(diào)節(jié)到適合管道內(nèi)表面。 所提出的用于 GACF 的管道內(nèi)清潔機器人本身可以具有向前/向后移動以及清潔時刷子的旋轉(zhuǎn)。 機器人本體應(yīng)具有適合直徑為 300mm 的較小管道的有限尺寸。 另外,對于直徑為 400mm 的管道,機器人的連桿應(yīng)通過滑動機構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑。 機器人前部有一個攝像頭和一個旋轉(zhuǎn)刷,可同時進行清潔和檢查。 此外,它可以通過使兩個刷子彼此反向旋轉(zhuǎn)來提高清潔效率。 本文的結(jié)構(gòu)如下。第二節(jié)通過使用 TRIZ(俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理論)解釋了所提出的管道內(nèi)清潔機器人的概念設(shè)計?;谶@種概念設(shè)計,我們將與韓國 Robot Valley 公司的現(xiàn)場工程師合作,建立機器人的初始設(shè)計。對于管道內(nèi)清潔機器人的優(yōu)化設(shè)計,在第三節(jié)中,當(dāng)滑動機構(gòu)的連桿拉伸到 400mm 時,使用 RecurDyn模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。管道直徑。在第四節(jié)中,通過使用 ANSYSWorkbench 基于最大沖擊力對滑動機構(gòu)的 6 個連桿施加的應(yīng)力進行模擬。實驗設(shè)計(簡稱 DOE) 。最后,將確定最佳尺寸,包括 4 個連桿的厚度,以便在本文中具有最佳安全系數(shù) 2,并且具有 4 個連桿的最小質(zhì)量。第五節(jié)將得出結(jié)論。 2.基于基于 TRIZ 的管道清洗機器人的基本設(shè)計的管道清洗機器人的基本設(shè)計 提出的管道內(nèi)清潔的概念設(shè)計機器人使用 TRIZ 的 6SC 執(zhí)行如下: A.(6SC 的第 1 步)圖片中的問題陳述 圖 3 顯示了管道內(nèi)清潔機器人的簡單設(shè)計。 問題是機器人無法裝入直徑為300mm / 400mm 的管道,因為根據(jù)兩種類型的管道(直徑為 300mm 或 400mm) ,它沒有任何可變機構(gòu)。 圖圖 3 管內(nèi)清潔機器人的簡單設(shè)計管內(nèi)清潔機器人的簡單設(shè)計 B.(6SC 的第 2 步)系統(tǒng)功能分析 為了解決上面提出的問題,我們首先進行系統(tǒng)功能分析,如圖 4 所示 在目標(biāo)上, 機器人應(yīng)設(shè)計成適合兩種類型的管道 (直徑300毫米或400毫米) 。 在該圖中,保持機器人的直徑意味著保持機器人的狀態(tài)適合管道。 圖圖 4 系統(tǒng)功能分析系統(tǒng)功能分析 C.(6SC 的第 3 步)理想的最終結(jié)果(IFR) 作為 IFR,我們建議將機器人設(shè)計成適合較小直徑(即 300mm)的管子,然后以可伸縮的形式裝入較大直徑(即 400mm) 。 D.(6SC 的第 4 步)矛盾和分離原則 下面的句子可以表示矛盾: “兩個機器人體應(yīng)分別設(shè)計成適合兩種類型的管子(直徑 300mm 或 400mm) 。 并且,機器人應(yīng)該被設(shè)計成一個整體?!盀榱苏业矫軉栴}的解決方案,我們在下面的句子中應(yīng)用分離原則:”兩種管道的每個機器人體分別設(shè)計,然后是兩個機器人體 被放在一個機器人身上。 E.(6SC 的第 5 步)元素 - 相互作用分析 圖 5 顯示了元素 - 交互分析。 在這個問題中, 元素是“機器人的身體”和“管的直徑”。這個圖表明機器人的身體設(shè)計成適合兩個標(biāo)準(zhǔn)直徑(300 毫米和 400毫米)的管道作為可變機構(gòu)。 圖圖 5 元素相互作用分析元素相互作用分析 F.(6SC 的第 6 步)問題解決和評估 問題的暫定解決方案可以如下:對于兩種類型的標(biāo)準(zhǔn)化管道(300mm 或400mm) ,機器人的直徑需要是可變的。 如圖 6 所示,本文提出的最終問題解決方案是 6 連桿滑動機構(gòu),以適應(yīng)直徑為 300mm / 400mm 的管道。 特別地,在該解決方案中,氣動壓力用于使滑動機構(gòu)配合到管的內(nèi)表面中。 因此,機器人具有三個用于一個滑塊的 6 連桿滑動機構(gòu),如圖 7 所示。如該圖所示,管內(nèi)清潔機器人具有總共六個 6 連桿滑動機構(gòu),即前滑塊 3 個,后滑塊 3 個。 圖圖 6 6 連桿滑動連桿滑動機構(gòu)機構(gòu) 圖圖 7 一個滑塊的三個一個滑塊的三個 6 連桿滑動機構(gòu)連桿滑動機構(gòu) 該問題解決方案的評估可以如下進行: 當(dāng)三個六連桿機構(gòu)中的一個落入管道的分支點時, 使用氣動壓力的六連桿滑動機構(gòu)可以通過保持機器人的直徑來逃離分支點(在其他 單詞,機器人的狀態(tài)適合管道,并且可以穩(wěn)定地移動,因為可以固定三個 6 連桿機構(gòu)中的兩個,如圖 8 所示。 圖圖 8 使用分支點處的氣動使用分支點處的氣動壓力評估壓力評估 6 連桿滑動機構(gòu)連桿滑動機構(gòu) 3.使用使用 RECURDYN進行動態(tài)模擬進行動態(tài)模擬 基于第二節(jié)中介紹的管道內(nèi)清潔機器人的概念設(shè)計, 圖 9 中提出了使用氣動壓力的六連桿滑動機構(gòu)的初始設(shè)計,與韓國 Robot Valley 公司合作。 特別是表 1顯示了鏈路 1 至 4 的初始設(shè)計的長度和厚度, 這些設(shè)計來自機器人谷的設(shè)計專家的經(jīng)驗知識。 對于管道清洗機器人的最佳設(shè)計,最大沖擊沖擊力通過使用RecurDyn(多體動力學(xué))在本節(jié)中模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的關(guān)系模擬程序)當(dāng)滑動機構(gòu)的連桿伸展到適合管道直徑 400mm 時。 特別是選擇直徑為400mm 的管道而不是 300mm 直徑的管道, 因為假設(shè)前者具有比后者更大的加速度和更長的位移。 圖圖 9 采用氣動壓力的六連桿滑動機構(gòu)采用氣動壓力的六連桿滑動機構(gòu) 表格表格 1 鏈接的初始設(shè)計鏈接的初始設(shè)計 Links 1 2 3 4 Length (mm) 91 91 37 145 Thickness (mm) 10 5 5 10 當(dāng) 6 連桿滑動機構(gòu)與初始拉伸表 1 的長度尺寸和厚度由于氣動,適合 400毫米直徑的管道它會碰撞壓力(推動滑動連桿,即連桿 5)與管道的內(nèi)壁。 那個時候,多體動態(tài)模擬程序,即 RecurDyn用于查找機器人之間碰撞的最大沖擊力和管道的內(nèi)表面。 在這個動態(tài)的第一步仿真,6 連桿滑動的三維建模使用SolidWorks的機制(如圖 9 所示)是導(dǎo)入 RecurDyn。 在此模擬中使用的約束條件 RecurDyn是重力,關(guān)節(jié),固定狀態(tài),接觸和彈簧力條件。 重力由 g = 9.81m / s2 提供在圖 10 所示的方向上,設(shè)置 6 個接頭RecurDyn中的 Revolute Joints,如圖 10 所示連接到接頭 1 的部分是固定的,而下部是固定的連接到第 2 關(guān)節(jié)不需要約束,以便它可以滑動。 圖圖 10 關(guān)節(jié)和固定狀態(tài)的約束關(guān)節(jié)和固定狀態(tài)的約束 機器人六個 6 連桿滑動機構(gòu)的碰撞管道內(nèi)表面只有一個六連桿滑動機構(gòu)為方便起見,在 RecurDyn中考慮過。 2 個 6 連桿輪滑動機構(gòu)由內(nèi)部“固體接觸”給出側(cè)面如圖 11 所示。 另外, 固體接觸條件是針對固定部件的碰撞而給出的 (與接頭 1 連接)與滑動部分(連接到接頭 2) 。 圖圖 11 接觸約束接觸約束 6 連桿機構(gòu)的滑動運動由氣動壓力。 但沒有氣動壓力 RecurDyn計劃中的約束。 在這個模擬中,我們已賦予彈簧力氣動壓力。 的情況下氣動壓力,6 連桿機構(gòu)滑動加速度為 2 m / s2。 通過動態(tài)模擬 RecurDyn如圖 12 所示,彈簧力條件彈簧常數(shù)為 5 N / mm, 彈簧位移為 40 mm 使 6 連桿機構(gòu)以 1.97m / s2 加速度滑動。因此,氣動壓力可以用彈簧力代替常數(shù) 5 N / mm,位移 40 mm。 圖圖 12 彈簧力條件彈簧力條件 圖 13 顯示了當(dāng) 6 連桿滑動機構(gòu)與管道內(nèi)側(cè)(直徑 400 mm)碰撞時使用RecurDyn模擬的沖擊力。 如該圖所示,機構(gòu)滑動 1 秒鐘(從彈簧力條件起作用的瞬間) 。 然后我們可以看到最大沖擊力約為 100N。 圖圖 13 使用使用 RecurDyn的沖擊力仿真結(jié)果的沖擊力仿真結(jié)果 4. 6 連桿滑動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計連桿滑動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 現(xiàn)在我們處理 6 連桿滑動的最佳設(shè)計本節(jié)中的管道內(nèi)清潔機器人的機構(gòu)。 首先,最大沖擊力,即通過前一節(jié)中使用 RecurDyn的動態(tài)模擬獲得的 100N,加載到 6 輪鏈滑動機構(gòu)的車輪 1 的點上,如圖 14 所示(3-D 模型) ANSYSWorkbench) 。 我們假設(shè)車輪 1 在動態(tài)模擬中比車輪 2 更早地與管道內(nèi)側(cè)發(fā)生碰撞,因為車輪 1 與 6 車道機構(gòu)的距離比車輪 2 短。然后使用ANSYSWorkbench 進行靜態(tài)分析基于 DOE( 也就是說,實驗設(shè)計)以獲得 4個設(shè)計變量的最佳尺寸,即如圖 15 所示的 4 個鏈節(jié)的厚度。 圖圖 14ANSYSWorkbench 的三維模型的三維模型 圖圖 15 6 連桿滑動機構(gòu)(俯視圖)連桿滑動機構(gòu)(俯視圖) DOE 通常用于通過對給定設(shè)計(或性能測試)問題執(zhí)行最小模擬(或?qū)嶒灒﹣硖崛∽畲笮畔ⅰ?DOE 可以幫助確定定量關(guān)于問題中每個設(shè)計(或?qū)嶒灒┮蛩兀ɑ蜃兞浚┑挠绊憽?這導(dǎo)致找到設(shè)計(或?qū)嶒灒┳兞康淖罴阎怠?在 6 連桿機構(gòu)的設(shè)計中,設(shè)計變量的數(shù)量(統(tǒng)計術(shù)語中的控制因子)是表 4 中所示的四個等級中的四個。 表 2 顯示了機器人谷的現(xiàn)場工程師的設(shè)計經(jīng)驗所產(chǎn)生的每個因素的水平。 對于這種 6 鏈路機制,四級四設(shè)計變量的正交陣列(L16)是使用 DOE(特別是 MINITAB)而不是全 256(44)生成的。 表表 2 設(shè)計變量的水平設(shè)計變量的水平 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 的正交陣列(L16) ,使用 ANSYSWorkbench 對 6 連桿滑動機構(gòu)進行 16 次靜態(tài)分析。 4 個設(shè)計變量的最優(yōu)值可根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)選擇: (1)6 連桿滑動機構(gòu)的安全系數(shù)應(yīng)高達 2(現(xiàn)場工程師在機器人設(shè)計中建議最佳安全系數(shù)為2) ) , (2) 應(yīng)盡量減少機構(gòu)的質(zhì)量。 可以以與多目標(biāo)問題類似的方式指定標(biāo)準(zhǔn)。 因此,該多目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)由等式(1)給出。 這里 sf1 和 sf2 表示縮放因子。而且,w1 和 w2 是加權(quán)因子。根據(jù)等式(1)選擇適當(dāng)?shù)闹亓亢捅壤蜃又?。由于多目?biāo)標(biāo)準(zhǔn)必須是線性組合函數(shù),因此 0.5的值已分配給 w1 和 w2。同時,sf1 和 sf2 的常數(shù)分別由 0.5 和 0.5 給出,以便將客觀標(biāo)準(zhǔn)的最大值的上限值設(shè)置為 1.根據(jù) DOE,進行了 16 次分析。圖 16 顯示了使用 ANSYSWorkbench 通過靜態(tài)分析執(zhí)行的 16 個結(jié)果。因此,與其他 15組設(shè)計變量相比,表 3 的最后一列顯示了紅色下劃線的最優(yōu)(對應(yīng)于目標(biāo)函數(shù)的最小值)設(shè)計變量。因此,鏈路 1,2,3 和 4 的最佳厚度均為 5mm,而鏈路 1,2,3和 4 的初始厚度分別為 10mm,5mm,5mm,10mm,如表 1 所示??梢宰⒁獾?,最優(yōu)設(shè)計(或最佳厚度)具有目標(biāo)函數(shù)的值(即 0.09653) ,包括安全系數(shù) 2.7065和質(zhì)量 0.145kg,遠小于初始設(shè)計的情況,目標(biāo)值(即 0.27631)功能包括安全系數(shù) 3.6751 和初始質(zhì)量 0.241kg 的情況,如表 3 中的第 17 行(下劃線為藍色)所示。特別是鏈節(jié)的材料是經(jīng)過特殊熱處理的 AL 7075-O(ss) 。因此,我們可以得出結(jié)論,與 Robot Valley,Inc。的專家進行的初始設(shè)計相比,4 個鏈路的最佳設(shè)計具有接近 2 的最佳安全系數(shù)以及具有 4 個鏈路的最小質(zhì)量。 - 包括具有這些最佳尺寸的 6 連桿滑動機構(gòu)的管道清潔機器人如圖 17 所示。 該原型機與 Robot Valley,Inc。合作進行清潔測試。 表表 3 正交陣列正交陣列 圖圖 16 使用使用 ANSYSWorkbench 進行靜態(tài)進行靜態(tài)分析的結(jié)果之一分析的結(jié)果之一 圖圖 17 管內(nèi)清洗機器人的原型,包括最佳尺寸的六連桿滑動機構(gòu)管內(nèi)清洗機器人的原型,包括最佳尺寸的六連桿滑動機構(gòu) 5. 結(jié)論結(jié)論 最近, 由于垃圾自動收集設(shè)施 (即 GACF) 被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū),因此對管道內(nèi)清潔機器人的興趣正在增加。在 GACF 中,當(dāng)垃圾移動時,我們必須去除粘附在垃圾內(nèi)表面的雜質(zhì)管(直徑:300mm 或 400mm) 。因此,在本文中,通過使用 TRIZ(俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理論) ,我們提出了一種GACF 的管道內(nèi)清潔機器人,其具有 6 連桿滑動機構(gòu),可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動壓力(不是彈簧) 。所提出的用于 GACF 的管道內(nèi)清潔機器人本身可以具有向前/向后移動以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn)。機器人本體應(yīng)具有適合直徑為 300mm 的較小管道的有限尺寸。另外,對于直徑為 400mm 的管道,機器人的連桿應(yīng)通過滑動機構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑?;谶@種概念設(shè)計,我們與韓國Robot Valley 公司的現(xiàn)場工程師合作,建立了機器人的初始設(shè)計。對于管道內(nèi)清潔機器人的優(yōu)化設(shè)計,當(dāng)滑動機構(gòu)的連桿伸展到適合直徑 400mm 的管道時,使用 RecurDyn模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。 。利用基于實驗設(shè)計的 ANSYSWorkbench(簡稱 DOE) ,模擬了最大沖力對滑動機構(gòu) 6 連桿施加的應(yīng)力。最后確定了最佳尺寸,包括 4 個連桿的厚度,以便在本文中具有最佳安全系數(shù) 2,并且具有 4 個連桿的最小質(zhì)量。經(jīng)驗證,與機器人谷公司專家進行的初步設(shè)計相比,4 連桿的最佳設(shè)計具有接近 2 的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量為 4 連桿。管內(nèi)原型清潔機器人包括具有這些最佳尺寸的 6 連桿滑動機構(gòu),已經(jīng)與 Robot Valley,Inc。合作開發(fā)了清潔測試。為了進一步研究這個原型,現(xiàn)有的清潔工具需要重新設(shè)計成簡單有效的類型,因為其反刷的復(fù)雜機理。
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