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管道清洗機器人的優(yōu)化機構設計 摘要： 最近，由于垃圾自動收集設施（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（稱為管道內清潔機器人）的興趣正在增加。 到目前為止，關于管道內機器人的研究一直專注于檢查而不是清潔。在 GACF 中，當垃圾移動時，我們必須去除粘在管道內表面上的雜質（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 的管道內清潔機器人，其具有 6 連桿滑動機構，可以調 節(jié)以適合管道的內表面使用氣動壓力（不是彈簧） 。所提出的用于 GACF 的管道 內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。機器人本 體應具有適合直徑為 300mm 的較小管道的有限尺寸。另外，對于直徑為 400mm 的管道，機器人的連桿應通過滑動機構伸展以適應管道的直徑?；谑褂?TRIZ 的概念設計，我們將與韓國 Robot Valley 公司的現場工程師合作，建立機器人的 初始設計。對于管內清洗機器人的優(yōu)化設計，利用機器人與管道內表面碰撞的最 大沖擊力進行模擬。當滑動機構的鏈接被拉伸以適合時， RecurDyn?進入 400 毫 米直徑的管道。利用基于實驗設計的 ANSYS?Workbench（簡稱 DOE），模擬最 大沖擊力對滑動 機構 6 連桿施加的應力。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 2，并且具有 4 個連桿的最小質量。它 將被驗證與 Robot Valley， Inc。專家的初步設計相比， 4 連桿的最佳設計具有接 近 2 的最佳安全系數以及最小質量的 4 個連桿。此外，管道內清潔機器人的原型 將進一步研究說明。 關鍵詞： 管道內清潔機器人， 6 連桿滑動機構， TRIZ，優(yōu)化設計， RecurDyn?， 實驗設計（ DOE）， ANSYS?Workbench 1 引言 最近 ，由 于垃圾自動收集設施（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。 盡管根據調查，韓國 GACF 處于初始階段，但據報道，通過解 決現有手動拾取方式導致的環(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)定運行的技術技能。 到目前為止，韓國垃圾收集的方式如下 ; 當 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。 與現有的 人力和車 輛接送方式相比， GACF 擁有一個中央收集的設施，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 的關鍵圖。 圖 1 GACF 的關鍵圖 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機，并從進氣口吸入空氣，如圖 1 所示。 此時，根據 氣流， GACF 收集生活垃圾。 為了長期穩(wěn)定地維 護 GACF，管道內清潔很重要。 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，關于管道內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動管道內檢測機器人。 此外， Choi 等人。開發(fā)了一種管內檢查 /清潔機器人，它可以通過 使用帶彈簧的輪子粘 在管道的內表面上，如圖 2 所示。這種機器人有一個嚴重的缺點，即機器人可以 與 當一個輪子在管道的分支點處無效時，管道的內表面 。 圖 2 管道內檢查 /清潔機器人（ Choi 等人） 在 GACF 中，當垃圾移動時，我們必須去除粘在管道內表面上的雜質（直 徑： 300mm 或 400mm）。 因此，在本文中，我們將 開發(fā)一種 GACF 管道內清潔 機器人，其滑動機構可以通過氣動壓力（不是彈簧）調節(jié)到適合管道內表面。 所 提出的用于 GACF 的管道內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 。 機器人本體應具有適合直徑為 300mm 的較小管道的有限尺寸。 另 外，對于直徑為 400mm 的管道，機器人的連桿應通過滑動機構伸展以適應管道 的直徑。 機器人前部有一個 攝像頭和一個旋轉刷，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來提高清潔效率。 本文的結構如下。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 的管道內清潔機器人的概念設計?；谶@種概念設計，我們將 與韓國 Robot Valley 公司的現場工程師合作，建立機器人的初始設計。對于管道 內清潔機器人的優(yōu)化設計，在第 三節(jié)中，當滑動機構的連桿拉伸到 400mm 時， 使用 RecurDyn?模擬機器人與管道內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的 6 個 連桿施加的應力進行模擬。 實驗設計（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 2，并且具有 4 個連桿的最 小質量 。第五節(jié)將得出結論。 2.基于 TRIZ 的管道清洗機器人的基本設計 提出的管道內清潔的概念設計機器人使用 TRIZ 的 6SC 執(zhí)行如下： A.（ 6SC 的第 1 步）圖片中的問題 陳述 圖 3 顯示了管道內清潔機器人的簡單設計。 問題是機器人無法裝入直徑為 300mm / 400mm 的管道，因為根據兩種類型的管道（直徑為 300mm 或 400mm）， 它沒有任何可變機構。 圖 3 管內清潔機器人的簡單設計 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 在目標上，機器人應設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） 理想的最終結果（ IFR） 作為 IFR，我們建議將機器人設計成適合較小直徑（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：“兩個機器人體應分別設計成適合兩種類型的管 子（直徑 300mm 或 400mm）。 并且，機器人應該被設計成一個整體。 “為了找 到矛盾問題的解決方案，我們在下面的句子中應用分離原則： ”兩種管道的每個 機器人體分別設計，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計成適合兩個標準直徑（ 300 毫米和 400 毫米）的管道作為可變機構。 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：對于兩種類型的標準化管道（ 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，以適應直徑為 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配合到管的內 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，如圖 7 所示。 如該圖所示，管內清潔機 器人具有總共六個 6 連桿滑動機構，即前滑塊 3 個，后滑塊 3 個。 圖 6 6 連桿滑動 機構 圖 7 一個滑塊的三個 6 連桿滑動機構 該問題解決方案的評估可以如下進行：當三個六連桿機構中的一個落入管道 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 3.使用 RECURDYN?進行動態(tài)模擬 基于第二節(jié)中介紹的管道內清潔機器人的概念設計，圖 9 中提出了使用氣動 壓力的六連桿滑動機構的初始設計，與韓國 Robot Valley 公司合作。 特別是表 1 顯示了鏈路 1 至 4 的初始設計的長度和厚度，這些設計來自機器人谷的設計專家 的經驗知識。 對于管道清洗機器人的最佳設計，最大沖擊沖擊力 通過使用 RecurDyn?（多體動力學）在本節(jié)中模擬機器人與管道內表面之間的關系 模擬程 序）當滑動機構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 表格 1 鏈接的初始設計 Links 1 2 3 4 Length (mm) 91 91 37 145 Thickness (mm) 10 5 5 10 當 6 連桿滑動機構與初始 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 導入 RecurDyn?。 在此模擬中使用的約束條件 RecurDyn?是重力，關節(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 關節(jié)不需要約束，以便它可以滑動。 圖 10 關節(jié)和固定狀態(tài)的約束 機器人六個 6 連 桿滑動機構的碰撞 管道內表面只有一個六連桿滑動機構為 方便起見，在 RecurDyn?中考慮過。 2 個 6 連桿輪 滑動機構由內部“固體接觸” 給出側面如圖 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 彈簧常數為 5 N / mm，彈簧位移為 40 mm 使 6 連桿機構以 1.97m / s2 加速度 滑動。 因此，氣動壓力可以用彈簧力代替常數 5 N / mm，位移 40 mm。 圖 12 彈簧力條件 圖 13 顯示了當 6 連桿滑動機構與管道內側（直徑 400 mm）碰撞時使用 RecurDyn?模擬的沖擊力。 如該圖所示，機構滑動 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?的沖擊力仿真結果 4. 6 連桿滑動機構的優(yōu)化設計 現在 我們處理 6 連桿滑動的最佳設計 本節(jié)中的管道內清潔機器人的機構。 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 輪鏈滑動機構的車輪 1 的點上，如圖 14 所示（ 3-D 模型） ANSYS?Workbench）。 我們假設車輪 1 在動態(tài)模擬中比車輪 2 更早地與管道內 側發(fā)生碰撞，因為車輪 1 與 6 車道機構的距離比車輪 2 短。然后使用 ANSYS?Workbench 進行靜態(tài)分析基于 DOE（ 也就是說，實驗設計）以獲得 4 個設計變量的最佳尺寸，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（俯視圖） DOE 通常用于通過對給定設計（或性能測試）問題執(zhí)行最小模擬（或實驗） 來提取最大信息。 DOE 可以幫助確定定量 關于問題中每個設計（或實驗）因素 （或變量）的影響。 這導致找到設計（或實驗）變量的最佳值。 在 6 連桿機構 的設計中，設計變量的數量（統(tǒng)計術語中的控制因子）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場工程師的設計經驗所產生的每個因素的水 平。 對于這種 6 鏈路機制，四級四設計變量的正交陣列（ 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 進行 16 次靜態(tài)分析。 4 個設計變量的最優(yōu)值可根據以下標準選擇 ：（ 1） 6 連桿 滑動機構的安全系數應高達 2（現場工程師在機器人設計中建議最佳安全系數為 2） ），（ 2）應盡量減少機構的質量。 可以以與多目標問題類似的方式指定標準。 因此，該多目標標準由等式（ 1）給出。 這里 sf1 和 sf2 表示縮放因子。而且， w1 和 w2 是加權因子。根據等式（ 1） 選擇適當的重量和比例因子值。由于多目標標準必須是線性組合函數，因此 0.5 的值已分配給 w1 和 w2。同時， sf1 和 sf2 的常數分別由 0.5 和 0.5 給出，以便將 客觀標準的最大值的上限值設置為 1.根據 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 個結果。因此，與其他 15 組設計變量相比，表 3 的最后一列顯示了紅色下劃線的最優(yōu)（對應于目標函數的 最小值）設計變量。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)設計（或最佳厚度）具有目標函數的值（即 0.09653），包括安全系數 2.7065 和質量 0.145kg，遠小于初始設計的情況，目標值（即 0.27631） 功能包括安全系 數 3.6751 和初始質量 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)的材料是經過特殊熱處理的 AL 7075-O（ ss）。因此，我們可以 得出結論，與 Robot Valley， Inc。的專家進行的初始設計相比， 4 個鏈路的最佳 設計具有接近 2 的最佳安全系數以及具有 4 個鏈路的最小質量。 - 包括 具有這 些最佳尺寸的 6 連桿滑動機構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) 分析的結果之一 圖 17 管內清洗機器人的原型，包括最佳尺寸的六連桿滑動機構 5. 結論 最近，由于垃圾自動收集設施（即 GACF）被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū)， 因此對管道內清潔機器人的興趣正在增加。在 GACF 中，當垃圾移動時，我們 必須去除粘附在垃圾內表面的雜質 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 的管道內清潔機器人，其具有 6 連桿滑動機構，可以調節(jié)以適合管道的內 表面使用氣動壓力（不是彈簧）。所提出的用于 GACF 的 管道內清潔機器人本身 可以具有向前 /向后移動以及刷子在清潔中的旋轉。機器人本體應具有適合直徑 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 的連桿應通過滑動機構伸展以適應管道的直徑?；谶@種概念 設計，我們與韓國 Robot Valley 公司的現場工 程師合作，建立了機器人的初始設計。對于管道內清 潔機器人的優(yōu)化設計，當滑動機構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表面之間的最大碰撞沖擊力。 。利用基于實 驗設計的 ANSYS?Workbench（簡稱 DOE），模擬了最大沖力對滑動機構 6 連桿 施加的應力。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 2，并且具有 4 個連桿的最小質量。經驗證，與機器人谷公司專家進 行的初步設計相比， 4 連桿的最佳設計具有接 近 2 的最佳安全系數以及最小質量 為 4 連桿。管內原型清潔 機器人包括具有這些最佳尺寸的 6 連桿滑動機構，已經 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，現有的 清潔工具需要重新設計成簡單有效的類型，因為其反刷的復雜機理。