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管道清洗機(jī)器人的優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jī)器人（稱為管道內(nèi)清潔機(jī)器人）的興趣正在增加。 到目前為止，關(guān)于管道內(nèi)機(jī)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(jī)器人，其具有 6 連桿滑動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人的連桿應(yīng)通過滑動機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑?；谑褂?TRIZ 的概念設(shè)計(jì)，我們將與韓國 Robot Valley 公司的現(xiàn)場工程師合作，建立機(jī)器人的 初始設(shè)計(jì)。對于管內(nèi)清洗機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用機(jī)器人與管道內(nèi)表面碰撞的最 大沖擊力進(jìn)行模擬。當(dāng)滑動機(jī)構(gòu)的鏈接被拉伸以適合時， RecurDyn?進(jìn)入 400 毫 米直徑的管道。利用基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的 ANSYS?Workbench（簡稱 DOE），模擬最 大沖擊力對滑動 機(jī)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(yàn)證與 Robot Valley， Inc。專家的初步設(shè)計(jì)相比， 4 連桿的最佳設(shè)計(jì)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(jī)器人的原型 將進(jìn)一步研究說明。 關(guān)鍵詞： 管道內(nèi)清潔機(jī)器人， 6 連桿滑動機(jī)構(gòu)， TRIZ，優(yōu)化設(shè)計(jì)， RecurDyn?， 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（ 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(jī)器人（我們將此稱之為機(jī)器人管道清潔機(jī)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(fèi)用昂貴，運(yùn)營費(fèi)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(yùn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jìn) GACF 的輸入槽時，垃圾通過與收集場地相連的管道運(yùn)輸。 在 收集的場地， GACF 操 作一個與管道連接的鼓風(fēng)機(jī)，并從進(jìn)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(hù) 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(yùn)動的管道內(nèi)清潔機(jī)器人，以使管道清潔。 管道清洗機(jī)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(jī)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?xì)夤艿赖牟顒域?qū)動管道內(nèi)檢測機(jī)器人。 此外， Choi 等人。開發(fā)了一種管內(nèi)檢查 /清潔機(jī)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(jī)器人有一個嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即機(jī)器人可以 與 當(dāng)一個輪子在管道的分支點(diǎn)處無效時，管道的內(nèi)表面 。 圖 2 管道內(nèi)檢查 /清潔機(jī)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(jī)器人，其滑動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人的連桿應(yīng)通過滑動機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道 的直徑。 機(jī)器人前部有一個 攝像頭和一個旋轉(zhuǎn)刷，可同時進(jìn)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(jī)器人的概念設(shè)計(jì)?；谶@種概念設(shè)計(jì)，我們將 與韓國 Robot Valley 公司的現(xiàn)場工程師合作，建立機(jī)器人的初始設(shè)計(jì)。對于管道 內(nèi)清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在第 三節(jié)中，當(dāng)滑動機(jī)構(gòu)的連桿拉伸到 400mm 時， 使用 RecurDyn?模擬機(jī)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(jī)構(gòu)的 6 個 連桿施加的應(yīng)力進(jìn)行模擬。 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（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(jī)器人的基本設(shè)計(jì) 提出的管道內(nèi)清潔的概念設(shè)計(jì)機(jī)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(jī)器人的簡單設(shè)計(jì)。 問題是機(jī)器人無法裝入直徑為 300mm / 400mm 的管道，因?yàn)楦鶕?jù)兩種類型的管道（直徑為 300mm 或 400mm）， 它沒有任何可變機(jī)構(gòu)。 圖 3 管內(nèi)清潔機(jī)器人的簡單設(shè)計(jì) 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(jìn)行系統(tǒng)功能分析，如圖 4 所示 在目標(biāo)上，機(jī)器人應(yīng)設(shè)計(jì)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(jī)器人的直徑意味著保持機(jī)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(jī)器人設(shè)計(jì)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(jī)器人體應(yīng)分別設(shè)計(jì)成適合兩種類型的管 子（直徑 300mm 或 400mm）。 并且，機(jī)器人應(yīng)該被設(shè)計(jì)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(jī)器人體分別設(shè)計(jì)，然后是兩個機(jī)器人體 被放在一個機(jī)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(jī)器人的身體 ”和 “管 的直徑 ”。這個圖表明機(jī)器人的身體設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)配合到管的內(nèi) 表面中。 因此，機(jī)器人具 有三個用于一個滑塊的 6 連桿滑動機(jī)構(gòu)，如圖 7 所示。 如該圖所示，管內(nèi)清潔機(jī) 器人具有總共六個 6 連桿滑動機(jī)構(gòu)，即前滑塊 3 個，后滑塊 3 個。 圖 6 6 連桿滑動 機(jī)構(gòu) 圖 7 一個滑塊的三個 6 連桿滑動機(jī)構(gòu) 該問題解決方案的評估可以如下進(jìn)行：當(dāng)三個六連桿機(jī)構(gòu)中的一個落入管道 的分支點(diǎn)時，使用氣動壓力的六連桿滑動機(jī)構(gòu)可以通過保持機(jī)器人的直徑來逃離 分支點(diǎn)（在其他 單詞，機(jī)器人的狀態(tài)適合管道，并且可以穩(wěn)定地移動，因?yàn)榭?以固定三個 6 連桿機(jī)構(gòu)中的兩個，如圖 8 所示。 圖 8 使用分支點(diǎn)處的氣動 壓力評估 6 連桿滑動機(jī)構(gòu) 3.使用 RECURDYN?進(jìn)行動態(tài)模擬 基于第二節(jié)中介紹的管道內(nèi)清潔機(jī)器人的概念設(shè)計(jì)，圖 9 中提出了使用氣動 壓力的六連桿滑動機(jī)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)，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(jì)的長度和厚度，這些設(shè)計(jì)來自機(jī)器人谷的設(shè)計(jì)專家 的經(jīng)驗(yàn)知識。 對于管道清洗機(jī)器人的最佳設(shè)計(jì)，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(jī)器人與管道內(nèi)表面之間的關(guān)系 模擬程 序）當(dāng)滑動機(jī)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?yàn)榧僭O(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(jī)構(gòu) 表格 1 鏈接的初始設(shè)計(jì) 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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人六個 6 連 桿滑動機(jī)構(gòu)的碰撞 管道內(nèi)表面只有一個六連桿滑動機(jī)構(gòu)為 方便起見，在 RecurDyn?中考慮過。 2 個 6 連桿輪 滑動機(jī)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(jī)構(gòu)的滑動運(yùn)動由 氣動壓力。 但沒有氣動壓力 RecurDyn?計(jì)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 現(xiàn)在 我們處理 6 連桿滑動的最佳設(shè)計(jì) 本節(jié)中的管道內(nèi)清潔機(jī)器人的機(jī)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(jī)構(gòu)的車輪 1 的點(diǎn)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?yàn)檐囕?1 與 6 車道機(jī)構(gòu)的距離比車輪 2 短。然后使用 ANSYS?Workbench 進(jìn)行靜態(tài)分析基于 DOE（ 也就是說，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）以獲得 4 個設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)（俯視圖） DOE 通常用于通過對給定設(shè)計(jì)（或性能測試）問題執(zhí)行最小模擬（或?qū)嶒?yàn)） 來提取最大信息。 DOE 可以幫助確定定量 關(guān)于問題中每個設(shè)計(jì)（或?qū)嶒?yàn)）因素 （或變量）的影響。 這導(dǎo)致找到設(shè)計(jì)（或?qū)嶒?yàn)）變量的最佳值。 在 6 連桿機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)變量的數(shù)量（統(tǒng)計(jì)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(jī)器人谷的現(xiàn)場工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所產(chǎn)生的每個因素的水 平。 對于這種 6 鏈路機(jī)制，四級四設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)構(gòu) 進(jìn)行 16 次靜態(tài)分析。 4 個設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的安全系數(shù)應(yīng)高達(dá) 2（現(xiàn)場工程師在機(jī)器人設(shè)計(jì)中建議最佳安全系數(shù)為 2） ），（ 2）應(yīng)盡量減少機(jī)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(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)（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(yuǎn)小于初始設(shè)計(jì)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(lán)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(jìn)行的初始設(shè)計(jì)相比， 4 個鏈路的最佳 設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的管道清潔機(jī)器人如圖 17 所示。該原型機(jī)與 Robot Valley， Inc。合作進(jìn)行清潔測試。 表 3 正交陣列 圖 16 使用 ANSYS?Workbench 進(jìn)行靜態(tài) 分析的結(jié)果之一 圖 17 管內(nèi)清洗機(jī)器人的原型，包括最佳尺寸的六連桿滑動機(jī)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(jī)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(jī)器人，其具有 6 連桿滑動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人 的連桿應(yīng)通過滑動機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑?；谶@種概念 設(shè)計(jì)，我們與韓國 Robot Valley 公司的現(xiàn)場工 程師合作，建立了機(jī)器人的初始設(shè)計(jì)。對于管道內(nèi)清 潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)滑動機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合直徑 400mm 的管道時，使 用 RecurDyn?模擬機(jī)器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。 。利用基于實(shí) 驗(yàn)設(shè)計(jì)的 ANSYS?Workbench（簡稱 DOE），模擬了最大沖力對滑動機(jī)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(yàn)證，與機(jī)器人谷公司專家進(jìn) 行的初步設(shè)計(jì)相比， 4 連桿的最佳設(shè)計(jì)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(jī)器人包括具有這些最佳尺寸的 6 連桿滑動機(jī)構(gòu)，已經(jīng) 與 Robot Valley， Inc。合作開發(fā)了清潔測試。為了進(jìn)一步研究這個原型，現(xiàn)有的 清潔工具需要重新設(shè)計(jì)成簡單有效的類型，因?yàn)槠浞此⒌膹?fù)雜機(jī)理。
山東英才學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目
中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人
學(xué) 院
機(jī)電學(xué)院
專業(yè)班級
1503
學(xué)生姓名
王永恒
學(xué) 號
201501010771
指導(dǎo)教師
段輝
日 期
2019年 月 日
1
山東英才學(xué)院本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)（論文）
摘 要
隨著科技的發(fā)展,中央空調(diào)為人們創(chuàng)造舒適環(huán)境的同時卻又帶來了隱患。“空調(diào)病”患者逐漸增多,造成這樣原因的就是中央空調(diào)管道的并不能得到及時清洗，這讓人體健康受到了極大傷害。另一個方面的影響是不潔凈的空調(diào)管道還會讓制冷效果下降,使得大量的能源被浪費(fèi)。故制造中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人目前刻不容緩。
本文闡述了國內(nèi)外中央空調(diào)清潔機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，講明了本課題的研究背景及意義，進(jìn)行了中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)，并針對現(xiàn)存情況,本文研制出一種具有自適應(yīng)可調(diào)型空調(diào)管道清掃機(jī)器人,通過更換不用的刷頭及履帶足自變位系統(tǒng)機(jī)器人能夠滿足方管、圓管管道的清掃工作要求。通過履帶足上的電磁鐵的通斷電能夠?qū)崿F(xiàn)水平與垂直上升的工作要求。通過CCD彩色攝像機(jī)能實(shí)現(xiàn)控制人員的實(shí)時監(jiān)控。
所設(shè)計(jì)的中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人最終實(shí)現(xiàn)了不同管徑、不同管道的清洗工作，完成了自適應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人小型化、輕量化的要求，更適應(yīng)目前國內(nèi)的發(fā)展形勢。
關(guān)鍵詞：自適應(yīng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；受力分析
Abstract
With the development of technology, central air-conditioning creates a comfortable environment for people while bringing hidden dangers. The number of patients with "air-conditioning disease" has gradually increased. The reason for this is that the central air-conditioning ducts cannot be cleaned in time, which is extremely harmful to the health of the body. Another aspect of the impact is that unclean air conditioning ducts will also reduce the cooling effect, causing a large amount of energy to be wasted. Therefore, it is urgent to manufacture a central air-conditioning pipe cleaning robot.
This paper expounds the development status of central air-conditioning cleaning robots at home and abroad, explains the research background and significance of this topic, and carries out the research and design of the mechanical structure of central air-conditioning pipe cleaning robots, and develops a self-contained It can adapt to the adjustable air conditioning pipe cleaning robot. It can meet the cleaning requirements of square pipe and round pipe by replacing the unused brush head and the track foot self-displacement system robot. The horizontal and vertical rise of the working requirements can be achieved by the on and off of the electromagnet on the track foot. The real-time monitoring of the control personnel can be realized by the CCD color camera.
The designed central air-conditioning pipe cleaning robot finally realized the cleaning work of different pipe diameters and different pipes, completed the adaptive function, realized the requirements of miniaturization and light weight of the robot, and better adapted to the current domestic development situation.
Keywords: adaptive；structural design；stress analysis
目錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1設(shè)計(jì)意義及發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2國內(nèi)中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及存在的弊端 1
1.3 本章小結(jié) 2
2 中央空調(diào)管道清洗機(jī)人的整體設(shè)計(jì) 3
2.1 機(jī)器人功能的總體設(shè)計(jì)方案 3
2.2 清洗機(jī)器人的尺寸及參數(shù)要求 3
2.3 清洗機(jī)器人的系統(tǒng)組成及功能 3
2.4 模擬清洗機(jī)器人的工作狀態(tài) 4
2.5 本章小結(jié) 4
3 中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人移動部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
3.1 清洗機(jī)器人整體尺寸大小的確定 5
3.2 機(jī)器人移動方式的選擇 5
3.3機(jī)器人履帶爬壁的力學(xué)分析 6
3.3.1 爬壁時靜態(tài)力學(xué)分析 7
3.3.2 爬壁時運(yùn)動力學(xué)分析 7
3.4機(jī)器人履帶足的選擇 8
3.4.1 驅(qū)動電機(jī)的選擇 8
3.4.2 驅(qū)動電機(jī)的選擇計(jì)算 9
3.5 機(jī)器人履帶的強(qiáng)度校核 11
3.6 本章小結(jié) 12
4 中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
4.1 清洗臂升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13
4.2 清洗刷驅(qū)動電機(jī)的確定 14
4.3 本章小結(jié) 15
5 機(jī)器人自適應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)及監(jiān)控設(shè)備的選擇 16
5.1 履帶足變位裝置 16
5.2 刷頭更換裝置 17
5.3中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人照明和檢測裝置 17
5.4 本章小結(jié) 18
6 機(jī)器人工作時的受力分析 19
6.1機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析 19
6.2機(jī)器人直線運(yùn)動狀態(tài)分析 20
6.3 機(jī)器人在管道中移動時拖線阻力的分析 22
6.4. 機(jī)器人越障極限狀態(tài)分析 24
6.5 機(jī)器人爬坡和跨越溝道能力的研究 25
6.6 機(jī)器人在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎時的通過性分析 26
6.6.1 機(jī)器人在水平直角彎管的通過性分析 26
6.6.2 機(jī)器人在矩形管斜接彎頭的通過性分析 27
6.6.3 機(jī)器人在圓弧形彎頭的通過性分析 28
6.7 機(jī)器人轉(zhuǎn)彎半徑的研究 29
6.8 本章小結(jié) 30
7 總結(jié) 31
參考文獻(xiàn) 32
致謝 33
IV
1 緒論
1.1設(shè)計(jì)意義及發(fā)展現(xiàn)狀
隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，科技步入了人們的生活?？照{(diào)系統(tǒng)在人們的日常生活中已經(jīng)發(fā)揮了越來越重要的作用。中央空調(diào)系統(tǒng)控制著樓內(nèi)空氣的更新代謝，被稱為“建筑物之肺”。而中央空調(diào)管道在清洗工作中則會積聚許多粉塵或病菌及放射物等，這些對人體有害的東西在送風(fēng)進(jìn)行中很容易的便感染了空氣，并且長期被人體吸入，會極大地危害大眾的身體。因此，人們在要求提高生活質(zhì)量同時，對于提高工作及居住場所的環(huán)境質(zhì)量的呼聲也越來越急迫。正是因?yàn)檫@樣，中央空調(diào)管道清洗行業(yè)也必將成為一個中國新興的還將有著巨大潛力的發(fā)展行業(yè)，對中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人的研究更是具有很高的社會價值及其商業(yè)價值。
在國外一些發(fā)達(dá)的國家，對于中央空調(diào)管道的清潔頒布了較為嚴(yán)格的使用期限及清洗法律,例如美國國家管道清洗協(xié)會制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《暖通管道空調(diào)系統(tǒng)的評估、清洗及修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)》，而日本制定了《日本風(fēng)道管道清洗協(xié)會技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。醫(yī)院、學(xué)校等需要每年清洗一次。類似的法律的產(chǎn)生完全可以預(yù)見將來空調(diào)法將在世界各地開始實(shí)施。目前，許多發(fā)達(dá)國家均成立建設(shè)了中央空調(diào)管道清洗協(xié)會,如美國、英國的、瑞典的等等,已經(jīng)形成了一個非常具體的行業(yè)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),目前國際上生產(chǎn)管道清洗機(jī)器人的公司已不下20家,如瑞典的,加拿大的，美國的與韓國的，英國的等。一些比較成熟并且具有代表性的生產(chǎn)產(chǎn)品如圖1-1所示。
圖1-1國外較為典型的管道清掃機(jī)器人
1.2國內(nèi)中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及存在的弊端
相較于國外,我國目前中央空調(diào)的應(yīng)用正處于穩(wěn)步發(fā)展中。2004年我國第一臺管道清洗機(jī)器人由中科院蘭州分院研發(fā)成功。據(jù)資料分析,其研制的清洗機(jī)器人樣機(jī)實(shí)際是根據(jù)矩形空調(diào)通管道的規(guī)格設(shè)計(jì)的,它具有對管道內(nèi)污染情況實(shí)施觀察、在管道中行走、對污染物及時進(jìn)行清潔的功能。這之后管道清洗機(jī)器人行業(yè)已經(jīng)取得了較大的發(fā)展。如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、東華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、深圳大學(xué)等,已經(jīng)取得一定的成果。而東華大學(xué)獨(dú)立研制的中國的、首個能完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“自主變位的四履帶足機(jī)器人”如圖1-2所示,此機(jī)器人憑借著四個獨(dú)立的的運(yùn)動支腳,實(shí)現(xiàn)在空調(diào)管道內(nèi)靈活的移動,還能完成如越溝、直立、爬坡等這些高難度動作。而舉升式的清洗臂可以適應(yīng)于各種尺寸、各種形狀的管道，同時自帶的彩色攝像頭則能夠讓操作人員隨時監(jiān)控機(jī)器人的清掃效果?？筛鼡Q的清洗刷能夠適應(yīng)于各種形狀的管道并進(jìn)行清洗。此機(jī)器人采用多電機(jī)驅(qū)動的技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單,可靠性好優(yōu)點(diǎn)。
圖1-2東華大學(xué)自主變位四履帶足機(jī)器人
中央空調(diào)系統(tǒng)管道一般選用圓管,使其易于清洗,并且各種形狀管道的尺寸規(guī)格等都有明確的標(biāo)準(zhǔn),加上空調(diào)系統(tǒng)的維護(hù)與保養(yǎng)也較為到位,使得管道內(nèi)臟亂程度相對于國內(nèi)較低。而國內(nèi)的管道制作極為不規(guī)范,管道設(shè)計(jì)規(guī)格多,且經(jīng)常存在變徑的情況,再加上空氣質(zhì)量普遍較差,造成管道內(nèi)比較臟，造成清洗難度大。并且設(shè)備本身而言就很少針對中國的空調(diào)管道的一些具體情況做出相適應(yīng)的設(shè)計(jì),造成在國內(nèi)工作效果并不理想。另外國外的管道清洗機(jī)器人設(shè)備價格較為昂貴,使得一般清洗服務(wù)單位實(shí)在很難承受。針對這些急需的情況,本文研究設(shè)計(jì)出了一種自適應(yīng)型管道清洗機(jī)器人,它實(shí)現(xiàn)了滿足各種形狀和尺寸的管道的清掃工作的要求,并且本文還對其各種運(yùn)動狀態(tài)及其受力情況進(jìn)行了分析。
1.3 本章小結(jié)
本章主要介紹了所選的課題的來源以及研究背景,闡明了中央空調(diào)管道污染所造成的嚴(yán)重性以及定期清洗的必要性,并且說明了目前國內(nèi)外中央空調(diào)管道系統(tǒng)清洗狀況,引出了本課題的核心，即如何制造適應(yīng)于國內(nèi)中央空調(diào)管道的清洗機(jī)器人，并說明了本次課題研究的主要內(nèi)容。
2 中央空調(diào)管道清洗機(jī)人的整體設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)器人功能的總體設(shè)計(jì)方案
本文所研究并且設(shè)計(jì)的中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人所要完成的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的中央空調(diào)管道的清掃及檢測工作。目前大部分管道采用矩形管道,而圓形管道則是符合了我國中央空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)清洗行業(yè)達(dá)到規(guī)范化的趨勢,所以從現(xiàn)實(shí)和前景來綜合考慮,本文所研制的清洗機(jī)器人是有自適應(yīng)型結(jié)構(gòu)的機(jī)器人,這種結(jié)構(gòu)使它能夠在不同的形狀和尺寸的管道中正常工作,同時也確保清洗機(jī)器人系統(tǒng)的靈活性、可靠性以及清洗作業(yè)裝置的高效率性,并要實(shí)現(xiàn)在此基礎(chǔ)上,盡可能的使整個設(shè)置實(shí)現(xiàn)小型化和操作方便合理化,要使其具備一定的轉(zhuǎn)彎、爬坡和越障能力。為了實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人的自適應(yīng)性,本文所研制的機(jī)器人采用履帶足變位裝置，通過連接桿的角度變化可以實(shí)現(xiàn)在矩形管和圓管中的清洗工作。通過更換底部履帶足與吸盤底則可以實(shí)現(xiàn)在水平管與垂直管中的行走。同時清掃臂舉升機(jī)構(gòu)采用絲桿結(jié)構(gòu)，通過電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)升高或降低。另外，通過清洗臂的刷頭轉(zhuǎn)化裝置則可以更換清洗刷，從而使該管道清洗機(jī)器人能夠適應(yīng)各種不同類型和尺寸的管道。
2.2 清洗機(jī)器人的尺寸及參數(shù)要求
為盡可能使整個系統(tǒng)小型化及操作合理方便, 能夠穩(wěn)定運(yùn)行并且具有一定的越障、和爬坡自適應(yīng)能力。順利完成清掃作業(yè)任務(wù)。現(xiàn)對清洗機(jī)器人系統(tǒng)提出以下性能參數(shù)指標(biāo)：
（1）機(jī)器人主體尺寸340*292*156（mm）
（2）清洗高度范圍：200-600（mm）
（3）機(jī)器人自重：6kg
（4）最大行走速度：12m/min
（5）最大爬坡角度：30°
（6）最大工作行程：30m
（7）驅(qū)動方式：直流電機(jī)
（8）行走方式：履帶式
（9）最小回轉(zhuǎn)半徑：146mm
（10）工作時間：≥8小時
（11）控制方式：電纜線連接清洗機(jī)器人傳輸信號
2.3 清洗機(jī)器人的系統(tǒng)組成及功能
為保障清洗機(jī)器人能夠順利、高效的完成清洗任務(wù)。于是機(jī)器人具有以下功能模塊：
（1）移動模塊；
（2）清洗模塊；
（3）控制模塊；
（4）驅(qū)動模塊；
（5）監(jiān)控模塊；
（6）自適應(yīng)模塊。
2.4 模擬清洗機(jī)器人的工作狀態(tài)
（1）根據(jù)所給出需要洗管道的建筑圖紙,根據(jù)實(shí)際情況制定詳細(xì)的清洗方案。
（2）在適當(dāng)位置開施工口,放入管道清洗機(jī)器人。
（3）根據(jù)矩形管或是圓管，更換相適應(yīng)的清洗刷。另外還需要調(diào)節(jié)履帶足的角度，使之實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)性。通過連接桿可以改變履帶足的角度，使之適應(yīng)于圓管。
（4）根據(jù)水平管道或垂直管道，可以將底部履帶足上的電磁鐵通電，將機(jī)器人的水平運(yùn)動改為垂直運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)性。
（5）在機(jī)器人行走的過程中，工作人員可以通過監(jiān)控?cái)z像頭確定機(jī)器人的工作狀態(tài)并進(jìn)行及時的調(diào)整。
2.5 本章小結(jié)
本章主要介紹了本文所設(shè)計(jì)的中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案,提出了其具體參數(shù)及工作指標(biāo),并闡述了管道機(jī)器人各個組成單位間的關(guān)系及主要作用及各模塊的功能。
3 中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人移動部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 清洗機(jī)器人整體尺寸大小的確定
要完成機(jī)器人的自適應(yīng)性，則要保證他在各種尺寸的管道中能夠正常工作，根據(jù)實(shí)際情況而言，機(jī)器人較容易出現(xiàn)不能正常工作的地方即卡死的地方是直角彎管。
圖3-1（a） 圖3-1（b）
計(jì)算機(jī)器人通過率時，需計(jì)算兩種極限情況。
第一種如圖3-1（a）所示，當(dāng)機(jī)器人的前后兩端處于彎管的直管部分時，機(jī)器人的寬度d及長度L應(yīng)滿足下式：
（3-1）
要使(R+D/2)cos45°—（R-D/2）＞0，則彎管曲率半徑L與空調(diào)管道直徑D應(yīng)滿足R/D＜3,而在實(shí)際生活彎管曲率半徑通常大于3m，管道直徑小于600mm，所以第一種情況可以排除。
第二種如圖3-1（b）所示，當(dāng)機(jī)器人的前后兩端處于彎管的彎管部分時，機(jī)器人的寬度d及長度L應(yīng)滿足下式：
（3-2）
由這兩個公式，將機(jī)器人長度L、管道寬度D、及機(jī)器人寬度d代入式中，可得機(jī)器人長度最大長度L≤513mm。綜合考慮機(jī)器人的性能且要實(shí)現(xiàn)小型化，故最終確定尺寸為340×294×156（mm）
3.2 機(jī)器人移動方式的選擇
目前國內(nèi)外的中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人的移動實(shí)現(xiàn)形式主要采用車輪式、腿足式、履帶式、蛇行式等,根據(jù)具體情況的不同來分別選用合適的移動機(jī)構(gòu)。其中車輪式、腿足式和履帶式這三種移動方式較為實(shí)用，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)構(gòu)簡單、易于安裝與控制，故應(yīng)用也最多的。本文為了優(yōu)選移動方式,對這三種移動方式的優(yōu)勢劣勢進(jìn)行了對比。詳情見下表3-2。
表3-2 車輪式、履帶式、腿足式移動方式的比較
根據(jù)這三種行走方式綜合考慮，本文的中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人選用履帶足行走機(jī)構(gòu)。因?yàn)槁膸叫凶邫C(jī)構(gòu)具有較大的穩(wěn)定性,支撐面積大,越障能力較強(qiáng),符合本文的多適應(yīng)性原則。本文中履帶式行走機(jī)構(gòu)由兩個各裝有一個驅(qū)動電機(jī)的履帶足控制移動。通過點(diǎn)擊的正反轉(zhuǎn)及單個電機(jī)的驅(qū)動就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎。
3.3機(jī)器人履帶爬壁的力學(xué)分析
根據(jù)本文設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)指標(biāo)以及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，這一節(jié)進(jìn)行相適應(yīng)的力學(xué)分析，確保機(jī)器人能夠完成設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的。并且為下一節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供必要的設(shè)計(jì)參數(shù)。
本文采用靜電吸附原理實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬壁運(yùn)動。靜電吸附是指對導(dǎo)電電極施加高壓靜電從而在電極上產(chǎn)生出大量自由電荷，利用自由電荷所激發(fā)的高壓強(qiáng)電場促使吸附單元磁化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)吸附。以鋁箔為吸附電極，兩端覆以絕緣層，防止電荷流失及受外界環(huán)境影響。
要實(shí)現(xiàn)在垂直壁面上的運(yùn)動，要完成“吸附”、“移動”這兩方面。首先，根據(jù)“爬壁”這一特性來進(jìn)行力學(xué)分析，為了使機(jī)器人能夠在垂直壁上行走，需要對垂直避免上的近期人進(jìn)行靜態(tài)的受力分析：其次，要對其移動狀態(tài)進(jìn)行受力分析，用來確定電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及履帶輪的設(shè)計(jì)，確定電機(jī)的型號及參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.3.1 爬壁時靜態(tài)力學(xué)分析
由于機(jī)器人在垂直壁面上的失效形式是是沿壁面下滑，于是就此進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算極限條件，要使機(jī)器人剛好下滑，有以下計(jì)算：
（3-3）
由此式可推地：
（3-4）
G—爬壁機(jī)器人一半的重量，G=29.4N
—壁面對履帶上一個吸附單元的支持力，N
—履帶上一個吸附單元對壁面的吸附力，N
—一個吸附單元對壁面的摩擦力,=0.5
—單邊履帶上有吸附作用的個數(shù)，n=9
將數(shù)值代入，可得,單個吸附單元對壁面產(chǎn)生的吸附力。
由此可知，單個吸附單元的最小吸附力約為7N，考慮到一些不確定因素，需要適當(dāng)?shù)奶岣邫C(jī)器人與壁面的吸附力，但同時吸附力增大，會增大電機(jī)的輸出扭矩，導(dǎo)致爬壁機(jī)器人的體積增大，綜合考慮，采用的單個吸附單元最小吸附力為F=15N。
由于吸附裝置需要配套在同步帶上，所以其長度有一定的限制，但是考慮到吸附張志需要支撐整個爬壁機(jī)器人，所以希望吸附的長度盡可能長些，以保證爬壁機(jī)器人的穩(wěn)定性，所以按要求選擇的電磁鐵的長度接近同步帶的寬度為37mm。整個電磁鐵的總體尺寸為20×35×10mm。此標(biāo)準(zhǔn)的電磁鐵吸附力，故滿足爬壁的條件。
3.3.2 爬壁時運(yùn)動力學(xué)分析
首先分析基本的單電極吸附模式，如圖 3-3 所示，為使機(jī)器人在垂直壁面上運(yùn)動，需要所選用的電機(jī)提供足夠的動力，下面進(jìn)行必要的計(jì)算，從而確定電機(jī)的參數(shù)及型號。
1.機(jī)器人向上爬行時的受力分析
向上爬行時，機(jī)器人單側(cè)的輸出力矩應(yīng)該克服履帶最下端的吸附單元的吸附力以及支持力形成的阻力及重力產(chǎn)生的力矩。（H=機(jī)器人重心離壁面的距離，取100mm）即：
（3-5）
（3-6）
式中 a—吸附力與支持力的距離，取最大值a=10mm（吸附裝置寬度a=20mm）
所以
2. 機(jī)器人向下爬行時的受力分析
清洗機(jī)器人向下運(yùn)動時，相比向上運(yùn)動時需要一個制動力矩來防止機(jī)器人下滑，做出受力分析：（ 為摩擦阻力矩，電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩，重力產(chǎn)生的力矩）
（3-7）
此時可以很明顯的發(fā)現(xiàn)，相比之下，向上爬行的所需電機(jī)力矩更大一些。
故確定了此管道清洗機(jī)器人的履帶足上最小吸附力Fm=15N，履帶足上的電機(jī)所需的輸出轉(zhuǎn)矩 ≥1.575N.m。下一段將根據(jù)這個選擇履帶中的電機(jī)。
3.4機(jī)器人履帶足的選擇
3.4.1 驅(qū)動電機(jī)的選擇
目前，國內(nèi)外一致將機(jī)器人驅(qū)動方式分為：電機(jī)驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電磁驅(qū)動及氣動驅(qū)動等。橫向做出以下比較。
表3-4-1 驅(qū)動方式的比較
綜合本課題所研究的中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人，要實(shí)現(xiàn)在密封狹小的工作環(huán)境中正常工作，又要實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化且成本較低，完全可以滿足所需的工作條件，故最終選用電機(jī)驅(qū)動。
而電機(jī)驅(qū)動目前又分為交流電機(jī)、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。下面做出比較選擇：
根據(jù)本文的實(shí)際要求，要達(dá)到有較大的轉(zhuǎn)矩，且實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的速度變化，具有較快的響應(yīng)能力，有較大的負(fù)載能力，且要對電機(jī)進(jìn)行靈活的控制機(jī)調(diào)速，故應(yīng)選擇控制類電機(jī)，根據(jù)本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人索要滿足的結(jié)構(gòu)條件及所要適應(yīng)的工作環(huán)境綜合考慮，滿足這些要求的，即選用直流伺服電機(jī)。
3.4.2 驅(qū)動電機(jī)的選擇計(jì)算
根據(jù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，我們選取機(jī)器人移動的最大速度為Vmax=12m/min，綜合考慮清洗機(jī)器人的安裝尺寸及性能要求等方面的因素，擬選定的同步帶輪的直徑為d=45mm，此時，主動帶輪最大的轉(zhuǎn)速為：
（3-8）
根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)電纜的質(zhì)量=2kg,與管壁間的摩擦系數(shù)=0.5,此時拖動電纜所需的力。而爬坡阻力為式中，M為機(jī)器人質(zhì)量，，為機(jī)器人最大爬坡角度，=30°。故爬坡阻力 =29.4N，考慮到機(jī)器人在行走過程中還會遇到一些其它的阻力，故去總阻力為則單個履帶足所需要提供的驅(qū)動力為35N，則單個履帶足最大的功率為。則驅(qū)動功率： ( ）
（3-9）
式中—帶輪的傳動效率，
由于電機(jī)與主動輪的傳動比是1.5:1，故驅(qū)動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速
根據(jù)驅(qū)動功率及主動帶輪的轉(zhuǎn)速就可以根據(jù)同步帶選型圖確定所選的代行為XL型。查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，確定標(biāo)準(zhǔn)帶輪的外徑d=48.00mm，節(jié)徑 ，齒數(shù)為Z=30，節(jié)距=5.08。根據(jù)機(jī)器人總體尺寸設(shè)中心距為a=250mm，則帶長 。按國標(biāo)GB/T11616表6.1-58，選標(biāo)準(zhǔn)帶長為655.32mm。節(jié)線長，齒數(shù)為130個齒。根據(jù)帶長反推可得出，帶輪間的中心距應(yīng)該為a=251mm。根據(jù)機(jī)器人的綜藝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，取帶寬為37mm。
此時還要進(jìn)行驅(qū)動電機(jī)的扭矩計(jì)算，故根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的兩種運(yùn)動狀態(tài)來確定履帶足最大的驅(qū)動力矩為
表3-4-3 履帶足驅(qū)動電機(jī)的主要參數(shù)：
額定電壓
24v
轉(zhuǎn)速
50~200rpm
電機(jī)尺寸
36*63（mm）
出軸直徑
6mm
輸出軸長
15mm
功率
約30W
扭矩
約3.6N·m
（3-10）
顯然，故此電機(jī)可以滿足本文設(shè)計(jì)的清洗機(jī)器人所需的驅(qū)動功率及轉(zhuǎn)矩。
3.5 機(jī)器人履帶的強(qiáng)度校核
選取同步帶時為了滿足上面所需要固定的吸附單元，故選帶寬為37mm。
（3-11）
經(jīng)查詢與計(jì)算，，滿足條件。
同步帶傳動時，帶齒受力情況有剪切應(yīng)力，帶齒及帶輪之間的摩擦磨損，同時，在同步帶傳動力矩是，同步帶在進(jìn)入主動輪還會受到拉應(yīng)力。故，同步帶的失效形式有以下幾種：
（1）同步帶受拉應(yīng)力一起疲勞斷裂
（2）帶齒斷裂
（3）帶齒工作面被磨損，失去有效的工作面
通過研究與查詢，當(dāng)同步帶工作時，并且?guī)С贼~帶齒輪嚙合齒數(shù)時，同步帶的帶齒剪切強(qiáng)度會大于抗拉強(qiáng)度。在現(xiàn)代加工工藝中，同步帶的耐磨性有了長足的進(jìn)步，故先暫時不考慮帶齒失效的現(xiàn)象。在本文的正常工作條件下，同步帶的失效形式是在拉應(yīng)力作用下的疲勞斷裂。所以要用同步帶的抗拉強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
在同步帶張緊且不打滑的情況下，及同步帶與同步輪嚙合處，剛好是同步帶入彎點(diǎn)，這樣可以是剪切應(yīng)力沿同步帶的平面方向，方便進(jìn)行計(jì)算。
進(jìn)分析可得，同步帶齒所受的力是輪齒作用給帶齒的剪切力
（3-12）
同步帶所受到的拉應(yīng)力近乎等于剪切力，即
（3-13）
經(jīng)計(jì)算，履帶的拉應(yīng)力總是小于許用拉應(yīng)力，則可得出結(jié)論，在正常的工作條件時，本文所設(shè)計(jì)的同步帶并不會出現(xiàn)斷裂的情況。
最終設(shè)計(jì)出來的履帶機(jī)構(gòu)如下圖所示：
3.6 本章小結(jié)
本章對機(jī)器人各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和確定,主要包括移動機(jī)構(gòu)、即履帶的水平及爬壁方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選用。移動機(jī)構(gòu)確定了移動方案和驅(qū)動方式,并選擇出相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)。最后進(jìn)行了一系列的受力分析及強(qiáng)度計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，所設(shè)計(jì)的移動機(jī)構(gòu)滿足所需要求。
4 中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
清洗機(jī)器人要完成清洗管道的正常清洗工作，清洗部分的設(shè)計(jì)必不可少。清洗裝置包括清洗臂、清洗臂升降機(jī)構(gòu)、清洗刷。下面就進(jìn)行設(shè)計(jì)及計(jì)算，通過清洗臂及升降機(jī)構(gòu)來適應(yīng)不同尺寸的管道，再通過清洗刷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時毛刷與管壁接觸，從而完成正常的清洗工作，確保清洗的效率及質(zhì)量。
4.1 清洗臂升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
目前，運(yùn)用在清洗機(jī)器人舉升機(jī)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)主要有螺桿滑塊結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)升降的步驟是：螺桿在電機(jī)的帶動下作順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn),這時螺桿上的滑塊沿著螺桿左右移動，接著通過支撐桿把清洗臂升起或是降落。而在實(shí)際清洗過程中,清洗臂的調(diào)節(jié)角度不宜過度,所實(shí)現(xiàn)的最大舉升高度約為0.7倍臂長,這種舉升機(jī)構(gòu)并不是適應(yīng)于目前我國國內(nèi)還沒有進(jìn)行規(guī)范的管道。所以本文所采用的舉升機(jī)構(gòu)是絲桿滑塊機(jī)構(gòu)，符合本文所涉及的機(jī)器人輕量化、小型化的要求，并且能夠通過更滑清洗刷完成不同尺寸管道的清洗工作。
本文設(shè)計(jì)的升降機(jī)構(gòu)類似于卡車自卸車的舉升機(jī)構(gòu)，由支撐板、連接桿、絲桿及萬向輪構(gòu)成。能夠?qū)崿F(xiàn)舉升角度為40°，舉升高度為200mm，這使清洗機(jī)器人具有了更大的清洗范圍，能夠適應(yīng)不同尺寸的管道。
現(xiàn)在進(jìn)行簡單地設(shè)計(jì)計(jì)算，絲桿的設(shè)計(jì)計(jì)算：
（4-1）
此時,故絲桿直徑
，取絲桿直徑
并由此可知，絲桿滑塊舉升機(jī)構(gòu)各部分的零件直徑只需大于3.5mm，就可完成舉升運(yùn)動所需的強(qiáng)度條件。
現(xiàn)在電機(jī)的扭矩計(jì)算，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，此電動機(jī)僅僅用于清洗臂的舉升機(jī)構(gòu)的升降。它需要克服的力包含清洗臂的重量，舉升機(jī)構(gòu)的重量及清洗工作進(jìn)行時的阻力，本文設(shè)計(jì)的小車為實(shí)現(xiàn)輕量化的原則，清洗臂及舉升機(jī)構(gòu)的自身重力都不大，所選用的30W直流電機(jī)能夠滿足清洗要求。為留有安全余量，現(xiàn)設(shè)電動機(jī)需舉起的力為，速度為，絲桿轉(zhuǎn)速,電動機(jī)所需的功率，故電機(jī)所需扭矩 。
這個作為選電機(jī)的依據(jù)，根據(jù)前面表3-2-1所列電機(jī)選擇直流減速電機(jī)，故所選舉升機(jī)構(gòu)的電動機(jī)參數(shù)如下：
表4-1 清洗臂驅(qū)動電機(jī)的主要參數(shù)：
額定電壓
24v
轉(zhuǎn)速
50~200rpm
電機(jī)尺寸
36*63（mm）
出軸直徑
6mm
輸出軸長
15mm
功率
約30W
扭矩
約3.6N·m
由于機(jī)器啟動時的動載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的過載現(xiàn)象，所以應(yīng)當(dāng)按軸上的最大轉(zhuǎn)矩最為聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 ,并按下式計(jì)算：
（4-3）
式中： —公稱轉(zhuǎn)矩，
—工作情況系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)表14-1，取
故
按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩 及所選的聯(lián)軸器類型，按照
（4-4）
條件由聯(lián)軸器標(biāo)準(zhǔn)中選定該聯(lián)軸器型號為00GD。式中的 為該型號聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩，經(jīng)查詢計(jì)算機(jī)比較得
接著校核最大轉(zhuǎn)速，被連接軸的轉(zhuǎn)速n不應(yīng)超過所選聯(lián)軸器允許的最高轉(zhuǎn)速,即 設(shè)計(jì)如圖4-1所示：
圖4-1舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
4.2 清洗刷驅(qū)動電機(jī)的確定
對于清洗工作，清洗刷與管道的契合度是一個很重要的因素。機(jī)器人進(jìn)行清掃工作時,清洗刷處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)中,刷毛掃過邊角以及與管壁的摩擦都會受到較大的阻力矩,如果毛刷驅(qū)動電機(jī)功率不夠就會因扭矩不足而停止轉(zhuǎn)動,時間一長甚至?xí)龤щ姍C(jī)。因此在清洗刷機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中我們需要選用一個功率和轉(zhuǎn)速都符合要求的毛刷驅(qū)動電機(jī)。
本文通過測量毛刷旋轉(zhuǎn)所需扭矩來確定驅(qū)動電機(jī)參數(shù)。如圖4-2所示,扭矩,為毛刷在工作過程中所需的穩(wěn)定的驅(qū)動力, 為毛刷軸半徑。對于一個已知的清洗刷頭, 可以直接用尺量出,我們只需要測出的大小,就可以計(jì)算出所需扭矩?？梢圆捎萌缦履M的方法來測量將一條繩子系在彈簧秤上,然后將繩子的另一頭繞在毛刷軸之上,并確保繩與軸之間不產(chǎn)生相對滑動,開始進(jìn)行實(shí)況模擬,將毛刷放置于管道內(nèi),固定其中心軸的位置,拉動彈簧秤使毛刷產(chǎn)生平穩(wěn)轉(zhuǎn)動,此時彈簧秤的數(shù)值即為的大小。
圖4-2測量毛刷扭矩示意圖
將測出的數(shù)據(jù)帶入里計(jì)算出能使毛刷在一般情況下正常平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩為。為了保證基本的清洗要求,根據(jù)實(shí)際情況選取毛刷驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算。
此時電機(jī)功率可以通過下式求出：
（4-5）
由于電機(jī)在實(shí)際傳動過程中會損失一部分功率,因此我們選擇電機(jī)的功率
要大于這個數(shù)值,綜合考慮到電機(jī)的性價比和安裝尺寸等,最后選擇型號為57BLF01的直流電機(jī)作為刷頭驅(qū)動電機(jī)。
表4-2 清洗刷驅(qū)動電機(jī)的主要參數(shù)：
額定電壓
24v
轉(zhuǎn)速
3000rpm
電機(jī)長度
48（mm）
重量
600g
輸出軸長
15mm
功率
63W
扭矩
0.6N·m
4.3 本章小結(jié)
本章對機(jī)器人的清洗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算。確定了清洗方案,并選擇出相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)，完成了清洗機(jī)構(gòu)包括清洗臂舉升機(jī)構(gòu)和清洗刷機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),并且選定了毛刷驅(qū)動電機(jī)，滿足機(jī)器人工作環(huán)境的需要。
5 機(jī)器人自適應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)及監(jiān)控設(shè)備的選擇
由于目前國內(nèi)中央空調(diào)管道既有矩形管道又有圓形管道,且設(shè)計(jì)制造并不規(guī)范,使得管道的尺寸大小各不相同。為了提高其實(shí)用價值,機(jī)器人必須具備自適應(yīng)的功能。本文所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人主通過履帶足變位裝置和刷頭更換裝置來實(shí)現(xiàn)對各種不同形狀和尺寸管道的適應(yīng)功能。通過攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。
5.1 履帶足變位裝置
本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人既要在矩形管道內(nèi)運(yùn)行又要能工作于不同管徑的圓形管道,因此機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)應(yīng)能根據(jù)管徑不同進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,使履帶足面可以與圓形管壁充分接觸,保證機(jī)器人有足夠的牽引力和其工作的穩(wěn)定性。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用履帶足變位裝置實(shí)現(xiàn)這個要求,每個履帶足形成一個整體,通過擺腿與機(jī)器人本體相連如圖一所示,根據(jù)當(dāng)前管道情況手動調(diào)節(jié)履帶足間的套筒裝置，從而調(diào)節(jié)兩側(cè)擺腿的張開角度,使管道機(jī)器人實(shí)現(xiàn)適應(yīng)不同直徑圓管的功能。圖5-1為所示為機(jī)器人通過調(diào)整擺腿角度適應(yīng)不同管徑管道的示意圖,調(diào)節(jié)履帶足的張開角度,使機(jī)器人履帶足面與圓形管壁始終保持充分良好的接觸,而保證機(jī)器人具有足夠的牽引力和附著力。
圖5-1適應(yīng)不同管徑示意圖
圖5-2套筒裝置
履帶足變位裝置如圖5-2所示,在機(jī)器人進(jìn)入管道前,操作者事先根據(jù)管道的實(shí)際情況,調(diào)節(jié)兩履帶間的套筒裝置,通過連桿、螺桿和擺腿的一系列傳動,使得機(jī)器人的兩個履帶足橫向張開,水平距離增大,就可以使履帶足面與不同內(nèi)徑的管壁保持充分接觸,實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)功能。
5.2 刷頭更換裝置
機(jī)器人在進(jìn)入管道前,需要根據(jù)當(dāng)前管道的形狀和尺寸安裝上相適應(yīng)的刷頭。由上一章我們可知矩形管毛刷軸線與機(jī)器人行進(jìn)方向垂直,毛刷對稱于機(jī)器人的中線并分列兩側(cè)圓形管毛刷軸線與機(jī)器人行進(jìn)方向一致,并且處于管道的正中心。對這兩種情況進(jìn)行綜合協(xié)調(diào),本文中設(shè)計(jì)出一種既可適用于圓形管道又可用于矩形管道的管道清洗機(jī)器人刷頭更換裝置,可方便地根據(jù)管道情況更換刷頭。
刷頭更換裝置如下圖所示,電機(jī)處于機(jī)器人清洗臂中線位置,且輸出軸方向與前進(jìn)方向一致。當(dāng)需要安裝矩形管刷頭時,只用裝上一堆換向錐齒輪和一根雙輸出軸,即可在兩邊安裝毛刷；同時要更換成圓形管刷頭也十分方便,只需卸下上述裝置,在前方裝上一根輸出軸并用聯(lián)軸器與電機(jī)輸出軸相連即可。圖5-3、圖5-4,分別為矩形管和圓形管毛刷安裝形式。
圖5-2-1矩形管毛刷清洗裝置 圖5-2-2圓形管毛刷清洗裝置
5.3中央空調(diào)管道清洗機(jī)器人照明和檢測裝置
機(jī)器人采用攝像頭作為視頻輸入設(shè)備,如圖5-3所示。由于中央空調(diào)管道內(nèi)部的光線較暗,機(jī)器人要檢測管內(nèi)的狀態(tài),必須攜帶照明設(shè)備,CCD攝像頭才能正確有效的工作。照明設(shè)備采用冷光源照明燈,亮度高,長時間工作不會發(fā)熱,適合在黑暗管道環(huán)境中使用。
圖5-3 彩色攝像機(jī)
機(jī)器人工作時需要在外監(jiān)控管道內(nèi)的狀況,清掃完成后,也要利用機(jī)器人自身攜帶攝像機(jī)拍攝管道清洗后的情況,作為清洗效果評定依據(jù)。該機(jī)器人前后端均裝有攝像機(jī)及照明系統(tǒng)如圖5-3所示,采用圖像處理技術(shù),監(jiān)控機(jī)器人的工作狀況并對管道進(jìn)行檢測及探傷。由于CCD具有固定像元結(jié)構(gòu),所以CCD彩色攝像機(jī)不但具有體積小、重量輕、耗電少、壽命長、可靠性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn),而且靈敏度和分辨率都很高,大大超過了電子束彩色攝像機(jī)。
5.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了機(jī)器人自適應(yīng)型裝置的設(shè)計(jì),詳細(xì)描述了履帶足變位裝置和刷頭更換裝置的結(jié)構(gòu)、特征和作用原理。機(jī)器人通過這些裝置并配合清洗臂的升降和伸縮功能,來適應(yīng)各種不同形狀和尺寸的空調(diào)管道。同時給出了具體的效果示意圖及選用的彩色攝像機(jī)圖片。
6 機(jī)器人工作時的受力分析
國內(nèi)管道的設(shè)計(jì)制造和安裝并不規(guī)范,在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會發(fā)生管徑或尺寸大小改變,出現(xiàn)彎角、障礙和坡度等情況。為了保證機(jī)器人正常穩(wěn)定的工作,我們有必要研究機(jī)器人在管道內(nèi)的各種運(yùn)動狀態(tài),并對其進(jìn)行受力分析,進(jìn)而確定出合理優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)和對機(jī)器人動力系統(tǒng)的具體要求。
6.1機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析
該機(jī)器人采用雙履帶式移動機(jī)構(gòu),兩側(cè)的履帶分別由一個單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動,而履帶式移動機(jī)器人能夠行走必須要滿足兩個條件：①驅(qū)動裝置牽引力必須大于或等于行駛中所受到的阻力之和,以提供足夠的前進(jìn)動力。②牽引力必須小于或等于管壁與履帶之間的附著力,使其不會打滑。由于履帶式移動機(jī)構(gòu)在地面運(yùn)動時,即使只裝有一對主從動帶輪,仍然保持整個履帶面都與地面接觸,因此產(chǎn)生的正壓力為機(jī)器人對管壁的全部正壓力,從而具有較強(qiáng)的附著力。該機(jī)器人履帶足中包含個從動帶輪和個主動帶輪,共同對機(jī)器人起支撐作用,為了便于分析,將履帶足簡化為1個從動輪和1個主動輪的形式。
圖6-1所示為簡化后的履帶式移動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析圖。
圖6-1履帶式移動機(jī)構(gòu)動力分析圖
由圖中可以看出,右邊的輪為主動輪。其中,為移動機(jī)構(gòu)行走的速度, 為主動帶輪的線速度即為履帶傳動的速度, 為主動帶輪上的牽引力, 為移動機(jī)構(gòu)運(yùn)動時所受的外阻力, 為移動裝置內(nèi)部阻力。
機(jī)器人行走時,履帶與管壁之間會產(chǎn)生單性滑動,因此一般情況下機(jī)器人行駛速度要小于履帶速度。
在第三章我們已經(jīng)選定了移動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī),設(shè)驅(qū)動電機(jī)輸出功率為,傳遞到主動輪的效率為,轉(zhuǎn)速為,驅(qū)動輪的扭矩為,半徑為,主動輪的功率為,則有以下的關(guān)系式:
（6-1）
（6-2）
牽引力 （6-3）
設(shè)機(jī)器人的重量為,履帶與管壁的附著系數(shù)為,則附著力
(6-4)
由式(6-4)可知,附著力的大小主要取決于兩個因素：（1）履帶所受的正壓力,即機(jī)器人的重量；（2）管壁與履帶的附著系數(shù)。
因此要使機(jī)器人能夠行走必須滿足：
1
2
由上述條件可知,只有產(chǎn)生足夠大的附著力,才能將牽引力轉(zhuǎn)化為使機(jī)器人行走的推動力。由式(6-4)可知,為了增大附著力,可以增加機(jī)器人的重量或提高附著系數(shù)。由式(6-3)可知,在驅(qū)動輪半徑r確定時,可以增大驅(qū)動輪的扭矩來提高牽引力的大小,從而克服更大的阻力,加深機(jī)器人的行程,但是牽引力的大小又要受到附著力的限制,因此設(shè)計(jì)時要充分考慮到各方面的因素。經(jīng)計(jì)算，本文設(shè)計(jì)的牽引力滿足條件。
6.2機(jī)器人直線運(yùn)動狀態(tài)分析
機(jī)器人行走時包括同步帶傳動以及相對于地面的平移,運(yùn)動狀態(tài)較為復(fù)雜,為了便于分析,我們假定機(jī)器人的履帶始終處于一個理想的狀態(tài);柔軟且不可拉伸,履帶上所有點(diǎn)都位于同一個平面內(nèi)。圖6-2所示為履帶直線運(yùn)動示意圖, 為履帶相對于機(jī)器人的轉(zhuǎn)速,即履帶傳動的速度; 為履帶相對于底面的速度,即機(jī)器人整體的移動速度。則履帶上任意一點(diǎn)的速度即為這兩個速度的矢量之和。用公式表達(dá)為:
(6-5)
圖6-2履帶直線運(yùn)動分析圖
由上圖可知,在理想情況下,履帶與地面接觸的區(qū)段, ,此段的絕對速度,而履帶未與帶輪和地面接觸的區(qū)段, ,絕對速度。但是由上一節(jié)我們知道,機(jī)器人在實(shí)際行駛過程中,由于履帶與管壁之間的單性滑動,機(jī)器人行駛速度要小于履帶速度,履帶接地段的絕對速度不可能為。因此為了研究機(jī)器人的各種運(yùn)動狀態(tài)及規(guī)律,首先需要研究外部環(huán)境對其運(yùn)動的影響,對機(jī)器人運(yùn)動過程中所受到的外力進(jìn)行分析,主要包括自身重力、空氣阻力、前進(jìn)阻力以及牽引力。
（1）機(jī)器人自身重力G
為了使機(jī)器人運(yùn)動平穩(wěn),設(shè)計(jì)時采取左右兩邊對稱的形式,使機(jī)器人的重心處于中間的對稱面上。
（2）空氣阻力
由前面設(shè)計(jì)我們可知,機(jī)器人工作時運(yùn)行的速度很低,并且整體體積小,故可忽略掉空氣阻力的影響。
（3）地面變形阻力
機(jī)器人在行駛過程時,由于自身重力可能在承重輪部位對地面產(chǎn)生一定程度的變形,當(dāng)承重輪經(jīng)過后,由于變形的部位要恢復(fù)原樣,會對履帶產(chǎn)生一定的彈性阻力。本文研究的空調(diào)管道清洗機(jī)器人,機(jī)器人行走的管道是金屬材料制造的,并且機(jī)器人并不很重,因此地面變形量極小,在此地面變形阻力忽略不計(jì)。
（4）拖線阻力
管道清洗機(jī)器人采用電纜控制,行駛時要拖動電纜線一起運(yùn)動,而電纜和管壁間會產(chǎn)生較大的摩擦阻力,且這個力會隨著機(jī)器人行程的不斷加深而增大
（5）機(jī)器人牽引力
機(jī)器人運(yùn)動時,履帶通過主動帶輪的驅(qū)動和管道之間會產(chǎn)生相互的作用力,當(dāng)管道對履帶的反作用力滿足機(jī)器人行走的條件時,這個反作用力即為機(jī)器人的牽引力,能夠推動機(jī)器人前進(jìn)。牽引力是機(jī)器人運(yùn)動過程中受到的主要外力,其大小與機(jī)器人所受阻力及管道與履帶間的附著力密切相關(guān)。
經(jīng)過上面的分析我們可知,機(jī)器人直線運(yùn)動狀態(tài)下主要受到牽引力、前進(jìn)阻力和附著力的影響,通過對這三個力的研究,可以分析出機(jī)器人直線運(yùn)動時的幾種狀況：
當(dāng)時,機(jī)器人做勻速直線運(yùn)動或加速直線運(yùn)動；
當(dāng)時,機(jī)器人不斷減速甚至停止移動；
當(dāng)時,運(yùn)動時履帶與管道之間產(chǎn)生打滑。
經(jīng)過電機(jī)的驅(qū)動，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動或停止。
6.3 機(jī)器人在管道中移動時拖線阻力的分析
機(jī)器人在管道中移動會受到較大的拖線阻力,隨著機(jī)器人行程的加深,拖動的電纜線的長度會增加,拖線阻力也會隨之變大。在第三章計(jì)算機(jī)器人驅(qū)動輪的半徑及確定驅(qū)動電機(jī)功率時我們己經(jīng)考慮到拖線阻力這一因素,在本節(jié)中再從理論上進(jìn)行更為細(xì)致深入的討論。由于機(jī)器人受到空間和自身結(jié)構(gòu)的限制,移動裝置的驅(qū)動電機(jī)所能輸出的最大驅(qū)動力會有一定的限制,當(dāng)機(jī)器人在管道內(nèi)行走的距離過大導(dǎo)致牽引力小于機(jī)器人所受阻力時,就會使機(jī)器人停止移動。因此,通過對拖線阻力的分析可以確定機(jī)器人的最大行程。
為了便于分析和計(jì)算,我們假定機(jī)器人和電纜線處于一個理想的狀態(tài)：①機(jī)器人的運(yùn)動始終處于水平面上,并保持速度不變；②電纜線柔軟且不可伸長,內(nèi)部不產(chǎn)生摩擦力；③電纜與管壁充分接觸且受力均勻,經(jīng)過彎管時緊貼管壁,呈現(xiàn)與彎曲處相同的弧線。
當(dāng)機(jī)器人在直管中行駛時,電纜受力狀態(tài)如圖6-3所示,主要受到機(jī)器人對電纜頭部的拉力,電纜尾部的反向拉力,以及與地面之間的摩擦阻力的作用；表示電纜運(yùn)動的速度和方向,為拖動的電纜的長度。設(shè)電纜的線密度為,電纜與管壁間的摩擦系數(shù)為,則可得出,理想狀態(tài)下機(jī)器人在直管中做勻速直線運(yùn)動,則電纜在直管狀態(tài)下受力關(guān)系為：
（6-6）
圖6-3電纜在直管狀態(tài)下受力分析
圖6-4電纜在彎管狀態(tài)下受力分析
機(jī)器人在通過彎管時,電纜線會產(chǎn)生彎曲并緊貼彎曲段,受到管道側(cè)面對其的支持力,電纜在彎管狀態(tài)下受力情況如圖6-4所示,、、、和的表示含義與直管狀態(tài)相同,為彎管的彎曲半徑,為圓弧弧度。取電纜線的一小段長度的豎直截面進(jìn)行微觀分析,為該段電纜所受拉力的合力,為管壁對該小段的總支持力,為與豎直方向的角度,為該小段電纜的圓弧弧度。
當(dāng)電纜處于平衡狀態(tài)時,可列出各力的關(guān)系式：
（6-7）
對式（6-7）進(jìn)行化簡可得：
（6-8）
根據(jù)，由式（6-8）可得：
（6-9）
由弧長公式，將代入式（6-9），則：
由F與的關(guān)系可得出在彎管狀態(tài)下電纜的托線力計(jì)算公式：
（6-10）
由于電纜在經(jīng)過彎管時會受到一定的離心力的作用,在計(jì)算過程中一般忽
略重力對拖線力的影響,則式（6-10）可化簡為：
（6-11）
管道機(jī)器人在實(shí)際的應(yīng)用中一般由直管進(jìn)入,在初始狀態(tài)下牽引力為0,在直線運(yùn)動過程中牽引力逐步增加,當(dāng)?shù)竭_(dá)彎管接頭的臨界點(diǎn)時,可通過式（6-6）可求出當(dāng)前的牽引力；進(jìn)入彎管后此牽引力即為初始牽引力,根據(jù)式（6-11）可以得出通過彎管后的牽引力。
6.4. 機(jī)器人越障極限狀態(tài)分析
當(dāng)機(jī)器人履帶機(jī)構(gòu)前端帶輪越過垂直臺階的外邊緣線后,隨著機(jī)器人攀爬運(yùn)動,前端帶輪會繼續(xù)升高,機(jī)器人與地面之間的仰角逐漸增大,重心也不斷升高并向前移動。此時機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)會出現(xiàn)兩種情況：
（1）機(jī)器人的重心在攀爬過程中不斷上升和前移,并且能夠越過垂直臺階的外邊緣線,則由力矩平衡法則可知,此時機(jī)器人將在自身重力作用下,以臺階的拐角線作為支線,完成對垂直臺階的跨越,越障成功。
（2）機(jī)器人的重心在移動的過程中始終無法越過垂直臺階的外邊緣線,此時機(jī)器人則不能越過臺階,繼續(xù)攀爬甚至可能使機(jī)器人發(fā)生反向翻轉(zhuǎn)。
為了研究機(jī)器人的越障能力,我們需要對機(jī)器人剛好能跨越垂直臺階時的狀態(tài)進(jìn)行分析。由上面的兩種情況可知,當(dāng)機(jī)器人的重心剛好能越過垂直臺階的外邊緣線時,此時機(jī)器人處于即將越過臺階的臨界狀態(tài),如圖6-5所示,機(jī)器人重心O的鉛垂線剛好與臺階的外邊緣線重合。
圖6-5 機(jī)器人越障極限狀態(tài)
在圖6-5建立以后端帶輪的軸心為原點(diǎn),以前后帶輪軸心連線,為軸正向的笛卡爾坐標(biāo)系,為機(jī)器人的重心,設(shè)其坐標(biāo)為,R為履帶輪半徑,為機(jī)器人與地面間的仰角,L為的長度, 為垂直臺階的高度。為了得出可以跨越的臺階高度與其他參數(shù)的關(guān)系,則可建立如下函數(shù):
(6-12)
由式(6-12)可知,當(dāng)機(jī)器人在跨越臺階的過程中,始終能夠達(dá)到圖6-5所示的越障極限狀態(tài)時,則機(jī)器人能夠越過的垂直臺階高度隨著機(jī)器人與地面的仰角的變化而變化,機(jī)器人在越障過程中,的取值范圍為。當(dāng)我們得出R、、的數(shù)值后,就能求得,與的關(guān)系式,此時,的最大值即為機(jī)器人能夠跨越的垂直臺階的最大高度。
由于機(jī)器人要越過臺階,重心必須能夠越過垂直臺階的外邊緣線,因此重心的位置對機(jī)器人的越障能力會有一定的影響。在函數(shù)表達(dá)式(6-12)中,分別對、求偏導(dǎo)可得：
根據(jù)上面的結(jié)果可知, 的為關(guān)于的增函數(shù),關(guān)于的減函數(shù)。因此在設(shè)計(jì)時使機(jī)器人的重心偏前、偏下一些能夠提高機(jī)器人的越障能力。
當(dāng)機(jī)器人重心位置確定時,我們現(xiàn)在來分析與的關(guān)系,分別對函數(shù)求關(guān)于的1次、2次偏導(dǎo)可得：
由于的取值范圍為,由數(shù)學(xué)知識可知, 時,函數(shù)存在最大值。當(dāng)時,可以求得的最大值,此時即為該機(jī)器人能夠越過的垂直臺階的最大高度。經(jīng)計(jì)算，越障能力小于30mm。
6.5 機(jī)器人爬坡和跨越溝道能力的研究
（1）攀爬斜坡
機(jī)器人爬坡運(yùn)動如圖6-6所示,由于機(jī)器人運(yùn)行速度很低,我們可以對其進(jìn)行靜力學(xué)分析。機(jī)器人在爬坡時會受到一個阻礙其前進(jìn)的重力分力。因此對牽引力有更大的要求。為了保證機(jī)器人在爬坡時不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)或傾覆,斜坡的坡度必須不大于所允許的最大俯仰角為,且坡向不大于最大橫滾角為,設(shè)b為機(jī)器人的寬度,則：
（6-13）
（6-14）
圖6-6 機(jī)器人爬坡運(yùn)動簡圖
得
（2）跨越溝道
要使機(jī)器人較為平穩(wěn)地跨越溝道,避免前端或后端掉進(jìn)溝道的情況發(fā)生,需要滿足兩個條件設(shè)溝道的寬度為D,當(dāng)機(jī)器人的重心通過近側(cè)的溝道邊緣線時,機(jī)器人前端履帶已經(jīng)接觸或越過遠(yuǎn)側(cè)的溝道邊緣線,即。當(dāng)機(jī)器人的重心通過遠(yuǎn)側(cè)的溝道邊緣線時,機(jī)器人后端履帶尚未完全離開近側(cè)的溝道邊緣線,即。因此只需測出的大小,即可求得機(jī)器人能夠平穩(wěn)跨越的溝道的最大寬度,即
（6-15）
得
6.6 機(jī)器人在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎時的通過性分析
如果機(jī)器人的尺寸和彎管的形狀尺寸不能滿足一定的要求,則機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎過程中可能會被卡住無法移動,從而不能成功通過彎管。因此在機(jī)器人主體尺寸大小已經(jīng)確定的情況下,我們有必要對其彎管通過性進(jìn)行分析,以保證機(jī)器人能安全通過彎曲的管道。目前中央空調(diào)彎曲管道主要有三種形式水平直角彎管,矩形管斜接彎頭以及圓弧形彎頭。下面我們分別對機(jī)器人在這三種情況下的彎管通過性進(jìn)行分析。
6.6.1 機(jī)器人在水平直角彎管的通過性分析
機(jī)器人經(jīng)過直角彎管的情形如圖6-7示,以直角彎管外拐點(diǎn)為原點(diǎn),建立圖示笛卡爾坐標(biāo)系,設(shè)y軸方向管道的寬度為a,x軸方向管道的寬度為b,機(jī)器人長度為l,轉(zhuǎn)過的角度為 。為了使機(jī)器人更容易通過彎管,假定機(jī)器人相對于彎向的外側(cè)始終沿著管道外側(cè)運(yùn)動,在圖6-7中表示為：在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎的過程中,點(diǎn)B始終沿x軸移動,點(diǎn)C始終沿y軸移動,此時機(jī)器人要通過彎管,必須保證寬度不大于點(diǎn)A到BC連線的垂直距離,即在 由 增大到 的過程中,A到BC的最短距離就是能通過該直角彎角的機(jī)器人的最大寬度。