2011年--（節(jié)選）外文翻譯——管道清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)（譯文）

1、<p><b>　　中文4240字</b></p><p>　　本文譯自：Chang Doo Jung, Won Jee Chung,Jin Su Ahn,Myung Sik Kim，Gi Soo Shin,and Soon Jea Kwon， “Optimal Mechanism Design of In-pipe Cleaning Robot,”Proceedings of t

2、he 2011 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation.August 7 - 10, Beijing, China.</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p><b>　　譯　　文</b></p><p>　　題目

3、 管道清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班級 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p>

4、<p>　　評閱教師 </p><p>　　管道清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p>　　Chang Doo Jung, Won Jee Chung,Jin Su Ahn,</p><p>　　Myung Sik Kim，Gi Soo Shin,and Soon Jea Kwon

5、</p><p>　　摘要：近日，因?yàn)槔詣邮占O(shè)施（即GACF）廣泛被安裝在韓國首爾大都市區(qū)，對于管道清潔機(jī)器人研究的興趣不斷增加。從目前的相關(guān)研究看來，對管道機(jī)器人的研究一直側(cè)重于檢查，而非清洗。在本文中，為了除去GACF中被卡在管（300mm和400毫米直徑）內(nèi)表面的雜質(zhì)，我們將通過使用TRIZ（發(fā)明問題的解決理論）的思想提出六桿滑動機(jī)構(gòu)管內(nèi)清洗機(jī)器人應(yīng)用于垃圾自動收集設(shè)施（GACF）中。該機(jī)器人通過啟動

6、氣動壓力方式（非彈簧）調(diào)節(jié)滑動機(jī)構(gòu)以貼合管的內(nèi)面。該管道清洗機(jī)器人可以在GACF中向前/向后運(yùn)動并通過刷子地旋轉(zhuǎn)進(jìn)行清洗。機(jī)器人整個主體原則上必須小于管的最小直徑300mm。此外，對于直徑為400mm的管，機(jī)器人通過使用6桿滑動機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)延伸到管壁并配合上述管的直徑?；谑褂肨RIZ的概念設(shè)計(jì)，通過和韓國的機(jī)器人谷公司的現(xiàn)場工程師合作，我們將建立機(jī)器人的初始設(shè)計(jì)模型。為了進(jìn)一步對管道清潔機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)滑動機(jī)構(gòu)的滾輪被拉伸以適應(yīng)

7、到直徑400mm的管道時，我們將通過使用RecurDyn®（由韓國FunctionBay公司開發(fā)出的新一代多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件 ）模擬機(jī)器人和管的內(nèi)面之間碰撞的最大</p><p>　　關(guān)鍵詞:管道清潔機(jī)器人，6連桿滑動機(jī)制，TRIZ（發(fā)明問題的解決理論），優(yōu)化設(shè)計(jì)，RecurDyn®，試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE），ANSYS®工作臺</p><p><b>

8、;　?、?引言</b></p><p>　　近日，因?yàn)槔詣邮占O(shè)施（即GACF）廣泛被安裝在韓國首爾大都市區(qū)，對于管道清潔機(jī)器人的可行性興趣正在增加。盡管韓國的GACF在初始階段，到目前為止根據(jù)調(diào)查[1]（居民滿意度據(jù)報道），相比于手動的方式，它對環(huán)境問題（包括公寓的美化）的解決還是獲得了很高的滿意度。然而，GACF仍然存在不少問題，如昂貴的設(shè)備安裝費(fèi)，高額運(yùn)行費(fèi)用，較低的食物垃圾回收率等，這意味

9、著我們需要運(yùn)用科學(xué)技術(shù)進(jìn)一步改善和提高GACF的穩(wěn)定運(yùn)行能力。</p><p>　　現(xiàn)階段韓國普通的垃圾回收方法如下：當(dāng)我們把垃圾裝在塑料袋，將它們放在一個確定的地點(diǎn)，然后一輛垃圾回收車去周圍的區(qū)域回收垃圾。通常情況下，垃圾暴露在道路上，而且垃圾袋經(jīng)常會被狗，貓或老鼠等損壞。導(dǎo)致的結(jié)果就是破壞城市的美觀，尤其是在夏天。此外，該垃圾袋可導(dǎo)致惡臭的蒼蠅或有害的昆蟲在其中不斷滋生。因此可以斷定這種垃圾處理方式是不衛(wèi)生的

10、。</p><p>　　與目前韓國的垃圾處置和回收體系這種不方便不衛(wèi)生的方式比較，GACF只有一個垃圾槽被安裝在固定的間隔位置上。通過GACF，用戶可以向構(gòu)造在地下的管道扔垃圾袋。垃圾是在槽的底部暫時存儲后通過管道聯(lián)接被回收到一個存儲區(qū)域。因而GACF因?yàn)椴恍枰魏稳肆炖⑶依膊粫┞对谕饷?。GACF才真正稱得上是環(huán)境友好型系統(tǒng)。</p><p>　　相比現(xiàn)有拾取方式所采用的人力

11、和車輛運(yùn)輸，GACF具有一個由60?70公里每小時高速運(yùn)轉(zhuǎn)空氣的地下管道設(shè)施收集中心。該GACF可以把垃圾按照垃圾（易燃或不可燃）的類型扔進(jìn)垃圾箱燃燒器。經(jīng)過處理的生活垃圾可以通過貨柜車運(yùn)送到最終處置場。圖1示出了GACF的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。</p><p>　　圖1 GACF關(guān)鍵環(huán)節(jié)圖</p><p>　　如上所述，GACF可以快捷又干凈地收集生活垃圾。此外GACF可以運(yùn)送生活垃圾最終處置場，即

12、垃圾焚燒地。更具體的說，當(dāng)居民將生活垃圾扔進(jìn)GACF槽的入口時，垃圾通過形成收集網(wǎng)的管道不斷輸送。在收集網(wǎng)中，GACF操作連接管道的鼓風(fēng)機(jī)與在空氣吸入口的吸氣機(jī)，如圖1所示。就這樣GACF通過空氣流動收集生活垃圾。在為了穩(wěn)定地保持GACF長時間的工作，在管內(nèi)的清洗就顯得非常重要了?？梢灶A(yù)見在不久的將來，一個全自主的管道清洗智能機(jī)器人將被開發(fā)出來。管道清洗機(jī)器人的使用可以延長管道的壽命，使得管道因老化而更換的成本降低。</p>

13、<p>　　迄今在管道機(jī)器人上的研究一直集中在檢查而不是清洗。例如，Roh等人作品 [2]先后開發(fā)了地下燃?xì)夤艿赖牟罘烛?qū)動管內(nèi)檢測機(jī)器人。此外，Choi等人作品[3]研究了通過使用輪帶彈簧卡在管內(nèi)表面上行動的管內(nèi)檢測/清潔機(jī)器人。（如圖2所示）但是Choi等人的機(jī)器人有一個嚴(yán)重的缺點(diǎn)，當(dāng)一個輪帶不能有效支撐在管道上時機(jī)器人會從內(nèi)管道壁分離，這樣它的可靠性將大大降低。這也是我們設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人成功解決的關(guān)鍵問題之一。<

14、/p><p>　　圖2 管道檢測/清潔機(jī)器人（Choi等人作品）</p><p>　　在GACF中，當(dāng)垃圾移動時，我們要除去它們粘在管（直徑：300mm和400mm）內(nèi)表面的雜質(zhì)。因此，在本文中，我們將開發(fā)GACF的滑動機(jī)構(gòu)管道清潔機(jī)器人，它可以通過使用氣壓（沒有彈簧）合適地調(diào)整到管道內(nèi)面。我們擬議將GACF管道清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)成可以自主前進(jìn)/后退并通過刷子的旋轉(zhuǎn)不斷清潔。該機(jī)器人的身體應(yīng)該能適

15、合管的最小直徑300mm。另外，對于管的最大直徑400mm，機(jī)器人可以通過滑動機(jī)構(gòu)延伸并與管的最大內(nèi)徑面貼合。通過在該機(jī)器人的前端安裝照相機(jī)和紡絲刷，它可以同時執(zhí)行清潔和檢查的任務(wù)。此外，它可以通過兩把刷子反方向旋轉(zhuǎn)來提高清洗效率。</p><p>　　本文的結(jié)構(gòu)如下。第二節(jié)闡述如何利用TRIZ[4]對管道清洗機(jī)器人進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。基于此概念設(shè)計(jì)，我們將與韓國機(jī)器人谷公司的工程師一起對機(jī)器人進(jìn)行初始設(shè)計(jì)。在第三節(jié)中

16、，為了進(jìn)一步對管道清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)優(yōu)化，當(dāng)滑動機(jī)構(gòu)的桿被拉伸以適應(yīng)到直徑400mm的管道時，通過使用RecurDyn®（由韓國FunctionBay公司開發(fā)出的新一代多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件 ）模擬機(jī)器人和管的內(nèi)面碰撞之間的最大沖擊力。在第四節(jié)里，施加在6連桿滑動機(jī)構(gòu)上最大沖擊力的應(yīng)力將基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過使用ANSYS®工作臺（美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件 ）進(jìn)行模擬。最后，包括滑動機(jī)構(gòu)的四根桿

17、厚度的最佳尺寸將被確定以保證其具有最好安全系數(shù)和最優(yōu)的輕便性。第五節(jié)將得出最終結(jié)論。</p><p>　?、?利用TRIZ對管道清洗機(jī)器人進(jìn)行初始設(shè)計(jì)</p><p>　　管道清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)概念通過TRIZ的6SC[5]表述如下：</p><p>　　A.（6SC的第1步）問題表述如圖所示</p><p>　　圖3示出了在管內(nèi)的清洗機(jī)器人的

18、一個簡單的設(shè)計(jì)。主要問題是該機(jī)器人不能與300mm /400毫米直徑的管道貼合，因?yàn)樗痪哂腥魏斡脕砼c管（300mm至400毫米直徑）適應(yīng)的可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。</p><p>　　圖3管道清洗機(jī)器人的簡單設(shè)計(jì) </p><p>　　B.（6SC的第二步）系統(tǒng)功能分析</p><p>　　針對以上問題，我們首先進(jìn)行系統(tǒng)功能分析，如圖所示。該機(jī)器人的設(shè)計(jì)要可以適應(yīng)兩種類型的管

19、（300毫米或者400毫米直徑）。在下圖中，機(jī)器人維持狀態(tài)是指機(jī)器人保持與管壁的貼合狀態(tài)不變。</p><p>　　圖。4系統(tǒng)功能分析 </p><p>　　C.（6SC的第3步）最終理想結(jié)果（IFR）</p><p>　　為了達(dá)到最終理想結(jié)果，我們試圖將管道清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)成通過可自由拉伸的機(jī)構(gòu)能自由可調(diào)節(jié)地適應(yīng)兩種不同尺寸的管道（300毫米或者400毫米直徑）。&

20、lt;/p><p>　　D.（6SC的第4步）矛盾律和分離原理</p><p>　　首先我們設(shè)計(jì)兩種分別適應(yīng)兩種管道的機(jī)器人，然后要將兩者合為一體。為了解決這個矛盾的問題，我們將會分離并單獨(dú)設(shè)計(jì)適應(yīng)兩種管的機(jī)器結(jié)構(gòu)，然后通過機(jī)械機(jī)構(gòu)將兩者拼湊成一個機(jī)器人。</p><p>　　E.（6SC的第五步）相互作用因素的分析</p><p>　　相互作用

21、因素的分析如圖5所示。在這個問題上，相互作用因素分別是“機(jī)器人的身體”和“管的直徑“。該圖表明，通過設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使機(jī)器人的主體能夠分別適應(yīng)兩種不同尺寸的管道（300毫米或者400毫米直徑）。</p><p>　　圖5 相互作用因素的分析</p><p>　　F.（6SC的第六步）問題的解決方案和評估</p><p>　　初步解決方案如下：機(jī)器人通過可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能夠分

22、別適應(yīng)兩種型號的垃圾管道尺寸（300毫米或400毫米）。最終的解決方案是設(shè)計(jì)一種如圖6所示的六桿滑動機(jī)構(gòu)來適應(yīng)不同直徑的管道。值得一提的是，在這套解決方案里我們采用了氣動壓力來驅(qū)使滑動機(jī)構(gòu)，使之能夠緊密貼合垃圾管道內(nèi)壁。如圖7所示，3個六桿滑動機(jī)構(gòu)組成一套滑動組，6個滑動機(jī)構(gòu)、兩套滑輪組分別負(fù)責(zé)一前一后共同組成我們所看到的管道清潔機(jī)器人。</p><p>　　圖6 六桿滑動機(jī)構(gòu) </p><p

23、>　　圖7 由3組六桿滑動機(jī)構(gòu)組成的滑動組</p><p>　　當(dāng)清潔機(jī)器人遭遇分支管道口時，它該如何平穩(wěn)的通過，解決方案如圖8所示。當(dāng)三組六桿滑動機(jī)構(gòu)中的一組落在分支管時，此時通過氣動壓力作用在滑動機(jī)構(gòu)上使機(jī)器人保持外徑不變。同時，因?yàn)槠溆鄡山M仍作用在管壁上，因此管道機(jī)器人可以繼續(xù)穩(wěn)定地移動。</p><p>　　圖8 六桿滑動機(jī)構(gòu)通過氣動壓力在分支管道口移動 </p>

24、<p>　　III.動態(tài)模擬技術(shù)RECURDYN®</p><p>　　基于第二節(jié)對管道清洗機(jī)人概念設(shè)計(jì)和圖9中與韓國機(jī)器人谷公司合作提出的氣動壓力六桿滑動機(jī)構(gòu)初設(shè)設(shè)計(jì)的研究，還有機(jī)器人谷公司富有經(jīng)驗(yàn)的專家在初始設(shè)計(jì)中提供如表1所示的1至4桿的長度和厚度。我們對管道清潔機(jī)器人進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，我們通過使用RecurDyn®（多體動力學(xué)模擬程序）模擬機(jī)器人與管內(nèi)壁之間的最大沖擊力。在

25、這里我們只對管道清潔機(jī)器人通過滑桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)適應(yīng)400mm直徑管道進(jìn)行模擬，因?yàn)樗啾葯C(jī)器人在300mm直徑管道中擁有更大的加速度和更長的位移。</p><p>　　圖9 六桿滑動機(jī)構(gòu)利用氣動壓力示意圖</p><p>　　表1 1-4桿的初步設(shè)計(jì)</p><p>　　按照表1中的1-4桿的長度和厚度尺寸建立六桿滑桿機(jī)構(gòu)通過氣動壓力（推動編號5的滑動桿）調(diào)節(jié)以適應(yīng)4

26、00mm直徑管道與管道內(nèi)壁形成壓力的模型。然后根據(jù)模型運(yùn)行多體動力學(xué)仿真程序（即RecurDyn®）模擬該模型，最后得出管道機(jī)器人和管道內(nèi)壁之間的最大沖擊力。作為該動態(tài)仿真的第一步便是將用SolidWorks制圖軟件繪制的六桿滑動機(jī)構(gòu)三維造型（即圖9）導(dǎo)入到RecurDyn®多體動力學(xué)仿真程序中。</p><p>　　在RecurDyn®模擬中考慮的約束條件是：重力、關(guān)節(jié)、固定點(diǎn)、接

27、觸點(diǎn)和彈力。重力采用g = 9.81m/s2，方向如圖10所示。在圖10中我們可以看到編號6的關(guān)節(jié)在RecurDyn®中被設(shè)定為外卷滑動關(guān)節(jié)。在機(jī)構(gòu)下部可以看到連接到關(guān)節(jié)1的部位是被固定的，而連接到關(guān)節(jié)2的部位沒有被固定，它是可以在導(dǎo)軌上滑動的。</p><p>　　圖10 約束調(diào)節(jié)：各個關(guān)節(jié)和固定點(diǎn)</p><p>　　我們可以看到在管道中清潔機(jī)器人有6個六桿滑動機(jī)構(gòu)與管的內(nèi)壁

28、接觸，為了方便起見我們只對其中一個六桿滑動機(jī)構(gòu)進(jìn)行RecurDyn®模擬。如側(cè)面圖11所示，六桿滑動機(jī)構(gòu)的兩個滾輪與管內(nèi)壁屬于“固體接觸”。除此之外，通過模擬該固體接觸就能計(jì)算得出固定部件（關(guān)節(jié)1）與滑動部件（關(guān)節(jié)2）之間的碰撞力。</p><p><b>　　圖11接觸約束</b></p><p>　　在上文中我們提到推動六桿滑動機(jī)構(gòu)滑動的力是由氣動壓力提

29、供的，但是在RecurDyn®程序中沒有氣壓約束力這一項(xiàng)。因此我們采用彈力約束來替代氣動壓力。在初始設(shè)計(jì)中，六桿滑動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的加速度為2 m/s2。接著運(yùn)行RecurDyn®動態(tài)模擬程序（如圖12所示），設(shè)置彈力系數(shù)為5N/mm、彈力行程為40mm，模擬推動六桿滑動機(jī)構(gòu)得出1.97m/s2的加速度，與設(shè)計(jì)加速度幾乎一致。因此我們在RecurDyn®程序中用彈力系數(shù)5N/mm、彈力行程40mm的彈力替代設(shè)計(jì)中

30、所使用的氣動壓力。</p><p>　　圖12 彈力約束條件</p><p>　　圖13為通過RecurDyn®程序模擬六桿滑動機(jī)構(gòu)與管內(nèi)壁（直徑400mm）之間的碰撞力。從圖中可以看到彈力約束條件施加后1秒內(nèi)的碰撞力變化，接著我們可以看到六桿滑動機(jī)構(gòu)與管內(nèi)壁（直徑400毫米）之間的最大沖擊力為100N左右。</p><p>　　圖13 使用RecurDy