2011年--（節(jié)選）外文翻譯——管道清潔機器人的優(yōu)化設計（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)設計（論文）</b></p><p><b>　　譯　　文</b></p><p>　　題目

3、 管道清潔機器人的優(yōu)化設計 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 </p><p>　　指導教師 </p>

4、<p>　　評閱教師 </p><p>　　管道清潔機器人的優(yōu)化設計</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，因為垃圾自動收集設施（即GACF）廣泛被安裝在韓國首爾大都市區(qū)，對于管道清潔機器人研究的興趣不斷增加。從目前的相關研究看來，對管道機器人的研究一直側重于檢查，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，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構管內(nèi)清洗機器人應用于垃圾自動收集設施（GACF）中。該機器人通過啟動

6、氣動壓力方式（非彈簧）調(diào)節(jié)滑動機構以貼合管的內(nèi)面。該管道清洗機器人可以在GACF中向前/向后運動并通過刷子地旋轉進行清洗。機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，機器人通過使用6桿滑動機構進行調(diào)節(jié)延伸到管壁并配合上述管的直徑?；谑褂肨RIZ的概念設計，通過和韓國的機器人谷公司的現(xiàn)場工程師合作，我們將建立機器人的初始設計模型。為了進一步對管道清潔機器人進行優(yōu)化設計，當滑動機構的滾輪被拉伸以適應

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)動力學仿真軟件 ）模擬機器人和管的內(nèi)面之間碰撞的最大</p><p>　　關鍵詞:管道清潔機器人，6連桿滑動機制，TRIZ（發(fā)明問題的解決理論），優(yōu)化設計，RecurDyn®，試驗設計（DOE），ANSYS®工作臺</p><p><b>

8、;　?、?引言</b></p><p>　　近日，因為垃圾自動收集設施（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，如昂貴的設備安裝費，高額運行費用，較低的食物垃圾回收率等，這意味

9、著我們需要運用科學技術進一步改善和提高GACF的穩(wěn)定運行能力。</p><p>　　現(xiàn)階段韓國普通的垃圾回收方法如下：當我們把垃圾裝在塑料袋，將它們放在一個確定的地點，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。導致的結果就是破壞城市的美觀，尤其是在夏天。此外，該垃圾袋可導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因為不需要任何人力撿垃圾，并且垃圾也不會暴露在外面。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、和車輛運輸，GACF具有一個由60?70公里每小時高速運轉空氣的地下管道設施收集中心。該GACF可以把垃圾按照垃圾（易燃或不可燃）的類型扔進垃圾箱燃燒器。經(jīng)過處理的生活垃圾可以通過貨柜車運送到最終處置場。圖1示出了GACF的關鍵環(huán)節(jié)。</p><p>　　圖1 GACF關鍵環(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可以運送生活垃圾最終處置場，即

12、垃圾焚燒地。更具體的說，當居民將生活垃圾扔進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機與在空氣吸入口的吸氣機，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。可以預見在不久的將來，一個全自主的管道清洗智能機器人將被開發(fā)出來。管道清洗機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)了地下燃氣管道的差分驅動管內(nèi)檢測機器人。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/清潔機器人。（如圖2所示）但是Choi等人的機器人有一個嚴重的缺點，當一個輪帶不能有效支撐在管道上時機器人會從內(nèi)管道壁分離，這樣它的可靠性將大大降低。這也是我們設計的管道機器人成功解決的關鍵問題之一。<

14、/p><p>　　圖2 管道檢測/清潔機器人（Choi等人作品）</p><p>　　在GACF中，當垃圾移動時，我們要除去它們粘在管（直徑：300mm和400mm）內(nèi)表面的雜質。因此，在本文中，我們將開發(fā)GACF的滑動機構管道清潔機器人，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管道清潔機器人設計成可以自主前進/后退并通過刷子的旋轉不斷清潔。該機器人的身體應該能適

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

16、，為了進一步對管道清洗機器人設計優(yōu)化，當滑動機構的桿被拉伸以適應到直徑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)動力學仿真軟件 ）模擬機器人和管的內(nèi)面碰撞之間的最大沖擊力。在第四節(jié)里，施加在6連桿滑動機構上最大沖擊力的應力將基于試驗設計通過使用ANSYS®工作臺（美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件 ）進行模擬。最后，包括滑動機構的四根桿

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)將得出最終結論。</p><p>　?、?利用TRIZ對管道清洗機器人進行初始設計</p><p>　　管道清洗機器人的設計概念通過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)的清洗機器人的

18、一個簡單的設計。主要問題是該機器人不能與300mm /400毫米直徑的管道貼合，因為它不具有任何用來與管（300mm至400毫米直徑）適應的可調(diào)節(jié)機構。</p><p>　　圖3管道清洗機器人的簡單設計 </p><p>　　B.（6SC的第二步）系統(tǒng)功能分析</p><p>　　針對以上問題，我們首先進行系統(tǒng)功能分析，如圖所示。該機器人的設計要可以適應兩種類型的管

19、（300毫米或者400毫米直徑）。在下圖中，機器人維持狀態(tài)是指機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）最終理想結果（IFR）</p><p>　　為了達到最終理想結果，我們試圖將管道清洗機器人設計成通過可自由拉伸的機構能自由可調(diào)節(jié)地適應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>　　首先我們設計兩種分別適應兩種管道的機器人，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設計適應兩種管的機器結構，然后通過機械機構將兩者拼湊成一個機器人。</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“機器人的身體”和“管的直徑“。該圖表明，通過設計可調(diào)節(jié)機構使機器人的主體能夠分別適應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：機器人通過可調(diào)節(jié)機構能夠分

22、別適應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計一種如圖6所示的六桿滑動機構來適應不同直徑的管道。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使滑動機構，使之能夠緊密貼合垃圾管道內(nèi)壁。如圖7所示，3個六桿滑動機構組成一套滑動組，6個滑動機構、兩套滑輪組分別負責一前一后共同組成我們所看到的管道清潔機器人。</p><p>　　圖6 六桿滑動機構 </p><p

23、>　　圖7 由3組六桿滑動機構組成的滑動組</p><p>　　當清潔機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。當三組六桿滑動機構中的一組落在分支管時，此時通過氣動壓力作用在滑動機構上使機器人保持外徑不變。同時，因為其余兩組仍作用在管壁上，因此管道機器人可以繼續(xù)穩(wěn)定地移動。</p><p>　　圖8 六桿滑動機構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RECURDYN®</p><p>　　基于第二節(jié)對管道清洗機人概念設計和圖9中與韓國機器人谷公司合作提出的氣動壓力六桿滑動機構初設設計的研究，還有機器人谷公司富有經(jīng)驗的專家在初始設計中提供如表1所示的1至4桿的長度和厚度。我們對管道清潔機器人進行了優(yōu)化設計，我們通過使用RecurDyn®（多體動力學模擬程序）模擬機器人與管內(nèi)壁之間的最大沖擊力。在

25、這里我們只對管道清潔機器人通過滑桿機構調(diào)節(jié)適應400mm直徑管道進行模擬，因為它相比機器人在300mm直徑管道中擁有更大的加速度和更長的位移。</p><p>　　圖9 六桿滑動機構利用氣動壓力示意圖</p><p>　　表1 1-4桿的初步設計</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構通過氣動壓力（推動編號5的滑動桿）調(diào)節(jié)以適應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)模型運行多體動力學仿真程序（即RecurDyn®）模擬該模型，最后得出管道機器人和管道內(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構三維造型（即圖9）導入到RecurDyn®多體動力學仿真程序中。</p><p>　　在RecurDyn®模擬中考慮的約束條件是：重力、關節(jié)、固定點、接

27、觸點和彈力。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的關節(jié)在RecurDyn®中被設定為外卷滑動關節(jié)。在機構下部可以看到連接到關節(jié)1的部位是被固定的，而連接到關節(jié)2的部位沒有被固定，它是可以在導軌上滑動的。</p><p>　　圖10 約束調(diào)節(jié)：各個關節(jié)和固定點</p><p>　　我們可以看到在管道中清潔機器人有6個六桿滑動機構與管的內(nèi)壁

28、接觸，為了方便起見我們只對其中一個六桿滑動機構進行RecurDyn®模擬。如側面圖11所示，六桿滑動機構的兩個滾輪與管內(nèi)壁屬于“固體接觸”。除此之外，通過模擬該固體接觸就能計算得出固定部件（關節(jié)1）與滑動部件（關節(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構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。因此我們采用彈力約束來替代氣動壓力。在初始設計中，六桿滑動機構設計的加速度為2 m/s2。接著運行RecurDyn®動態(tài)模擬程序（如圖12所示），設置彈力系數(shù)為5N/mm、彈力行程為40mm，模擬推動六桿滑動機構得出1.97m/s2的加速度，與設計加速度幾乎一致。因此我們在RecurDyn®程序中用彈力系數(shù)5N/mm、彈力行程40mm的彈力替代設計中

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構與管內(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構與管內(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