管道清灰機(jī)器人設(shè)計(jì)

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1、目目 錄錄1. 緒 論 .11.1 機(jī)器人的發(fā)展綜述 .11.1.1 機(jī)器人定義.11.1.2 我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義.11.1.3 機(jī)器人發(fā)展簡(jiǎn)史.21.2 管道機(jī)器人概述 .41.2.1 國(guó)外管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀.41.2.2 國(guó)內(nèi)管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀.41.3 管道清灰機(jī)器人系統(tǒng)概述 .51.3.1 管道清灰機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式.51.3.2 管道清灰機(jī)器人操作臂設(shè)計(jì)要求.61.3.3 管道清灰機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).61.3.4 管道清灰機(jī)器人系統(tǒng)組成.72. 管道清灰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和三維模型的建立.82.1 PRO/ENGINEER軟件的介紹 .82.1.1 Pro/E 的系統(tǒng)特征 .82

2、.1.2 Pro/Engineer 主要模塊介紹 .92.2 管道清灰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)三維模型的建立.113. 管道清灰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 .233.1 機(jī)器人操作臂類(lèi)型選擇.233.2 鏟斗轉(zhuǎn)角差及卸載角分析.253.3 機(jī)器人操作臂自由度.263.4 操作臂死點(diǎn)分析.264. 管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真 .294.1 鏟斗鏟灰.294.2鏟斗舉升 .314.3鏟斗旋轉(zhuǎn) .32結(jié) 論 .34致 謝 .35參考文獻(xiàn) .3611. 緒緒 論論1.11.1 機(jī)器人的發(fā)展綜述機(jī)器人的發(fā)展綜述1.1.1 機(jī)器人定義機(jī)器人定義在科技界，科學(xué)家會(huì)給每一個(gè)科技術(shù)語(yǔ)一個(gè)明確的定義，但機(jī)器人問(wèn)世已有幾十年，機(jī)器人的定義

3、仍然仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的意見(jiàn)。原因之一是機(jī)器人還在發(fā)展，新的機(jī)型，新的功能不斷涌現(xiàn)。機(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問(wèn)題。就像機(jī)器人一詞最早誕生于科幻小說(shuō)之中一樣，人們對(duì)機(jī)器人充滿了幻想。也許正是由于機(jī)器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。機(jī)器人主要類(lèi)型： 操作型機(jī)器人：能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)中。 程控型機(jī)器人：按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。 示教再現(xiàn)型機(jī)器人：通過(guò)引導(dǎo)或其它方式，先教會(huì)機(jī)器人動(dòng)作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。 數(shù)控型機(jī)器人：不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過(guò)數(shù)值、

4、語(yǔ)言等對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。 感覺(jué)控制型機(jī)器人：利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。 適應(yīng)控制型機(jī)器人：機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動(dòng)。 學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人：機(jī)器人能“體會(huì)”工作的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。 智能機(jī)器人：以人工智能決定其行動(dòng)的機(jī)器人。1.1.2 我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器”。在研究和開(kāi)發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的

5、機(jī)器人的過(guò)程中，人們逐步認(rèn)識(shí)到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對(duì)機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識(shí)的加深，機(jī)器人技術(shù)開(kāi)始源源不斷地向人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器，如移動(dòng)機(jī)器人、微機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等。對(duì)不2同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。這些機(jī)器人從外觀上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初仿人型機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀，更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強(qiáng)，從而為機(jī)器人技術(shù)開(kāi)辟出更加廣

6、闊的發(fā)展空間。 中國(guó)工程院院長(zhǎng)宋健指出：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是 20 世紀(jì)自動(dòng)控制最有說(shuō)服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化”。機(jī)器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，它在人類(lèi)生活應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大正引起國(guó)際上重新認(rèn)識(shí)機(jī)器人技術(shù)的作用和影響。 我國(guó)的機(jī)器人專(zhuān)家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類(lèi)，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類(lèi)的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快，有

7、獨(dú)立成體系的趨勢(shì)，如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。目前，國(guó)際上的機(jī)器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類(lèi)：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人，這和我國(guó)的分類(lèi)是一致的。1.1.3 機(jī)器人發(fā)展簡(jiǎn)史機(jī)器人發(fā)展簡(jiǎn)史（引自環(huán)球科學(xué)2007 年第二期）1920 年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾恰佩克在他的科幻小說(shuō)羅薩姆的機(jī)器人萬(wàn)能公司中，根據(jù) Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和 Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機(jī)器人”這個(gè)詞。 1939 年 美國(guó)紐約世博會(huì)上展出了西屋電氣公司制造的家用機(jī)器人 Elektro。它由電纜控制，可以行走，

8、會(huì)說(shuō) 77 個(gè)字，甚至可以抽煙，不過(guò)離真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。但它讓人們對(duì)家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體。 1942 年 美國(guó)科幻巨匠阿西莫夫提出“機(jī)器人三定律”。雖然這只是科幻小說(shuō)里的創(chuàng)造，但后來(lái)成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。 1948 年 諾伯特維納出版控制論 ，闡述了機(jī)器中的通信和控制機(jī)能與人的神經(jīng)、感覺(jué)機(jī)能的共同規(guī)律，率先提出以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化工廠。 1954 年 美國(guó)人喬治德沃爾制造出世界上第一臺(tái)可編程的機(jī)器人，并注冊(cè)了專(zhuān)利。這種機(jī)械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。 1956 年 在達(dá)特茅斯會(huì)議上，馬文明斯基提出了他對(duì)智能機(jī)器的看法：智能機(jī)器“能3夠創(chuàng)建周?chē)h(huán)境

9、的抽象模型，如果遇到問(wèn)題，能夠從抽象模型中尋找解決方法” 。這個(gè)定義影響到以后 30 年智能機(jī)器人的研究方向。 1959 年 德沃爾與美國(guó)發(fā)明家約瑟夫英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。隨后，成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠Unimation 公司。由于英格伯格對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱(chēng)為“工業(yè)機(jī)器人之父” 。 1962 年 美國(guó) AMF 公司生產(chǎn)出“VERSTRAN”(意思是萬(wàn)能搬運(yùn)),與 Unimation 公司生產(chǎn)的 Unimate 一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人，并出口到世界各國(guó)，掀起了全世界對(duì)機(jī)器人和機(jī)器人研究的熱潮。 1962 年-1963 年傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操

10、作性。人們?cè)囍跈C(jī)器人上安裝各種各樣的傳感器，包括 1961 年恩斯特采用的觸覺(jué)傳感器，托莫維奇和博尼 1962 年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫 1963 年則開(kāi)始在機(jī)器人中加入視覺(jué)傳感系統(tǒng)，并在 1965 年，幫助 MIT 推出了世界上第一個(gè)帶有視覺(jué)傳感器，能識(shí)別并定位積木的機(jī)器人系統(tǒng)。 1965 年約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出 Beast 機(jī)器人。Beast 已經(jīng)能通過(guò)聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20 世紀(jì) 60 年代中期開(kāi)始，美國(guó)麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)興起研究第二代帶傳感器、 “有感覺(jué)”的

11、機(jī)器人，并向人工智能進(jìn)發(fā)。 1968 年 美國(guó)斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人 Shakey。它帶有視覺(jué)傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過(guò)控制它的計(jì)算機(jī)有一個(gè)房間那么大。Shakey 可以算是世界第一臺(tái)智能機(jī)器人，拉開(kāi)了第三代機(jī)器人研發(fā)的序幕。 1969 年 日本早稻田大學(xué)加藤一郎實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一臺(tái)以雙腳走路的機(jī)器人。加藤一郎長(zhǎng)期致力于研究仿人機(jī)器人，被譽(yù)為“仿人機(jī)器人之父” 。日本專(zhuān)家一向以研發(fā)仿人機(jī)器人和娛樂(lè)機(jī)器人的技術(shù)見(jiàn)長(zhǎng)，后來(lái)更進(jìn)一步，催生出本田公司的 ASIMO 和索尼公司的 QRIO。 1973 年 世界上第一次機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)攜手合作，就誕生了美國(guó) Cincinna

12、ti Milacron 公司的機(jī)器人 T3。 1978 年 美國(guó) Unimation 公司推出通用工業(yè)機(jī)器人 PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA 至今仍然工作在工廠第一線。 1984 年 英格伯格再推機(jī)器人 Helpmate，這種機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預(yù)言：“我要讓機(jī)器人擦地板，做飯，出去幫我洗車(chē)，檢查安全” 。 41998 年 丹麥樂(lè)高公司推出機(jī)器人(Mind-storms)套件，讓機(jī)器人制造變得跟搭積木一樣，相對(duì)簡(jiǎn)單又能任意拼裝，使機(jī)器人開(kāi)始走入個(gè)人世界。 1999 年 日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛(ài)寶(AIBO)，當(dāng)即銷(xiāo)售一空，從此娛樂(lè)機(jī)器

13、人成為目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途徑之一。 2002 年 丹麥 iRobot 公司推出了吸塵器機(jī)器人 Roomba，它能避開(kāi)障礙，自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線，還能在電量不足時(shí)，自動(dòng)駛向充電座。Roomba 是目前世界上銷(xiāo)量最大、最商業(yè)化的家用機(jī)器人。 2006 年 6 月，微軟公司推出 Microsoft Robotics Studio，機(jī)器人模塊化、平臺(tái)統(tǒng)一化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，比爾蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人很快將席卷全球。1.21.2 管道機(jī)器人概述管道機(jī)器人概述在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，管道作為一種重要的物料輸送手段，其應(yīng)用范圍日益廣泛，數(shù)量也不斷增多。管道工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多行業(yè)中如石化、天然氣、核工業(yè)、給

14、排水、管道輸送等行業(yè)起著極其重要的作用。管道在使用過(guò)程中，由于各種外界因素的影響，會(huì)形成各種各樣的管道故障與管道損傷。如果不及時(shí)對(duì)管道檢測(cè)、維修及清洗就可能會(huì)產(chǎn)生事故，形成不必要的損失和浪費(fèi)。然而，管道所處的環(huán)境往往是人們不易直接達(dá)到或不允許人們直接進(jìn)入的，檢修及清洗難度很大。因此最有效的方法之一就是利用管道機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)的在線檢測(cè)、維修和清洗。管內(nèi)機(jī)器人是一種可沿管道自動(dòng)行走，攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機(jī)構(gòu)，在遙控操作或計(jì)算機(jī)控制下能在極其惡劣的環(huán)境中進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。1.2.1 國(guó)外管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)較長(zhǎng)距離管道的直接檢測(cè)、清理技術(shù)的研究始于

15、本世紀(jì) 50 年代美、英、法、德、日等國(guó)，受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平的限制，主要成果是無(wú)動(dòng)力的管內(nèi)檢測(cè)清理設(shè)備一 PIG，由于 PIG 本身沒(méi)有行走能力，其移動(dòng)速度、檢測(cè)區(qū)域均不易控制，所以不能算作管內(nèi)機(jī)器人。70 年代以后，石油、化工、天然氣及核工業(yè)的發(fā)展為管道機(jī)器人的應(yīng)用提供了廣闊而誘人的前景，而機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)、傳感器等理論和技術(shù)的發(fā)展，也為管內(nèi)和管外自主移動(dòng)機(jī)器人的研究和應(yīng)用提供了技術(shù)保證。日、美、法、德等國(guó)在此方面作了大量研究工作，其中日本從事管道機(jī)器人研究的人員最多，成果也最多。1.2.2 國(guó)內(nèi)管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究己有十幾年的歷史，中國(guó)科學(xué)院沈

16、陽(yáng)自動(dòng)化研究5所、上海交通大學(xué)、大慶石油管理局、勝利油田、中原油田等單位都進(jìn)行了這方面的研究工作。國(guó)內(nèi)有關(guān)單位也對(duì)“管內(nèi)作業(yè)裝置”等問(wèn)題進(jìn)行了多項(xiàng)內(nèi)容的研究與開(kāi)發(fā)，作出類(lèi)具有一定意義的工作，它們是：(1)上海交通大學(xué)的“管內(nèi)移動(dòng)裝置行走機(jī)構(gòu)研究” 。(2)中原油田研制的適用于529mm- 630mm 埋地鋼質(zhì)管道的內(nèi)環(huán)焊縫區(qū)域噴涂常溫固化液態(tài)涂料的補(bǔ)口機(jī)。(3)大慶油建科研所和吉林省模具廠聯(lián)合研制的小口徑管道(D=114mm)補(bǔ)口機(jī)。(4)中科院研發(fā)用于 400*400mm 和 500mm*500mm 空調(diào)通風(fēng)管道中的清潔機(jī)器人，具有在管道中行走、對(duì)管道內(nèi)污染情況進(jìn)行觀察和對(duì)污染物進(jìn)行清潔的功

17、能。 經(jīng)過(guò)多年的研究與開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域取得了大量的成果，但是，距大規(guī)模實(shí)用化還用一定的差距。 總體看來(lái)，我國(guó)管內(nèi)機(jī)器人的研制和應(yīng)用己經(jīng)有了一定了基礎(chǔ)，但仍處于起步階段。1.31.3 管道清灰機(jī)器人系統(tǒng)概述管道清灰機(jī)器人系統(tǒng)概述管道機(jī)器人是一種可沿管道自動(dòng)行走，攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機(jī)構(gòu)，在遙控操作或計(jì)算機(jī)控制下在極其惡劣的環(huán)境中進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于管道機(jī)器人的研究很多，大多是管道監(jiān)測(cè)維修，適應(yīng)于200mm 以下、400-600mm 以及微型管道等管徑。關(guān)于管道清潔機(jī)器人，中科院研發(fā)了用于400mm 和500mm 的空調(diào)通風(fēng)管道中的清潔機(jī)器

18、人。而本文根據(jù)金屬冶煉廠煙氣管道內(nèi)特殊環(huán)境和清灰技術(shù)要求開(kāi)發(fā)了一種適應(yīng)于金屬冶煉廠。700-1000mm 的煙氣輸送管道煙灰堆積層清理的管道清灰機(jī)器人。管道清灰機(jī)器人工作要求及性能指標(biāo)：1)管道分為水平、小于 30 度傾斜、3.4 倍管道直徑彎曲三種形式，要求能行走自如；2)機(jī)器人必須小巧、靈活、拆卸方便，可自由通過(guò)600 入口；3)自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)能力高，每小時(shí)清理能力應(yīng)在 50 米左右；4)機(jī)器人應(yīng)有管道監(jiān)視系統(tǒng)；5)可附加焊縫檢測(cè)、壁厚檢測(cè)模塊；6)煙灰密度 3.5g/cm 。361.3.1 管道清灰機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式管道清灰機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式由于管道清灰機(jī)器人工作空間狹窄，專(zhuān)用機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上

19、必須小巧、靈活、拆裝方便，所以機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上要注重運(yùn)動(dòng)傳遞部件、運(yùn)動(dòng)定位導(dǎo)向部件和運(yùn)動(dòng)部件殼體的一體化設(shè)計(jì)。管道清灰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)由移動(dòng)裝置和操作臂組成。管道機(jī)器人經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，可認(rèn)為是以機(jī)械手安裝在移動(dòng)裝置上。機(jī)械手具有兩個(gè)自由度，手抓末端安裝著末端操作器鏟斗，可實(shí)現(xiàn)抬升和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)液壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)，機(jī)械手采用液壓式驅(qū)動(dòng)方式。 驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩大，即功率重量比大，響應(yīng)速度快，重復(fù)精度高，壓力可達(dá)20-3 0Mpa(機(jī)器人多用 0.6-0.7Mpa)。 液壓缸可直接用作機(jī)器人關(guān)節(jié)的一部分，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。 速度調(diào)節(jié)方便易控，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的無(wú)極調(diào)速和換向。容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。液壓系

20、統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑，過(guò)載保護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。1.3.2 管道清灰機(jī)器人操作臂設(shè)計(jì)要求管道清灰機(jī)器人操作臂設(shè)計(jì)要求 管道清灰機(jī)器人完成在管道內(nèi)對(duì)砂狀沉積物的鏟掘、清理，對(duì)物料進(jìn)行裝、運(yùn)、卸及牽引作業(yè)。該機(jī)器人的鏟掘作業(yè)和裝卸物料的作業(yè)都是通過(guò)操作臂來(lái)完成的，因此操作臂的設(shè)計(jì)要達(dá)到下列要求: i.應(yīng)使鏟斗在地面的鏟掘位置能產(chǎn)生較大的鏟起力； ii.應(yīng)保證鏟斗從運(yùn)輸位置舉升到最高位置的過(guò)程中，其轉(zhuǎn)角差不得超出一定范圍，以免在鏟斗舉升過(guò)程中物料撒落； iii.應(yīng)使鏟斗在動(dòng)臂舉升過(guò)程中的各個(gè)位置，其卸載角不小于一定值，以保證卸料干凈；iv.操作臂在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)滿足傳動(dòng)角的要求，保證運(yùn)動(dòng)輕巧，不得出

21、現(xiàn)死點(diǎn)；操作臂各構(gòu)件之間不允許發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。1.3.3 管道清灰機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)管道清灰機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)管道清灰機(jī)器人的工作環(huán)境，主要是其工作場(chǎng)地松軟，同時(shí)由于履帶式行走機(jī)構(gòu)有以下特點(diǎn)優(yōu)于輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人移動(dòng)裝置采用履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。 履帶式行走裝置與輪式相比較的特點(diǎn): 支承面積大，接地比壓小。適合于松軟和泥濘場(chǎng)地作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，通過(guò)性能較好。 越野性能好，爬坡、越溝性能均比輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)越。 履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。7同時(shí)也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，運(yùn)動(dòng)慣性大，減振功能差，零件易損壞等不足。 行走機(jī)構(gòu)由三個(gè)呈 120 的履帶

22、輪組成，與管壁底部接觸的兩個(gè)呈 120 的履帶為固定履帶，上面與管壁頂部接觸的履帶為可伸縮式的，采用凸輪機(jī)構(gòu)，由一壓力傳感器控制履帶的伸縮運(yùn)動(dòng)，來(lái)保證三個(gè)履帶全部接觸到管壁，增加管道機(jī)器人在不同管徑管道內(nèi)行走的穩(wěn)定性。機(jī)器人工作時(shí)，隨著履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)，該機(jī)器人機(jī)械手上的鏟斗向前移動(dòng)，將沉積在底部的灰鏟在鏟斗內(nèi)，鏟斗內(nèi)的灰達(dá)到最大限度時(shí)，機(jī)器人移動(dòng)到出灰口將灰倒出。采用這種移動(dòng)裝置可使機(jī)器人在管道內(nèi)的砂狀灰上行走時(shí)增加穩(wěn)定性和附著力，防止機(jī)器人陷在灰內(nèi)或打滑無(wú)法前進(jìn)。移動(dòng)裝置采用電力驅(qū)動(dòng)方式。其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，運(yùn)動(dòng)滿足要求。1.3.4 管道清灰機(jī)器人系統(tǒng)組成管道清灰機(jī)器人系統(tǒng)組成

23、82.2. 管道清灰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和三維模型的建立管道清灰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和三維模型的建立對(duì)于機(jī)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)模型的建立，采用代表目前機(jī)械 CAD 領(lǐng)域新標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件 Pro/Engineer 來(lái)完成。2.12.1 Pro/EngineerPro/Engineer 軟件的介紹軟件的介紹 Pro/E 是美國(guó) PTC (Parametric Technology Corporation)公司于 1988 年開(kāi)發(fā)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件f)(gl。參數(shù)式設(shè)計(jì)就是將零件尺寸的設(shè)計(jì)用參數(shù)來(lái)描述，并在設(shè)計(jì)修改時(shí)通過(guò)修改參數(shù)的數(shù)值來(lái)更改零件的外形。 Pro/E

24、仍以單一數(shù)據(jù)、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)性以及工程數(shù)據(jù)再利用等特點(diǎn)改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念，成為目前機(jī)械 CAD 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)。Pro/Engineer 與傳統(tǒng)的 CAD 系統(tǒng)僅提供繪圖工具有著極大的不同，它提供了一套完整的機(jī)械產(chǎn)品解決方案，包括工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、板金設(shè)計(jì)、加工制造、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，甚至包括產(chǎn)品生命周期的管理，它使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率大大提高，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期具有更多的靈活性，保證在日后根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行相應(yīng)的更改和計(jì)算;另外在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案階段，可以形象的表現(xiàn)系統(tǒng)的組成特點(diǎn)，而在產(chǎn)品的生產(chǎn)階段可以方便與加工中心數(shù)據(jù)連接。2.1.1 Pro/E 的系統(tǒng)特征的系統(tǒng)

25、特征1.參數(shù)化設(shè)計(jì)和特征功能 Pro/E 采用參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，可采用具有智能特性的功能去生成模型，如軸、孔、槽、殼、管道、倒角及圓角，可以隨意勾畫(huà)草圖和改變模型。2.單一數(shù)據(jù)庫(kù) Pro/Engineer 是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫(kù)上，不象一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上。所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中的資料全部來(lái)自一個(gè)庫(kù)，使得每一9個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門(mén)的。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC(數(shù)控)工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新;組裝圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣

26、反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。3.行為建模功能行為建模技術(shù)功能主要體現(xiàn)在智能模型和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)式設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。智能模型表現(xiàn)為捕捉設(shè)計(jì)和過(guò)程信息以及定義產(chǎn)品所需要的各種工程規(guī)范。作為一種智能設(shè)計(jì)，它提供了一組遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)核心幾何特征范圍的自適應(yīng)過(guò)程特征，這種特征提供了大量信息，進(jìn)一步詳細(xì)確定了設(shè)計(jì)意圖，是生產(chǎn)模型的一個(gè)完整的部分，它們使得智能模型具有高度靈活性，從而對(duì)環(huán)境的變化反應(yīng)迅速。目標(biāo)驅(qū)動(dòng)式設(shè)計(jì)表現(xiàn)為優(yōu)化每個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，以滿足使用自適應(yīng)過(guò)程特征從智能模型中捕捉多個(gè)目標(biāo)和不斷變化的要求，同時(shí)解決相互沖突的目標(biāo)問(wèn)題。規(guī)范是智能模型中固有的，一旦模型被修改，就能重新生成和重新校驗(yàn)是否符合規(guī)范，即用規(guī)范來(lái)實(shí)際

27、地驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。4.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù) Pro/Engineer 2000i 以后版本包含了在整個(gè)裝配過(guò)程中評(píng)估行為的功能。在裝配零件時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以快速簡(jiǎn)單地把連接類(lèi)型應(yīng)用于零件，然后評(píng)估真實(shí)的產(chǎn)品將如何動(dòng)作。可以定義己知運(yùn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)副，為實(shí)體模型增加智能成分。機(jī)構(gòu)裝配完成后，可以對(duì)整個(gè)裝配進(jìn)行工程分析。2.1.2 Pro/Engineer 主要模塊介紹主要模塊介紹一、Pro/Engineer Pro/Engineer 是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實(shí)體零件及組裝造型、三維上色、實(shí)體或線框造型、工程圖產(chǎn)生及不同視圖(三維造型還可移動(dòng)，放大或縮小和旋轉(zhuǎn))。Pr

28、o/Engineer 功能如下: 1.特征驅(qū)動(dòng)(例如:凸臺(tái)、槽、倒角、腔、殼等);2.參數(shù)化(參數(shù)二尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等); 3.通過(guò)零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間(如表面積等)的關(guān)系來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 4.支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì)(規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設(shè)計(jì)的程序化方法等)。 5.貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性(任何一個(gè)地方的變動(dòng)都將引起與之有關(guān)的每個(gè)地方10變動(dòng))。其它輔助模塊將進(jìn)一步提高擴(kuò)展 Pro/ENGINEER 的基本功能。二、Pro/SURFACE Pro/SURFACE 是一個(gè)選項(xiàng)模塊，它擴(kuò)展了 Pro/ENGI

29、NEER 的生成、輸入和編輯復(fù)雜曲面和曲線的功能。Pro/SURFACE 提供了一系列必要的工具，使得設(shè)計(jì)者很容易地生成用于飛機(jī)和汽車(chē)的曲線和曲面，船殼設(shè)計(jì)以及通常所碰到的復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題。功能包括: 1.生成曲線及曲線種類(lèi); 2.編輯曲線; 3.生成曲面及曲面種類(lèi); 4.編輯曲面。三、Pro/ASSEMBLY Pro/ASSEMBLY 是一個(gè)參數(shù)化組裝管理系統(tǒng)，能提供用戶自定義手段去生成一組組裝系列并可自動(dòng)地更換零件。Pro/ASSEMBLY 是 Pro/ADSSEMBLY 的一個(gè)擴(kuò)展選項(xiàng)模塊，只能在 Pro/Engineer 環(huán)境下運(yùn)行，它具有如下功能: 1.在組合件內(nèi)自動(dòng)替換零件(交替式)

30、2.規(guī)則排列的組合(支持組合件子集) 3.組裝模式下的零件生成(考慮組件內(nèi)己存在的零件來(lái)產(chǎn)生一個(gè)新的零件) 4. Pro/ASSEMBLY 里有一個(gè) Pro/Program 模塊，.它提供一個(gè)開(kāi)發(fā)工具。使用戶能自行編寫(xiě)參數(shù)化零件及組裝的自動(dòng)化程序，這種程序可使不是技術(shù)性用戶也可產(chǎn)生自定義設(shè)計(jì)，只需要輸入一些簡(jiǎn)單的參數(shù)即可。 5.組件特征(繪零件與組件組成的組件附加特征值。如:在兩種零件之間加一個(gè)焊接特征等)。四、Pro/MANUFACTURING Pro/MANUFACTURING 將產(chǎn)生生產(chǎn)過(guò)程規(guī)劃，刀路軌跡并能根據(jù)用戶需要產(chǎn)生的生產(chǎn)規(guī)劃做出時(shí)間上及價(jià)格成本上的估計(jì)。Pro/MANUFACT

31、URING 將生產(chǎn)過(guò)程生產(chǎn)規(guī)劃與設(shè)計(jì)造型連接起來(lái)，所以任何在設(shè)計(jì)上的改變，軟件也能自動(dòng)地將己做過(guò)的生產(chǎn)上的程序和資料也自動(dòng)地重新產(chǎn)生過(guò)，而無(wú)需用戶自行修改。它將具備完整關(guān)聯(lián)性的Pro/ENGINEER 產(chǎn)品線延伸至加工制造的工作環(huán)境里。它容許用戶采用參數(shù)化的方法去定義數(shù)值控制(NC)工具路徑，才可將 Pro/ENGINEER 生成的模型進(jìn)行加工。這些信息接著作后期處理，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng) NC 器件所需的編碼。Pro/MANUFACTURING 為下列機(jī)器操作產(chǎn)生自動(dòng)化的工具路徑: 1.銑削加工(Miffing)11 2.車(chē)削加工(Turning) 3.線體電子釋放機(jī)械技術(shù) 4.鉆床加工(Drittin

32、g)五、Pro/NC-CHECK 1. Pro/NC-CHECK 提供圖形工具。用以對(duì)銑削加工及鉆床加工操作所產(chǎn)生的物料，作模擬清除。Pro/NC-CHECK 內(nèi)選定的工具。會(huì)依照 Pro/MANUFACTURING 定義的切割路徑移動(dòng)，用戶亦可以清楚看到物料清除的進(jìn)度。加工制造組件以陰影顯示，組裝線上各個(gè)組件可以由用戶設(shè)定不同的顏色。它亦讓用戶可以在整個(gè)加工制造過(guò)程，定義夾層平面(Clipping Plane)特定的深度。夾層平面(Clipping Plane)對(duì)物料清除摸擬過(guò)程提供縱切面的閱視功能。再加上顏色的設(shè)定，選定工具路徑、內(nèi)置參考模型、工具及任何夾具(Fixture)均能二目了然，

33、不生混淆。此外，Pro/NC-CHECK 能讓用戶對(duì)工具及夾具任 ixture)進(jìn)行快速驗(yàn)證及評(píng)估，從而防止嚴(yán)重的損失。 2. Pro/NC-CHECK 與 Pro/MANUFACTURING 一并使用時(shí)，用戶可用以仔細(xì)檢定切割零件的每一部份，節(jié)省了用戶不必要地在機(jī)器上試用及操作的時(shí)間。因此，將這些產(chǎn)品合并使用，不僅體現(xiàn)了材料節(jié)省的好處，亦提供了一個(gè)加工制造的良好方案。2.22.2 管道清灰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)三維模型的建立管道清灰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)三維模型的建立管道清灰機(jī)器人由移動(dòng)裝置和操作臂組成，移動(dòng)裝置為履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可在松軟的砂狀灰上走動(dòng)。操作臂主要由鏟斗、大臂、搖臂、拉桿、轉(zhuǎn)斗油缸、舉升油缸

34、等組成。鏟斗來(lái)鏟裝灰物，動(dòng)臂和舉升油缸用來(lái)提升鏟斗，轉(zhuǎn)斗油缸通過(guò)搖臂、拉桿使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)。操作臂具有 2 個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)臂旋轉(zhuǎn)、抬高運(yùn)動(dòng)。操作臂如圖 2-1 所示。該機(jī)器人主要完成對(duì)700- 1000mm 管道內(nèi)砂狀沉積物的清理。機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)由三個(gè)呈的履帶輪組成，與管壁底部接觸的兩個(gè)呈的履帶為固定履帶，上面與管壁o120o120頂部接觸的履帶為可伸縮式的，履帶支撐用彈簧裝置（如圖所示）保證三個(gè)履帶全部接觸到管壁，增加管道機(jī)器人在不同管徑管道內(nèi)行走的穩(wěn)定性。頂部支撐裝置剖視圖：12操作臂結(jié)構(gòu)如圖所示：其它主要零部件：鏟斗：13傳動(dòng)裝置：大臂：14彈簧：15拉桿：履帶：輪：16螺母：箱體：17液壓

35、裝置 1：液壓裝置 2：18支撐架：19傳動(dòng)軸：頂起軸：20深溝球軸承（GB/T276-1994）mm：21基本尺寸/mm安裝尺寸/mm基本額動(dòng)動(dòng)載荷Cr基本額定動(dòng)載荷Cr0極限轉(zhuǎn)速/（r/min）軸承代號(hào)dDBrsdaDaras/kN脂潤(rùn)滑油潤(rùn)滑原軸承代號(hào)621470125241.5791161.560.845.048006000214軸承端蓋：22換向裝置：23管道清灰機(jī)器人總體裝配圖：3. 管道清灰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析管道清灰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的幾何關(guān)系、速度、加速度等。管道清灰機(jī)器人是由操作臂和移動(dòng)裝置組成。操作臂簡(jiǎn)化后為一平面閉環(huán)連桿機(jī)構(gòu)，其上的末端操作器鏟

36、斗的運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)該機(jī)器人的位姿(位置和姿勢(shì))分析可簡(jiǎn)化為平面位姿分析。操作臂安裝在移動(dòng)裝置上，在分析管道機(jī)器人的位置時(shí)，將移動(dòng)裝置設(shè)為一動(dòng)坐標(biāo)系，首先分析操作臂相對(duì)于移動(dòng)裝置的位置和姿勢(shì)，然后分析機(jī)械手連同移動(dòng)裝置在定坐標(biāo)系中的位置、速度、加速度，可得到機(jī)器人的位置和姿勢(shì)。3.13.1 機(jī)器人操作臂類(lèi)型選擇機(jī)器人操作臂類(lèi)型選擇 該機(jī)器人操作臂簡(jiǎn)化后為一平面機(jī)構(gòu)。按桿數(shù)劃分的連桿機(jī)構(gòu)中，四連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但因動(dòng)臂前端須裝有自重較大的框架，減少了鏟斗的載重量，且影響攝像機(jī)的視線；八連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，鏟起力變化平緩；六桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，容易布置，一般能較好地滿足作業(yè)要求，因此在這里鏟

37、斗抬起運(yùn)動(dòng)采用六桿機(jī)構(gòu)。按機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可將操作臂運(yùn)動(dòng)裝置分為正轉(zhuǎn)連桿和反轉(zhuǎn)連桿。正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)主動(dòng)構(gòu)件與從動(dòng)構(gòu)件24轉(zhuǎn)向相同，如圖 3-1 所示;反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)主動(dòng)構(gòu)件與從動(dòng)構(gòu)件轉(zhuǎn)向相反，如圖 3-2 所示。圖 3-1 正轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖 3-2 反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1)正轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn):如圖 3-3 所示 發(fā)出最大鏟起力在0 時(shí)，且鏟起力變化陡峭如圖 3-3 所示，因此在提25升鏟斗時(shí)鏟起力較大，適于裝載重物；鏟斗卸料時(shí)，角速度小，卸料平緩；升降動(dòng)臂時(shí)較易保證鏟斗平移。圖 3-3 鏟起力變化圖26由以上分析可以看出:正轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且能滿足管道清灰機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，即正轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有利于地面挖掘，適合機(jī)器人有較

38、大的鏟灰力，工作裝置易于布置在同一平面，有利于增加機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，因此將管道清灰機(jī)器人操作臂工作裝置設(shè)計(jì)為正轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)。3.23.2 鏟斗轉(zhuǎn)角差及卸載角分析鏟斗轉(zhuǎn)角差及卸載角分析當(dāng)鏟斗轉(zhuǎn)角時(shí)有較大的鏟起力，如圖 3-3 左所示。機(jī)器人鏟起灰物后舉升到運(yùn)輸過(guò)程中，保證物料不撒落，主要取決于鏟斗的形狀，其鏟斗提升狀態(tài)如圖 3-3 中所示，鏟斗內(nèi)灰物的重心通過(guò)鏟斗底部中心線時(shí)，此時(shí)鏟斗不易撒落物料。鏟斗在動(dòng)臂舉升過(guò)程中的最高位置時(shí)，其最大卸載角狀態(tài)如圖 3-3 右所示，也就是當(dāng)搖臂和旋轉(zhuǎn)臂處于同一直線時(shí)，鏟斗傾倒可達(dá)到最大的卸載角，同時(shí)與舉升油缸的位置也有關(guān)，油缸與管道水平方向夾角越小，鏟斗卸載

39、角也越大，但需保證鏟斗不能碰到管壁，方可保證卸料干凈。3.33.3 機(jī)器人操作臂自由度機(jī)器人操作臂自由度機(jī)構(gòu)是由若干個(gè)構(gòu)件組合起來(lái)，且各構(gòu)件之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)鏈。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析時(shí)，首先要確定所給定的機(jī)構(gòu)的自由度。當(dāng)自由度等于主動(dòng)件數(shù)時(shí)，機(jī)構(gòu)具有確定的自由度。該機(jī)器人操作臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 3-4 所示。圖 3-4 機(jī)器人操作臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖27根據(jù)切貝謝夫一克魯伯規(guī)律，該機(jī)構(gòu)的自由度為 21128323hsPPNF其中 F:活動(dòng)構(gòu)件數(shù)(不包括機(jī)架) :低副個(gè)數(shù)sP :高副個(gè)數(shù)hP機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)，其自由度必須等于原動(dòng)件數(shù)。因此機(jī)器人操作臂具有兩個(gè)原動(dòng)件，一個(gè)為舉升液壓缸，另一個(gè)為旋轉(zhuǎn)液壓

40、缸。3.43.4 操作臂死點(diǎn)分析操作臂死點(diǎn)分析管道清灰機(jī)器人操作臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 5 所示。已知各桿長(zhǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸伸縮量為一定值時(shí)，舉升油缸伸縮時(shí)，大臂為主動(dòng)桿，分析此時(shí)六連桿的運(yùn)動(dòng)特性。設(shè) KA 為 x軸，由 K 指向 A 為正向，將矢量閉鏈 AKFBA 和閉鏈 AKEDCBA 向 x、y 軸投影，得：0coscoscos32AKBABFKF0sinsinsin32BABFKF0cos)cos(coscos)cos(322541ABBACBDCEDKE0sin)sin(sinsin)sin(322541ABBACBDCEDKE其中輸入角為一級(jí)坐標(biāo)，、為二級(jí)坐標(biāo)，由上式可求得矩陣表達(dá)式：2345

41、.11.5.4.3.254322543223232)cos()sin(cossincoscoscos)cos(sinsinsin)sin(00coscos00sinsinKEKEKFKFDCEDBACBDCEDBACBBABFBABF用表示與速度矩陣相對(duì)應(yīng)的系數(shù)行列式，其值為：A2821543254322543223232sinsin)sin()sin(coscoscos)cos(sinsinsin)sin(00coscos00sinsinBABFBABFDCEDBACBDCEDBACBBABFBABFA其中、分別為閉鏈 AKFBA 和閉鏈 AKEDCBA 的傳動(dòng)角。12若速度方程有解，剛；若

42、速度方程無(wú)解，剛，即或0A0A)sin(32，也就是或，兩閉鏈的傳動(dòng)角分別為零。該位置正是)sin(543254, 02六桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)，如圖所示。由于轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸不能作整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不存在當(dāng)，或時(shí)的死點(diǎn)位置。1803218054為避免死點(diǎn)的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)操作臂時(shí)，應(yīng)使各桿長(zhǎng)滿足下列條件：AFBFABDFCFCDCECDDECFCDDEEFmin000可避免死點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)不確定情況的出現(xiàn)。機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置294. 管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真4.14.1 鏟斗鏟灰鏟斗鏟灰液壓裝置 1 來(lái)控制鏟斗的旋轉(zhuǎn)，主機(jī)通過(guò)分析計(jì)算來(lái)控制該液壓裝置的伸縮量，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在不會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)位置時(shí)，機(jī)構(gòu)有

43、兩個(gè)擺動(dòng)極限位置：分別如下圖所示（1）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)定義如下30當(dāng)收縮量最大是：31當(dāng)拉伸量最大是：4.24.2鏟斗舉升鏟斗舉升32液壓裝置 2 來(lái)實(shí)現(xiàn)鏟斗舉升，主機(jī)通過(guò)分析計(jì)算來(lái)控制該液壓裝置的伸縮量，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在不會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)位置時(shí)，機(jī)構(gòu)有兩個(gè)擺動(dòng)極限位置：分別如下圖所示最底點(diǎn)：鏟斗開(kāi)始鏟灰最高點(diǎn)：機(jī)器人移動(dòng)，將灰鏟走334.34.3鏟斗旋轉(zhuǎn)鏟斗旋轉(zhuǎn)中間連接裝置采用軸承連接，通過(guò)液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣機(jī)構(gòu)可以減小左右抖動(dòng)，防止?fàn)t灰抖落?？赏瓿?360 旋轉(zhuǎn)，保證完全清理爐灰。34結(jié)結(jié) 論論根據(jù)管道清灰技術(shù)要求，提出采用履帶式管道清灰機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，操作臂選用正轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)。分析了鏟斗轉(zhuǎn)角

44、差和卸載角，給出鏟斗最佳鏟掘位置和卸載位置，分析了該機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置，提出避免死點(diǎn)的方法。從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度說(shuō)明管道清灰機(jī)器人結(jié)構(gòu)的合理性。為機(jī)器人的下一步研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1、在充分了解國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人現(xiàn)狀的后，提出采用履帶示管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。該機(jī)器人主要有操作臂和移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。操作臂主要由鏟斗、動(dòng)臂、旋轉(zhuǎn)前臂、旋轉(zhuǎn)臂、轉(zhuǎn)斗油缸及舉升油缸等組成，操作臂具有 2 個(gè)自由度。行走機(jī)構(gòu)由三個(gè)呈 120度的履帶輪組成，與管壁底部接觸的兩個(gè)呈 120 度的履帶為固定履帶，與管壁頂部接觸的履帶為可伸縮式的。采用這種移動(dòng)裝置可使機(jī)器人在管道內(nèi)的砂狀灰上行走增加穩(wěn)定性和附著力，防止機(jī)器人陷在灰內(nèi)或打滑無(wú)法

45、前進(jìn)。2、采用當(dāng)前應(yīng)用廣泛的三維參數(shù)化造型軟件 Pro/E，完成了基于特征的參數(shù)化管道清灰機(jī)器人結(jié)構(gòu)建模，建立了虛擬樣機(jī)，真實(shí)地表達(dá)了管道清灰機(jī)器人的物理樣機(jī)，為機(jī)器人的后續(xù)研究如運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制等的研究奠定了基礎(chǔ)。353、對(duì)管道清灰機(jī)器人虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)約束進(jìn)行了分析并做出了仿真動(dòng)畫(huà)。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1林尚揚(yáng)，陳善本等，焊接機(jī)器人及其應(yīng)用M.機(jī)械工業(yè)出版社，2000, 72吳宗澤，羅圣國(guó)等，機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)M.3 版，北京教育出版社，2006，53沈?yàn)槊竦?，水冷臂清掃監(jiān)測(cè)爬壁機(jī)器人J，機(jī)器人，1999.9 (375-378)4林清安，著，Pro/ENGINEER 零件設(shè)計(jì)(基礎(chǔ)篇，高級(jí)

46、篇)明，北京大學(xué)出版社，2000, 45王詩(shī)麗，龔光輝，Pro/E 與 AutoCAD 在機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的功能比較LJ , 機(jī)械與電子，2003, 26龔振邦汪勤息陳振華錢(qián)晉武編著，機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)M，電子工業(yè)出版社， 1995，117濮良貴，紀(jì)名剛等，機(jī)械設(shè)計(jì)M.8 版，高等教育出版社，2006，53609/20 11:46 102 機(jī)體齒飛面孔雙臥多軸組合機(jī)床及 CAD 設(shè)計(jì)09/08 20:02 3kN 微型裝載機(jī)設(shè)計(jì)09/20 15:09 45T 旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)液壓缸設(shè)計(jì)08/30 15:32 5 噸卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)計(jì)10/30 17:12 C620 軸撥桿的工藝規(guī)程及鉆 2-16 孔的鉆

47、床夾具設(shè)計(jì)09/21 13:39 CA6140 車(chē)床撥叉零件的機(jī)械加工工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì) 83100308/30 15:37 CPU 風(fēng)扇后蓋的注塑模具設(shè)計(jì)09/20 16:19 GDC956160 工業(yè)對(duì)輥成型機(jī)設(shè)計(jì)08/30 15:45 LS 型螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)10/07 23:43 LS 型螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)09/20 16:23 P-90B 型耙斗式裝載機(jī)設(shè)計(jì)09/08 20:17 PE10 自行車(chē)無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)10/07 09:23 話機(jī)機(jī)座下殼模具的設(shè)計(jì)與制造09/08 20:20 T108 噸自卸車(chē)拐軸的斷裂原因分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)09/21 13:39 X-Y 型數(shù)控銑床工作臺(tái)的設(shè)計(jì)09

48、/08 20:25 YD5141SYZ 后壓縮式垃圾車(chē)的上裝箱體設(shè)計(jì)10/07 09:20 ZH1115W 柴油機(jī)氣缸體三面粗鏜組合機(jī)床總體及左主軸箱設(shè)計(jì)09/21 15:34 ZXT-06 型多臂機(jī)凸輪軸加工工藝及工裝設(shè)計(jì)10/30 16:04 三孔連桿零件的工藝規(guī)程及鉆 35H6 孔的夾具設(shè)計(jì)08/30 17:57 三層貨運(yùn)電梯曳引機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)10/29 14:08 上蓋的工工藝規(guī)程及鉆 6-4.5 孔的夾具設(shè)計(jì)10/04 13:45 五噸單頭液壓放料機(jī)的設(shè)計(jì)10/04 13:44 五噸單頭液壓放料機(jī)設(shè)計(jì)09/09 23:40 儀表外殼塑料模設(shè)計(jì)09/08 20:57 傳動(dòng)蓋沖壓工藝制

49、定及沖孔模具設(shè)計(jì)09/08 21:00 傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)繪與分析設(shè)計(jì)10/07 23:46 保護(hù)罩模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)09/20 15:30 保鮮膜機(jī)設(shè)計(jì)10/04 14:35 減速箱體數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)10/04 13:20 鑿巖釬具釬尾的熱處理工藝探索設(shè)計(jì)09/08 21:33 分離爪工藝規(guī)程和工藝裝備設(shè)計(jì)10/30 15:26 制定左擺動(dòng)杠桿的工工藝規(guī)程及鉆 12 孔的夾具設(shè)計(jì)10/29 14:03 前蓋板零件的工藝規(guī)程及鉆 8-M16 深 29 孔的工裝夾具設(shè)計(jì)10/07 08:44 加油機(jī)油槍手柄護(hù)套模具設(shè)計(jì)09/20 15:17 加熱缸體注塑模設(shè)計(jì)10/07 09:17 動(dòng)模底板零件的工藝規(guī)程及鉆

50、 52 孔的工裝夾具設(shè)計(jì)10/08 20:23 包縫機(jī)機(jī)體鉆孔組合機(jī)床總體及夾具設(shè)計(jì)09/21 15:19 升板機(jī)前后輔機(jī)的設(shè)計(jì)09/09 22:17 升降式止回閥的設(shè)計(jì)09/22 18:52 升降桿軸承座的夾具工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì)09/09 16:41 升降杠桿軸承座零件的工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì)08/30 15:59 半自動(dòng)鎖蓋機(jī)的設(shè)計(jì)（包裝機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)）3708/30 15:57 半軸零件的機(jī)械加工工藝及夾具設(shè)計(jì)10/29 13:31 半軸零件鉆 6-14 孔的工裝夾具設(shè)計(jì)圖紙09/26 13:53 單吊桿式鍍板系統(tǒng)設(shè)計(jì)08/30 16:20 單級(jí)齒輪減速器模型優(yōu)化設(shè)計(jì)08/30 16:24 單繩

51、纏繞式提升機(jī)的設(shè)計(jì)09/09 23:08 臥式加工中心自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)09/08 22:10 厚板扎機(jī)軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì)09/18 20:56 叉桿零件的加工工藝規(guī)程及加工孔 20 的專(zhuān)用夾具設(shè)計(jì)08/30 19:32 雙臥軸混凝土攪拌機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì)09/09 22:33 雙模輪胎硫化機(jī)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)09/09 22:32 雙輥驅(qū)動(dòng)五輥冷軋機(jī)設(shè)計(jì)09/08 20:36 變位器工裝設(shè)計(jì)-0.1t 普通座式焊接變位機(jī)09/28 16:50 疊層式物體制造快速成型機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)09/08 22:41 可急回抽油機(jī)速度分析及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)09/08 22:42 可移動(dòng)的墻設(shè)計(jì)及三維建模10/04 13:

52、25 右出線軸鉆 2-8 夾具設(shè)計(jì)10/04 13:23 右出線軸鉆 6-6 夾具設(shè)計(jì)09/08 22:36 咖啡杯蓋注塑模具設(shè)計(jì)10/07 08:33 咖啡粉枕式包裝機(jī)總體設(shè)計(jì)及橫封切斷裝置設(shè)計(jì)09/09 16:15 啤酒貼標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)（總體和后標(biāo)部分的設(shè)計(jì)）10/29 13:58 噴油泵體零件的工藝規(guī)程及鉆 14 通孔的工裝夾具設(shè)計(jì)08/30 19:39 四工位的臥式組合機(jī)床設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)09/21 13:39 四方罩模具設(shè)計(jì)08/30 19:42 四組調(diào)料盒注塑模具設(shè)計(jì)10/07 23:55 固定座的注塑模具設(shè)計(jì)09/09 23:52 圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)09/09 23:48

53、圓珠筆管注塑模工藝及模具設(shè)計(jì)10/13 16:36 圓盤(pán)剪切機(jī)設(shè)計(jì)09/21 13:25 基于 PLC 變頻調(diào)速技術(shù)的供暖鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)09/08 22:20 基于 pro-E 的減速器箱體造型和數(shù)控加工自動(dòng)編程設(shè)計(jì)08/30 18:00 基于 PROE 的果蔬籃注塑模具設(shè)計(jì)08/30 19:37 基于 UG 的 TGSS-50 型水平刮板輸送機(jī)-機(jī)頭段設(shè)計(jì)09/21 15:16 塑料油壺蓋模具設(shè)計(jì)09/09 22:41 塑料膠卷盒注射模設(shè)計(jì)10/07 09:25 多功能推車(chē)梯子的設(shè)計(jì)09/08 21:25 多功能齒輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)08/30 16:32 多層板連續(xù)排版方法及基于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)08/30 16:30 多層板連續(xù)排版方法畢業(yè)設(shè)計(jì)08/30 16:42 多用角架擱板的注塑模具設(shè)計(jì)及其仿真加工設(shè)計(jì)08/30 16:39 多繩摩擦式提升機(jī)的設(shè)計(jì)09/08 21:05 大型礦用自卸車(chē)靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)09/20 16:27 大型耙斗裝巖機(jī)設(shè)計(jì)09/08 21:01 大批生產(chǎn)的汽車(chē)變速器左側(cè)蓋加工工藝及指定工序夾具設(shè)計(jì)10/30 15:42 套筒的機(jī)械加工工藝規(guī)程及攻 6-M8-6H 深 10 的夾具設(shè)計(jì)3810/30 15:38 套筒的機(jī)械加工工藝規(guī)程及鉆 40H7 孔的夾具設(shè)計(jì)10/29 14:13 套筒零件的工藝規(guī)程及鉆 3-10 孔的工裝夾具設(shè)計(jì)