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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(dòng)收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū)，因此對(duì)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(dòng)時(shí)，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(dòng)機(jī)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動(dòng)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(dòng)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(duì)于直徑為400mm的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑。基于使用TRIZ的概念設(shè)計(jì)，我們將與韓國(guó)Robot Valley公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作，建立機(jī)器人的初始設(shè)計(jì)。對(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)的鏈接被拉伸以適合時(shí)，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(jiǎn)稱DOE），模擬最大沖擊力對(duì)滑動(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)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(dòng)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(dòng)收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū)，因此對(duì)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(guó)GACF處于初始階段，但據(jù)報(bào)道，通過解決現(xiàn)有手動(dòng)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(yíng)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(guó)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(gè)地方時(shí)，一輛皮卡車會(huì)繞過那個(gè)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(huì)損壞垃圾袋。 因此，城市的美麗可能會(huì)受到破壞，特別是在夏天。 此外，垃圾袋會(huì)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(guó)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(shí)存放在插槽的底部后，將其連接到與管道連接的存儲(chǔ)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(huì)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(gè)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(chǎng)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(chǎng)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(shí)，垃圾通過與收集場(chǎng)地相連的管道運(yùn)輸。 在收集的場(chǎng)地，GACF操作一個(gè)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(shí)，根據(jù)氣流，GACF收集生活垃圾。 為了長(zhǎng)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(dòng)運(yùn)動(dòng)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?dòng)驅(qū)動(dòng)管道內(nèi)檢測(cè)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(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即機(jī)器人可以與 當(dāng)一個(gè)輪子在管道的分支點(diǎn)處無效時(shí)，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(dòng)時(shí)，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(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過氣動(dòng)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(dòng)以及清潔時(shí)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(duì)于直徑為400mm的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑。 機(jī)器人前部有一個(gè)攝像頭和一個(gè)旋轉(zhuǎn)刷，可同時(shí)進(jìn)行清潔和檢查。 此外，它可以通過使兩個(gè)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(guó)Robot Valley公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作，建立機(jī)器人的初始設(shè)計(jì)。對(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿拉伸到400mm時(shí)，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(duì)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的6個(gè)連桿施加的應(yīng)力進(jìn)行模擬。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（簡(jiǎn)稱DOE）。最后，將確定最佳尺寸，包括4個(gè)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(gè)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(jiǎn)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(jiǎn)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(gè)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(gè)整體?！盀榱苏业矫軉栴}的解決方案，我們?cè)谙旅娴木渥又袘?yīng)用分離原則：”兩種管道的每個(gè)機(jī)器人體分別設(shè)計(jì)，然后是兩個(gè)機(jī)器人體 被放在一個(gè)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(gè)問題中，元素是“機(jī)器人的身體”和“管的直徑”。這個(gè)圖表明機(jī)器人的身體設(shè)計(jì)成適合兩個(gè)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(píng)估
問題的暫定解決方案可以如下：對(duì)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(dòng)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(dòng)壓力用于使滑動(dòng)機(jī)構(gòu)配合到管的內(nèi)表面中。 因此，機(jī)器人具有三個(gè)用于一個(gè)滑塊的6連桿滑動(dòng)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(gè)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，即前滑塊3個(gè)，后滑塊3個(gè)。
圖6 6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)
圖7一個(gè)滑塊的三個(gè)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)
該問題解決方案的評(píng)估可以如下進(jìn)行：當(dāng)三個(gè)六連桿機(jī)構(gòu)中的一個(gè)落入管道的分支點(diǎn)時(shí)，使用氣動(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)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(dòng)，因?yàn)榭梢怨潭ㄈ齻€(gè)6連桿機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)，如圖8所示。
圖8使用分支點(diǎn)處的氣動(dòng)壓力評(píng)估6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)
3.使用RECURDYN?進(jìn)行動(dòng)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(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)，與韓國(guó)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(zhǎng)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(shí)。 對(duì)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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合管道直徑400mm時(shí)。 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(zhǎng)的位移。
圖9采用氣動(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)與初始拉伸表1的長(zhǎng)度尺寸和厚度由于氣動(dòng)，適合400毫米直徑的管道它會(huì)碰撞壓力（推動(dòng)滑動(dòng)連桿，即連桿5）與管道的內(nèi)壁。 那個(gè)時(shí)候，多體動(dòng)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(gè)動(dòng)態(tài)的第一步仿真，6連桿滑動(dòng)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(gè)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(dòng)。
圖10關(guān)節(jié)和固定狀態(tài)的約束
機(jī)器人六個(gè)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞管道內(nèi)表面只有一個(gè)六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)為方便起見，在RecurDyn?中考慮過。 2個(gè)6連桿輪滑動(dòng)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(duì)固定部件的碰撞而給出的（與接頭1連接）與滑動(dòng)部分（連接到接頭2）。
圖11接觸約束
6連桿機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)由氣動(dòng)壓力。 但沒有氣動(dòng)壓力RecurDyn?計(jì)劃中的約束。 在這個(gè)模擬中，我們已賦予彈簧力氣動(dòng)壓力。 的情況下氣動(dòng)壓力，6連桿機(jī)構(gòu)滑動(dòng)加速度為2 m / s2。 通過動(dòng)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(dòng)。因此，氣動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)與管道內(nèi)側(cè)（直徑400 mm）碰撞時(shí)使用RecurDyn?模擬的沖擊力。 如該圖所示，機(jī)構(gòu)滑動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
現(xiàn)在我們處理6連桿滑動(dòng)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(dòng)態(tài)模擬獲得的100N，加載到6輪鏈滑動(dòng)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(dòng)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?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(gè)設(shè)計(jì)變量的最佳尺寸，即如圖15所示的4個(gè)鏈節(jié)的厚度。
圖14ANSYS?Workbench的三維模型
圖15 6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)（俯視圖）
DOE通常用于通過對(duì)給定設(shè)計(jì)（或性能測(cè)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(gè)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(gè)等級(jí)中的四個(gè)。表2顯示了機(jī)器人谷的現(xiàn)場(chǎng)工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所產(chǎn)生的每個(gè)因素的水平。 對(duì)于這種6鏈路機(jī)制，四級(jí)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(duì)6連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行16次靜態(tài)分析。 4個(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)應(yīng)高達(dá)2（現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，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(gè)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(duì)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(gè)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(gè)鏈路的最小質(zhì)量。 - 包括具有這些最佳尺寸的6連桿滑動(dòng)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(cè)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(dòng)機(jī)構(gòu)
5. 結(jié)論
最近，由于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū)，因此對(duì)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(dòng)時(shí)，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(dòng)機(jī)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動(dòng)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(dòng)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(duì)于直徑為400mm的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過滑動(dòng)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(guó)Robot Valley公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作，建立了機(jī)器人的初始設(shè)計(jì)。對(duì)于管道內(nèi)清潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合直徑400mm的管道時(shí)，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(jiǎn)稱DOE），模擬了最大沖力對(duì)滑動(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)，已經(jīng)與Robot Valley，Inc。合作開發(fā)了清潔測(cè)試。為了進(jìn)一步研究這個(gè)原型，現(xiàn)有的清潔工具需要重新設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單有效的類型，因?yàn)槠浞此⒌膹?fù)雜機(jī)理。
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(dòng)收集設(shè)施（即 GACF）被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市 區(qū)，因此對(duì)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(dòng)時(shí)，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(dòng)機(jī)構(gòu)，可以調(diào) 節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動(dòng)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(dòng)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(duì)于直徑為 400mm 的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑。基于使用 TRIZ 的概念設(shè)計(jì)，我們將與韓國(guó) Robot Valley 公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作，建立機(jī)器人的 初始設(shè)計(jì)。對(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)的鏈接被拉伸以適合時(shí)， 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 ANSYSWorkbench（簡(jiǎn)稱 DOE），模擬最 大沖擊力對(duì)滑動(dòng) 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(gè)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(gè)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(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)， TRIZ，優(yōu)化設(shè)計(jì)， RecurDyn， 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（ DOE）， ANSYSWorkbench 1 引言 最近 ，由 于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施（即 GACF）被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū)， 因此對(duì)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(guó) GACF 處于初始階段，但據(jù)報(bào)道，通過解 決現(xiàn)有手動(dòng)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(yíng)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(guó)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(gè)地方時(shí)，一輛皮卡車會(huì)繞過那個(gè)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(huì)損壞垃 圾袋。 因此，城市的美麗可能會(huì)受到破壞，特 別是在夏天。 此外，垃圾袋會(huì)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(guó)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(shí)存放在插槽的底部后，將其連接到與管道連接的存儲(chǔ)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(huì)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(gè)中央收集的設(shè)施，在地 下建造的管道中提供約 6070km / 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(chǎng)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(chǎng)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(shí)，垃圾通過與收集場(chǎng)地相連的管道運(yùn)輸。 在 收集的場(chǎng)地， GACF 操 作一個(gè)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(shí)，根據(jù) 氣流， GACF 收集生活垃圾。 為了長(zhǎng)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(dòng)運(yùn)動(dòng)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?dòng)驅(qū)動(dòng)管道內(nèi)檢測(cè)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(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即機(jī)器人可以 與 當(dāng)一個(gè)輪子在管道的分支點(diǎn)處無效時(shí)，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(dòng)時(shí)，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(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過氣動(dòng)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(dòng)以及清潔時(shí) 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(duì)于直徑為 400mm 的管道，機(jī)器人的連桿應(yīng)通過滑動(dòng)機(jī)構(gòu)伸展以適應(yīng)管道 的直徑。 機(jī)器人前部有一個(gè) 攝像頭和一個(gè)旋轉(zhuǎn)刷，可同時(shí)進(jìn)行清潔和檢查。 此 外，它可以通過使兩個(gè)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)。基于這種概念設(shè)計(jì)，我們將 與韓國(guó) Robot Valley 公司的現(xiàn)場(chǎng)工程師合作，建立機(jī)器人的初始設(shè)計(jì)。對(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿拉伸到 400mm 時(shí)， 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 ANSYSWorkbench 基于最大沖擊力對(duì)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的 6 個(gè) 連桿施加的應(yīng)力進(jìn)行模擬。 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（簡(jiǎn)稱 DOE）。最后，將確定最佳尺寸，包 括 4 個(gè)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(gè)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(jiǎn)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(jiǎn)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(gè)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(gè)整體。 “為了找 到矛盾問題的解決方案，我們?cè)谙旅娴木渥又袘?yīng)用分離原則： ”兩種管道的每個(gè) 機(jī)器人體分別設(shè)計(jì)，然后是兩個(gè)機(jī)器人體 被放在一個(gè)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(gè)問題中，元素是 “機(jī)器人的身體 ”和 “管 的直徑 ”。這個(gè)圖表明機(jī)器人的身體設(shè)計(jì)成適合兩個(gè)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(píng)估 問題的暫定解決方案可以如下：對(duì)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(dòng)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(dòng)壓力用于使滑動(dòng)機(jī)構(gòu)配合到管的內(nèi) 表面中。 因此，機(jī)器人具 有三個(gè)用于一個(gè)滑塊的 6 連桿滑動(dòng)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(gè) 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，即前滑塊 3 個(gè)，后滑塊 3 個(gè)。 圖 6 6 連桿滑動(dòng) 機(jī)構(gòu) 圖 7 一個(gè)滑塊的三個(gè) 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 該問題解決方案的評(píng)估可以如下進(jìn)行：當(dāng)三個(gè)六連桿機(jī)構(gòu)中的一個(gè)落入管道 的分支點(diǎn)時(shí)，使用氣動(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)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(dòng)，因?yàn)榭?以固定三個(gè) 6 連桿機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)，如圖 8 所示。 圖 8 使用分支點(diǎn)處的氣動(dòng) 壓力評(píng)估 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.使用 RECURDYN進(jìn)行動(dòng)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(dòng) 壓力的六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)，與韓國(guó) 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(zhǎng)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(shí)。 對(duì)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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合管道直徑 400mm 時(shí)。 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(zhǎng)的位移。 圖 9 采用氣動(dòng)壓力的六連桿滑動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)與初始 拉伸表 1 的長(zhǎng)度尺寸和厚度 由于氣動(dòng)，適合 400 毫米直徑的管道 它會(huì)碰撞壓力（推動(dòng)滑動(dòng)連桿，即連桿 5） 與管道的內(nèi)壁。 那 個(gè)時(shí)候，多體 動(dòng)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(gè)動(dòng)態(tài)的第一步 仿真， 6 連桿滑動(dòng)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(gè)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(dòng)。 圖 10 關(guān)節(jié)和固定狀態(tài)的約束 機(jī)器人六個(gè) 6 連 桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞 管道內(nèi)表面只有一個(gè)六連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)為 方便起見，在 RecurDyn中考慮過。 2 個(gè) 6 連桿輪 滑動(dòng)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(duì)固定部件的碰撞而給出的（與 接頭 1 連接）與滑動(dòng)部分（連接到接頭 2） 。 圖 11 接觸約束 6 連桿機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)由 氣動(dòng)壓力。 但沒有氣動(dòng)壓力 RecurDyn計(jì)劃中的 約束。 在這個(gè)模擬中，我們 已賦予彈簧力氣動(dòng)壓力。 的情況下 氣動(dòng)壓力， 6 連 桿機(jī)構(gòu)滑動(dòng) 加速度為 2 m / s2。 通過動(dòng)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(dòng)。 因此，氣動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)與管道內(nèi)側(cè)（直徑 400 mm）碰撞時(shí)使用 RecurDyn模擬的沖擊力。 如該圖所示，機(jī)構(gòu)滑動(dòng) 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(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 現(xiàn)在 我們處理 6 連桿滑動(dòng)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(dòng)態(tài)模擬獲得的 100N， 加載到 6 輪鏈滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的車輪 1 的點(diǎn)上，如圖 14 所示（ 3-D 模型） ANSYSWorkbench）。 我們假設(shè)車輪 1 在動(dòng)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 ANSYSWorkbench 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(gè)設(shè)計(jì)變量的最佳尺寸，即如圖 15 所示的 4 個(gè)鏈節(jié)的厚 度。 圖 14ANSYSWorkbench 的三維模型 圖 15 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu)（俯視圖） DOE 通常用于通過對(duì)給定設(shè)計(jì)（或性能測(cè)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(gè)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(gè)等級(jí) 中的四個(gè)。表 2 顯示了機(jī)器人谷的現(xiàn)場(chǎng)工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所產(chǎn)生的每個(gè)因素的水 平。 對(duì)于這種 6 鏈路機(jī)制，四級(jí)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 ANSYSWorkbench 對(duì) 6 連桿滑動(dòng)機(jī)構(gòu) 進(jìn)行 16 次靜態(tài)分析。 4 個(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)應(yīng)高達(dá) 2（現(xiàn)場(chǎng)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(shí)， 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 ANSYSWorkbench 通過靜態(tài)分析執(zhí)行的 16 個(gè)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(duì)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(gè)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(gè)鏈路的最小質(zhì)量。 - 包括 具有這 些最佳尺寸的 6 連桿滑動(dòng)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(cè)試。 表 3 正交陣列 圖 16 使用 ANSYSWorkbench 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(dòng)機(jī)構(gòu) 5. 結(jié)論 最近，由于垃圾自動(dòng)收集設(shè)施（即 GACF）被廣泛安裝在韓國(guó)首爾大都市區(qū)， 因此對(duì)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(dòng)時(shí)，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(dòng)機(jī)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi) 表面使用氣動(dòng)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(dòng)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(duì)于直徑為 400mm 的管道，機(jī)器人 的連桿應(yīng)通過滑動(dòng)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(guó) Robot Valley 公司的現(xiàn)場(chǎng)工 程師合作，建立了機(jī)器人的初始設(shè)計(jì)。對(duì)于管道內(nèi)清 潔機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿伸展到適合直徑 400mm 的管道時(shí)，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 ANSYSWorkbench（簡(jiǎn)稱 DOE），模擬了最大沖力對(duì)滑動(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)，已經(jīng) 與 Robot Valley， Inc。合作開發(fā)了清潔測(cè)試。為了進(jìn)一步研究這個(gè)原型，現(xiàn)有的 清潔工具需要重新設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單有效的類型，因?yàn)槠浞此⒌膹?fù)雜機(jī)理。