【文章內容簡介】 清灰機器人本體結構三維模型的建立 管道清灰機器人由移動裝置和操作臂組成，移動裝置為履帶式移動機構，可在松軟的砂狀灰上走動。操作臂主要由鏟斗、大臂、搖臂、拉桿、轉斗油缸、舉升油缸等組成。鏟斗來鏟裝灰物，動臂和舉升油缸用來提升鏟斗，轉斗油缸通過搖臂、拉桿使鏟斗轉動。操作臂具有 2個自由度，可實現臂旋轉、抬高運動。操作臂如圖 21所示。該機器人主要完成對 ? 700 1000mm 管道內砂狀沉積物的清理。機器人行走機 構由三個呈 o120 的履帶輪組成，與管壁底部接觸的兩個呈 o120 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，履帶支撐用彈簧裝置（如圖所示）保證三個履帶全部接觸到管壁，增加管道機器人在不同管徑管道內行走的穩(wěn)定性。 頂部支撐裝置剖視圖： 操作臂結構如圖所示： 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 14 其它主要零部件： 鏟斗： 傳動裝置： 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 15 大臂： 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 16 彈簧： 拉桿： 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 17 履帶： 輪： 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 18 螺母： 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 19 箱體： 液壓 裝置 1： 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 20 液 壓 裝置 2： 支撐架： 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 21 傳動軸： 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 22 頂起軸： 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 23 深溝球軸承（ GB/T2761994） mm： 軸承代號 基本尺寸 /mm 安裝尺寸 /mm 基本額動動載荷Cr 基本額定動載荷Cr0 極限轉速 /（ r/min） 原軸承代號 d D B rs da Da ras /kN 脂潤 滑 油潤 滑 6214 70 125 24 79 116 4800 6000 214 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 24 軸承端蓋： 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 25 換向裝置： 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 26 管道清灰機器人總體裝配圖： 3. 管道清灰機器人運動學分析 機器人運動學分析是研究機器人運動的幾何關系、速度、加速度等。管道清灰機器人是由操作臂和移動裝置組成。操作臂簡化后為一平面閉環(huán)連桿機構，其上的末端操作器 — 鏟斗的運動為平面運動。因此，對該機器人的位姿 (位置和姿勢 )分析可簡化為平面位姿分析。操作臂安裝在移動裝置上，在分析管道機器人的位置時，將移動裝置設為一動坐標系，首先分析操作臂相對于移動裝置的位置和姿勢，然后分析機械手連同移動裝置在定坐標系中的位置、速度、加速度，可得到機器人的位置和姿勢。 機器人操作臂類型選擇 該機器人操作臂簡化后為一平面機構。按桿數劃分的連桿機構中，四連桿機構結構蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 27 簡單，但因動臂前端須裝有自重較大的框架，減少了鏟斗的載重量，且影響攝像機的視線 ； 八連桿機構結構較復雜，鏟起力變化平緩 ； 六桿機構結構較簡單，容易布置，一般能較好地滿足作業(yè)要求，因此在這 里鏟斗抬起運動采用六桿機 構。按機構運動狀態(tài)可將操作臂運動裝置分為正轉連桿和反轉連桿。正轉 連桿機構主動構件與從動構件轉向相同，如圖 31所示 。反轉連桿機構主動構件與從動構件轉向相反，如圖 32 所示。 圖 31 正轉機構 圖 32反轉機構 1)正轉機構具有以下特點 :如圖 33所示 ①發(fā)出最大鏟起力在 ? 0 時，如圖所示，即鏟斗有利于地面挖掘 ； ②在鏟斗卸料時，角速度較大，易于抖落物料，但沖擊較大 ； ③作業(yè)過程中各構件不易發(fā)生干涉，工作裝 置易于布置在同一平面內，使桿 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 28 件支撐和受力好。 2)反轉連桿機構 : ①發(fā)出最大鏟起力是在 ? 0 時，且鏟起力變化陡峭如圖 33 所示，因此在提 升鏟斗時鏟起力較大，適于裝載重物 ； ②鏟斗卸料時，角速度小，卸料平緩 ； ③升降動臂時較易保證鏟斗平移。 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 29 圖 33鏟起力變化圖 由以上分析可以看出 :正轉六連桿機構結構簡單，且能滿足管道清灰機器人設計要求，即正轉機構有利于地面挖掘，適合機器人有較大的鏟灰力，工作裝置易于布置在同一平面，有利于增加機器人運動穩(wěn) 定性，因此將管道清灰機器人操作臂工作裝置設計為正轉六連桿機構。 鏟斗轉角差及卸載角分析 當鏟斗轉角時有較大的鏟起力，如圖 33左所示。機器人鏟起灰物后舉升到運輸過程中，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 33 中所示，鏟斗內灰物的重心通過鏟斗底部中心線時，此時鏟斗不易撒落物料。鏟斗在動臂舉升過程中的最高位置時，其最大卸載角狀態(tài)如圖 33右所示，也就是當搖臂和旋轉臂處于同一直線時，鏟斗傾倒可達到最大的卸載角，同時與舉升油缸的位置也有關，油缸與管道水蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 30 平方向夾角越小，鏟斗卸載角也越 大，但需保證鏟斗不能碰到管壁，方可保證卸料干凈。 機器人操作臂自由度 機構是由若干個構件組合起來，且各構件之間具有確定的相對運動的強制運動鏈。在機構設計和分析時，首先要確定所給定的機構的自由度。當自由度等于主動件數時，機構具有確定的自由度。該機器人操作臂機構簡圖如圖 34所示。 圖 34機器人操作臂機構簡圖 根據切貝謝夫一克魯伯規(guī)律，該機構的自由度為 21128323 ???????? hs PPNF 其中 F:活動構件數 (不包括機架 ) sP :低副個數 hP :高副個數 機構有確定的運動，其自由度必須等于原動件數。因此機器人操作臂具有兩個原動件，一個為舉升液壓缸，另一個為旋轉液壓缸。 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 31 操作臂死點分析 管道清灰機器人操作臂機構簡圖如圖 5所示。已知各桿長，當轉斗油缸伸縮量為一定值時，舉升油缸伸縮時，大臂為主動桿，分析此時六連桿的運動特性。設 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： 0c o sc o sc o s 32 ???? AKBABFKF ??? 0s i ns i ns i n 32 ??? ??? BABFKF 0c o s)c o s (c o sc o s)c o s ( 322541 ???????? ABBACBDCEDKE ??????? 0s i n)s i n (s i ns i n)s i n ( 322541 ???????? ABBACBDCEDKE ??????? 其中輸入角 ? 為一級坐標， 2? 、 3? 、 4? 、 5? 為二級坐標，由上式可求得矩陣表達式： .11.5.4.3.254322543223232)c o s ()s i n (c o ss i nc o sc o sc o s)c o s (s i ns i ns i n)s i n (00c o sc o s00s i ns i n???????????????????????????????????????????????????????????????????????KEKEKFKFDCEDBACBDCEDBACBBABFBABF 用 A 表示與速度矩陣相對應的系數行列式，其值為： 21543254322543223232s i ns i n)s i n ()s i n (c o sc o sc o s)c o s (s i ns i ns i n)s i n (00c o sc o s00s i ns i n????????????????????BABFBABFDCEDBACBDCEDBACBBABFBABFA????????????????????? 其中 1? 、 2? 分別為閉鏈 AKFBA 和閉鏈 AKEDCBA 的傳動角。 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 32 若速度方程有解，剛 0?A ；若速度方程無解，剛 0?A ，即 )sin( 32 ?? ? 或)sin( 54 ?? ? ， 也就是 32 ?? ? 或 54 ?? ? ， ,02?? 兩閉鏈的傳動角分別為零。該位置正是六桿機構的死點，如圖所示。由于轉斗油缸和舉升油缸不能作整周回轉運動，不存在當?18032 ???? ，或 ?18054 ???? 時的死點位置。 為避免死點的出現，設計操作臂時，應使各桿長滿足下列條件： AFBFABDFCFCDCECDDECFCDDEEF????????????m in000 可避免死點和運動不確定情況的出現。 機構死點位置 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 33 4. 管道機器人運動機構仿真 鏟斗鏟灰 液壓裝置 1來控制鏟斗的旋轉，主機通過分析計算來控制該液壓裝置的伸縮量，機構設計合理，在不會出現死點位置時，機構有兩個擺動極限位置：分別如下圖所示 （ 1）機構運動定義如下 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 34 當收縮量最大是： 當拉伸量最大是： 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 35 鏟斗舉升 液壓裝置 2來實現鏟斗舉升，主機通過分析計算來控制該液壓裝置的伸縮量，機構設計合理，在不會出現死點位置時，機構有兩個擺動極限位置：分別如下 圖所示 最底點：鏟斗開始鏟灰 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 36 最高點：機器人移動，將灰鏟走 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 37 鏟斗旋轉 中間連接裝置采用軸承連接，通過液壓馬達來實現軸的轉動，這樣機構可以減小左右抖動，防止爐灰抖落?？赏瓿?360旋轉，保證完全清理爐灰。 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 38 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 39 結 論 根據管道清灰技術要求，提出采用履帶式管道清灰機器人設計方案，操作臂選用正轉六連桿機構。分析了鏟斗轉角差和卸載角，給出鏟斗最佳鏟掘位置和卸載位置，分析了該機構的死點位置，提出避免死點的方法。從機構學的角度說明管道清灰機器人結構的合理性。為機器人的下一步研究提供了堅實的基礎。 在充分了解國內外管道機器人現狀的后，提出采用履帶示管道機器人的設計方案。該機器人主要有操作臂和移動機構組成。操作臂主要由鏟斗、動臂、旋轉前臂、旋轉臂、轉斗油缸及舉升油缸等組成，操作臂具有 2個自由度。行走機構由三個呈 120 度的履帶輪組成，與管壁底部接觸的兩個呈 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。采用這種移動裝置可使機器人在管道內的砂狀灰上行走增加穩(wěn)定性和附著力，防止機器人陷在灰內或打滑無法前進。 采用當前應用廣泛的三維參數化造型軟件 Pro/E，完成了基于特征的參數化管道清灰機 器人結構建模，建立了虛擬樣機，真實地表達了管道清灰機器人的物理樣機，為機器人的后續(xù)研究如運動學、動力學、控制等的研究奠定了基礎。 對管道清灰機器人虛擬樣機的運動約束進行了分析并做出了仿真動畫。 蘭州 交通大學畢業(yè)設計（論文） 40 致 謝 本文是在導師劉曉琴的精心指導、反復修改下完成的。三個多月以來，導師在學習上對我嚴格要求，熱情鼓勵并給了我耐心細致的指 導。導師待人熱情，學風嚴謹，思想活躍，知識淵博。她 對我的論文提出了許多寶貴的建議和意見，使我澄清了不少模糊的概念和認識。沒有導師平時的嚴格要求和悉心教誨，本文是 不可能順利完成的；而且導師開闊的視野、敏銳的洞察力、嚴謹的治學風范使我終生受益；她兢兢業(yè)