管道清灰機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、目目 錄錄 1. 緒 論 .1 1.1 機(jī)器人的發(fā)展綜述 .1 1.1.1 機(jī)器人定義.1 1.1.2 我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義.1 1.1.3 機(jī)器人發(fā)展簡(jiǎn)史.2 1.2 管道機(jī)器人概述 .4 1.2.1 國(guó)外管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀.4 1.2.2 國(guó)內(nèi)管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀.4 1.3 管道清灰機(jī)器人系統(tǒng)概述 .5 1.3.1 管道清灰機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式.5 1.3.2 管道清灰機(jī)器人操作臂設(shè)計(jì)要求.6 1.3.3 管道清灰機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).6 1.3.4 管道清灰機(jī)器人系統(tǒng)組成.7 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.8 2.1 pro/engineer軟件的介紹 .8 2.1.1

2、 pro/e 的系統(tǒng)特征 .8 2.1.2 pro/engineer 主要模塊介紹 .9 2.2 管道清灰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)三維模型的建立.11 3. 管道清灰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 .23 3.1 機(jī)器人操作臂類(lèi)型選擇.23 3.2 鏟斗轉(zhuǎn)角差及卸載角分析.25 3.3 機(jī)器人操作臂自由度.26 3.4 操作臂死點(diǎn)分析.26 4. 管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真 .29 4.1 鏟斗鏟灰.29 4.2鏟斗舉升 .31 4.3鏟斗旋轉(zhuǎn) .32 結(jié) 論 .34 致 謝 .35 參考文獻(xiàn) .36 1. 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

3、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

4、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、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)

5、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 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 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

6、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，

7、 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

8、”)，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，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

9、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 夠創(chuàng)建周?chē)h(huán)境的抽象模型，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 unim

10、ate 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，

11、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

12、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) cincinnati 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” 。 1998 年 丹麥樂(lè)高公司推出機(jī)器人(mind-

13、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

14、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

15、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

16、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)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究 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)

17、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

18、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)60

19、0 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 。 3 1.3.1 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

20、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:

21、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

22、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。 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

23、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 2.2. 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/engine

24、erpro/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 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)

25、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)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

26、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 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

27、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

28、何動(dòng)作?？梢远x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))。pro/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

29、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 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/engineer 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)

30、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) 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/progr

31、am 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/manufacturing 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

32、。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) 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(dritting) 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

33、-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，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

34、/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

35、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 o 120 o 120 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： 操作臂結(jié)構(gòu)如圖所示： 其它主要零部件： 鏟斗： 傳動(dòng)裝置： 大臂： 彈簧： 拉桿： 履帶： 輪： 螺母： 箱體： 液壓裝置 1： 液壓裝置 2： 支撐架： 傳動(dòng)軸： 頂起軸： 深溝球軸承（gb/t276-1994）mm：

36、 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) ddb rsdadaras /kn 脂潤(rùn) 滑 油潤(rùn) 滑 原軸 承代 號(hào) 621470125241.5791161.560.845.048006000214 軸承端蓋： 換向裝置： 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

37、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

38、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 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 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 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)器人有較大的鏟灰力，工作裝置易于布置

39、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，鏟斗卸載角也越大，

40、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 根據(jù)切貝謝夫一克魯伯規(guī)律，該機(jī)構(gòu)的自由度為 21128323 hs ppnf 其中 f:活動(dòng)構(gòu)件數(shù)(不包括機(jī)架) :低副個(gè)數(shù) s p :高副個(gè)數(shù) h p 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

41、，另一個(gè)為旋轉(zhuǎn)液壓缸。 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： 0coscoscos 32 akbabfkf 0sinsinsin 32 babfkf 0cos)cos(coscos)cos( 322541 abbacbdcedke 0sin)sin(sinsin)sin( 322541 abbacbdcedke 其中輸入角為一級(jí)

42、坐標(biāo)，、為二級(jí)坐標(biāo)，由上式可求得矩陣表達(dá)式： 2 3 4 5 . 1 1 . 5 . 4 . 3 . 2 54322 54322 32 32 )cos( )sin( cos sin coscoscos)cos( sinsinsin)sin( 00coscos 00sinsin ke ke kf kf dcedbacb dcedbacb babf babf 用表示與速度矩陣相對(duì)應(yīng)的系數(shù)行列式，其值為：a 215432 54322 54322 32 32 sinsin)sin()sin( coscoscos)cos( sinsinsin)sin( 00coscos 00sinsin babfbab

43、f dcedbacb dcedbacb babf babf a 其中、分別為閉鏈 akfba 和閉鏈 akedcba 的傳動(dòng)角。 1 2 若速度方程有解，剛；若速度方程無(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( 54 32 54 , 0 2 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。 180 32 180 54 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： afbfab dfcfcd cecdde cfcddeef min 0 0 0 可避免死點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)不確定情況的出現(xiàn)。 機(jī)構(gòu)

44、死點(diǎn)位置 4. 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 當(dāng)收縮量最大是： 當(dāng)拉伸量最大是： 4.24.2鏟斗舉升鏟斗舉升 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 4.34.3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

45、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。可完成 360 旋轉(zhuǎn)，保證完全清理爐灰。 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)

46、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)。 3、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)

47、出版社，2000, 7 2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，2006，5 3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)篇)明，北京大學(xué)出版社， 2000, 4 5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, 2 6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， 1995，11 7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，2006，5 09/08 20:02 3kn 微型

48、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) 831003 08/30 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

49、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) 09/08 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