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免費畢業論文--管道清灰機器人設計(一)
1. 緒 論
1.1 機器人的發展綜述
1.1.1 機器人定義
在科技界，科學家會給每一個科技術語一個明確的定義，但機器人問世已有幾十年，機器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個統一的意見。原因之一是機器人還在發展，新的機型，新的功能不斷涌現。機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學問題。就像機器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創造空間。
機器人主要類型： 操作型機器人：能自動控制，可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統中。 程控型機器人：按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。 示教再現型機器人：通過引導或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復進行作業。 數控型機器人：不必使機器人動作，通過數值、語言等對機器人進行示教，機器人根據示教后的信息進行作業。 感覺控制型機器人：利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。 適應控制型機器人：機器人能適應環境的變化，控制其自身的行動。 學習控制型機器人：機器人能“體會”工作的經驗，具有一定的學習功能，并將所“學”的經驗用于工作中。 智能機器人：以人工智能決定其行動的機器人。
1.1.2 我國科學家對機器人的定義
我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。在研究和開發未知及不確定環境下作業的機器人的過程中，人們逐步認識到機器人技術的本質是感知、決策、行動和交互技術的結合。隨著人們對機器人技術智能化本質認識的加深，機器人技術開始源源不斷地向人類活動的各個領域滲透。結合這些領域的應用特點，人們發展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器，如移動機器人、微機器人、水下機器人、醫療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。對不同任務和特殊環境的適應性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區別。這些機器人從外觀上已遠遠脫離了最初仿人型機器人和工業機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應用領域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術開辟出更加廣闊的發展空間。 中國工程院院長宋健指出：“機器人學的進步和應用是20世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義上的自動化”。機器人技術綜合了多學科的發展成果，代表了高技術的發展前沿，它在人類生活應用領域的不斷擴大正引起國際上重新認識機器人技術的作用和影響。 我國的機器人專家從應用環境出發，將機器人分為兩大類，即工業機器人和特種機器人。所謂工業機器人就是面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業機器人之外的、用于非制造業并服務于人類的各種先進機器人，包括：服務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農業機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。目前，國際上的機器人學者，從應用環境出發將機器人也分為兩類：制造環境下的工業機器人和非制造環境下的服務與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的。
1.1.3 機器人發展簡史
（引自《環球科學》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《羅薩姆的機器人萬能公司》中，根據Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創造出“機器人”這個詞。 1939年 美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會說77個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。 1942年 美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創造，但后來成為學術界默認的研發原則。 1948年 諾伯特·維納出版《控制論》，闡述了機器中的通信和控制機能與人的神經、感覺機能的共同規律，率先提出以計算機為核心的自動化工廠。 1954年 美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人，并注冊了專利。這種機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 在達特茅斯會議上，馬文·明斯基提出了他對智能機器的看法：智能機器“能夠創建周圍環境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個定義影響到以后30年智能機器人的研究方向。 1959年 德沃爾與美國發明家約瑟夫·英格伯格聯手制造出第一臺工業機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對工業機器人的研發和宣傳，他也被稱為“工業機器人之父”。 1962年 美國AMF公司生產出“VERSTRAN”(意思是萬能搬運),與Unimation公司生產的Unimate一樣成為真正商業化的工業機器人，并出口到世界各國，掀起了全世界對機器人和機器人研究的熱潮。 1962年-1963年傳感器的應用提高了機器人的可操作性。人們試著在機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年則開始在機器人中加入視覺傳感系統，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機器人系統。 1965年約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室研制出Beast機器人。Beast已經能通過聲納系統、光電管等裝置，根據環境校正自己的位置。20世紀60年代中期開始，美國麻省理工學院、斯坦福大學、英國愛丁堡大學等陸續成立了機器人實驗室。美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機器人，并向人工智能進發。 1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發成功的機器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據人的指令發現并抓取積木,不過控制它的計算機有一個房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機器人，拉開了第三代機器人研發的序幕。 1969年 日本早稻田大學加藤一郎實驗室研發出第一臺以雙腳走路的機器人。加藤一郎長期致力于研究仿人機器人，被譽為“仿人機器人之父”。日本專家一向以研發仿人機器人和娛樂機器人的技術見長，后來更進一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。 1973年 世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機
1.2 管道機器人概述
在工農業生產及日常生活中，管道作為一種重要的物料輸送手段，其應用范圍日益廣泛，數量也不斷增多。管道工程在國民經濟許多行業中如石化、天然氣、核工業、給排水、管道輸送等行業起著極其重要的作用。管道在使用過程中，由于各種外界因素的影響，會形成各種各樣的管道故障與管道損傷。如果不及時對管道檢測、維修及清洗就可能會產生事故，形成不必要的損失和浪費。然而，管道所處的環境往往是人們不易直接達到或不允許人們直接進入的，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器人來實現管道內的在線檢測、維修和清洗。
管內機器人是一種可沿管道自動行走，攜有一種或多種傳感器件和作業機構，在遙控操作或計算機控制下能在極其惡劣的環境中進行一系列管道作業的機電一體化系統。
1.2.1 國外管道機器人發展現狀
對較長距離管道的直接檢測、清理技術的研究始于本世紀50年代美、英、法、德、日等國，受當時的技術水平的限制，主要成果是無動力的管內檢測清理設備一PIG，由于PIG本身沒有行走能力，其移動速度、檢測區域均不易控制，所以不能算作管內機器人。70年代以后，石油、化工、天然氣及核工業的發展為管道機器人的應用提供了廣闊而誘人的前景，而機器人學、計算機、傳感器等理論和技術的發展，也為管內和管外自主移動機器人的研究和應用提供了技術保證。日、美、法、德等國在此方面作了大量研究工作，其中日本從事管道機器人研究的人員最多，成果也最多。
1.2.2 國內管道機器人發展現狀
我國管內移動機器人技術的研究己有十幾年的歷史，中國科學院沈陽自動化研究所、上海交通大學、大慶石油管理局、勝利油田、中原油田等單位都進行了這方面的研究工作。
國內有關單位也對“管內作業裝置”等問題進行了多項內容的研究與開發，作出類具有一定意義的工作，它們是：
(1)上海交通大學的“管內移動裝置行走機構研究”。
(2)中原油田研制的適用于529mm- 630mm埋地鋼質管道的內環焊縫區域噴涂常溫固化液態涂料的補口機。
(3)大慶油建科研所和吉林省模具廠聯合研制的小口徑管道(D=114mm)補口機。
(4)中科院研發用于400*400mm和500mm*500mm空調通風管道中的清潔機器人，具有在管道中行走、對管道內污染情況進行觀察和對污染物進行清潔的功能。
經過多年的研究與開發，國內外已經在管內作業機器人領域取得了大量的成果，但是，距大規模實用化還用一定的差距。
總體看來，我國管內機器人的研制和應用己經有了一定了基礎，但仍處于起步階段。
1.3 管道清灰機器人系統概述
管道機器人是一種可沿管道自動行走，攜有一種或多種傳感器件和作業機構，在遙控操作或計算機控制下在極其惡劣的環境中進行一系列管道作業的機電一體化系統。目前國內外關于管道機器人的研究很多，大多是管道監測維修，適應于200mm以下、400-600mm以及微型管道等管徑。關于管道清潔機器人，中科院研發了用于400mm 和500mm的空調通風管道中的清潔機器人。而本文根據金屬冶煉廠煙氣管道內特殊環境和清灰技術要求開發了一種適應于金屬冶煉廠。700-1000mm的煙氣輸送管道煙灰堆積層清理的管道清灰機器人。
管道清灰機器人工作要求及性能指標：
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)機器人必須小巧、靈活、拆卸方便，可自由通過600入口；
3)自動化程度高，生產能力高，每小時清理能力應在50米左右；
4)機器人應有管道監視系統；
5)可附加焊縫檢測、壁厚檢測模塊；
6)煙灰密度3.5g/cm。
1.3.1 管道清灰機器人驅動方式
由于管道清灰機器人工作空間狹窄，專用機器人在結構上必須小巧、靈活、拆裝方便，所以機器人在結構上要注重運動傳遞部件、運動定位導向部件和運動部件殼體的一體化設計。管道清灰機器人本體結構由移動裝置和操作臂組成。管道機器人經過簡化，可認為是以機械手安裝在移動裝置上。機械手具有兩個自由度，手抓末端安裝著末端操作器—鏟斗，可實現抬升和旋轉兩個運動。根據液壓驅動具有以下特點，機械手采用液壓式驅動方式。
①驅動力或驅動力矩大，即功率重量比大，響應速度快，重復精度高，壓力可達20-3 0Mpa(機器人多用0.6-0.7Mpa)。
②液壓缸可直接用作機器人關節的一部分，實現直接驅動，結構簡單緊湊。
③速度調節方便易控，可實現平穩的無極調速和換向。容易實現自動化。
④液壓系統可實現自我潤滑，過載保護方便，使用壽命長。
1.3.2 管道清灰機器人操作臂設計要求
管道清灰機器人完成在管道內對砂狀沉積物的鏟掘、清理，對物料進行裝、運、卸及牽引作業。該機器人的鏟掘作業和裝卸物料的作業都是通過操作臂來完成的，因此操作臂的設計要達到下列要求:
i.應使鏟斗在地面的鏟掘位置能產生較大的鏟起力；
ii.應保證鏟斗從運輸位置舉升到最高位置的過程中，其轉角差不得超出一定范圍，以免在鏟斗舉升過程中物料撒落；
iii.應使鏟斗在動臂舉升過程中的各個位置，其卸載角不小于一定值，以保證卸料干凈；
iv.操作臂在整個運動過程中，應滿足傳動角的要求，保證運動輕巧，不得出現死點；操作臂各構件之間不允許發生運動干涉。
1.3.3 管道清灰機器人行走機構設計
根據管道清灰機器人的工作環境，主要是其工作場地松軟，同時由于履帶式行走機構有以下特點優于輪式移動機構，該機器人移動裝置采用履帶式移動機構。
履帶式行走裝置與輪式相比較的特點:
①支承面積大，接地比壓小。適合于松軟和泥濘場地作業，下陷度小，滾動阻力小，通過性能較好。
②越野性能好，爬坡、越溝性能均比輪式移動機構優越。
③履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發揮較大的牽引力。同時也存在結構復雜，重量大，運動慣性大，減振功能差，零件易損壞等不足。
行走機構由三個呈120的履帶輪組成，與管壁底部接觸的兩個呈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，采用凸輪機構，由一壓力傳感器控制履帶的伸縮運動，來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定性。機器人工作時，隨著履帶式移動機構的移動，該機器人機械手上的鏟斗向前移動，將沉積在底部的灰鏟在鏟斗內，鏟斗內的灰達到最大限度時，機器人移動到出灰口將灰倒出。采用這種移動裝置可使機器人在管道內的砂狀灰上行走時增加穩定性和附著力，防止機器人陷在灰內或打滑無法前進。移動裝置采用電力驅動方式。其體積小、結構緊湊、重量輕，運動滿足要求。
1.3.4 管道清灰機器人系統組成
2. 管道清灰機器人本體結構的設計和三維模型的建立
對于機機器人本體結構模型的建立，采用代表目前機械CAD領域新標準的參數化設計軟件Pro/Engineer來完成。
2.1 Pro/Engineer軟件的介紹
Pro/E是美國PTC (Parametric Technology Corporation)公司于1988年開發的參數化設計系統，是一套由設計至生產的機械自動化軟件[f})(gl。參數式設計就是將零件尺寸的設計用參數來描述，并在設計修改時通過修改參數的數值來更改零件的外形。
Pro/E仍以單一數據、參數化、基于特征、全相關性以及工程數據再利用等特點改變了傳統設計觀念，成為目前機械CAD領域的新標準。Pro/Engineer與傳統的CAD系統僅提供繪圖工具有著極大的不同，它提供了一套完整的機械產品解決方案，包括工業設計、機械設計、模具設計、板金設計、加工制造、機構分析、有限元分析和產品數據管理，甚至包括產品生命周期的管理，它使產品的設計效率大大提高，使產品在設計初期具有更多的靈活性，保證在日后根據系統要求進行相應的更改和計算;另外在產品的設計方案階段，可以形象的表現系統的組成特點，而在產品的生產階段可以方便與加工中心數據連接。
2.1.1 Pro/E的系統特征
1.參數化設計和特征功能
Pro/E采用參數化設計、基于特征的實體模型化系統，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，可以隨意勾畫草圖和改變模型。
2.單一數據庫
Pro/Engineer是建立在統一基層上的數據庫上，不象一些傳統的CAD/CAM系統建立在多個數據庫上。所謂單一數據庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設計過程的任何一處發生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環節上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC(數控)工具路徑也會自動更新;組裝圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。
3.行為建模功能
行為建模技術功能主要體現在智能模型和目標驅動式設計兩個方面。
智能模型表現為捕捉設計和過程信息以及定義產品所需要的各種工程規范。
作為一種智能設計，它提供了一組遠遠超過傳統核心幾何特征范圍的自適應過程特征，這種特征提供了大量信息，進一步詳細確定了設計意圖，是生產模型的一個完整的部分，它們使得智能模型具有高度靈活性，從而對環境的變化反應迅速。目標驅動式設計表現為優化每個產品的設計，以滿足使用自適應過程特征從智能模型中捕捉多個目標和不斷變化的要求，同時解決相互沖突的目標問題。規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是否符合規范，即用規范來實際地驅動設計。
4.機構設計技術
Pro/Engineer 2000i以后版本包含了在整個裝配過程中評估行為的功能。在裝配零件時，設計人員可以快速簡單地把連接類型應用于零件，然后評估真實的產品將如何動作�？梢远x己知運動自由度的運動副，為實體模型增加智能成分。機構裝配完成后，可以對整個裝配進行工程分析。
2.1.2 Pro/Engineer主要模塊介紹
一、Pro/Engineer
Pro/Engineer是軟件包，并非模塊，它是該系統的基本部分，其中功能包括參數化功能定義、實體零件及組裝造型、三維上色、實體或線框造型、工程圖產生及不同視圖(三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉)。Pro/Engineer功能如下:
1.特征驅動(例如:凸臺、槽、倒角、腔、殼等);
2.參數化(參數二尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等);
3.通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數之間(如表面積等)的關系來進行設計。
4.支持大型、復雜組合件的設計(規則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設計的程序化方法等)。
5.貫穿所有應用的完全相關性(任何一個地方的變動都將引起與之有關的每個地方變動)。其它輔助模塊將進一步提高擴展Pro/ENGINEER的基本功能。
二、Pro/SURFACE
Pro/SURFACE是一個選項模塊，它擴展了Pro/ENGINEER的生成、輸入和編輯復雜曲面和曲線的功能。Pro/SURFACE提供了一系列必要的工具，使得設計者很容易地生成用于飛機和汽車的曲線和曲面，船殼設計以及通常所碰到的復雜設計問題。功能包括:
1.生成曲線及曲線種類;
2.編輯曲線;
3.生成曲面及曲面種類;
4.編輯曲面。
三、Pro/ASSEMBLY
Pro/ASSEMBLY是一個參數化組裝管理系統，能提供用戶自定義手段去生成一組組裝系列并可自動地更換零件。Pro/ASSEMBLY是Pro/ADSSEMBLY的一個擴展選項模塊，只能在Pro/Engineer環境下運行，它具有如下功能:
1.在組合件內自動替換零件(交替式)
2.規則排列的組合(支持組合件子集)
3.組裝模式下的零件生成(考慮組件內己存在的零件來產生一個新的零件)
4. Pro/ASSEMBLY里有一個Pro/Program模塊，.它提供一個開發工具。使用戶能自行編寫參數化零件及組裝的自動化程序，這種程序可使不是技術性用戶也可產生自定義設計，只需要輸入一些簡單的參數即可。
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焊接特征等)。
四、Pro/MANUFACTURING
Pro/MANUFACTURING將產生生產過程規劃，刀路軌跡并能根據用戶需要產生的生產規劃做出時間上及價格成本上的估計。Pro/MANUFACTURING將生產過程生產規劃與設計造型連接起來，所以任何在設計上的改變，軟件也能自動地將己做過的生產上的程序和資料也自動地重新產生過，而無需用戶自行修改。它將具備完整關聯性的Pro/ENGINEER產品線延伸至加工制造的工作環境里。它容許用戶采用參數化的方法去定義數值控制((NC)工具路徑，才可將Pro/ENGINEER生成的模型進行加工。這些信息接著作后期處理，產生驅動NC器件所需的編碼。
Pro/MANUFACTURING為下列機器操作產生自動化的工具路徑:
1.銑削加工(Miffing)
2.車削加工(Turning)
3.線體電子釋放機械技術
4.鉆床加工(Dritting)
五、Pro/NC-CHECK
1. Pro/NC-CHECK提供圖形工具。用以對銑削加工及鉆床加工操作所產生的物料，作模擬清除。Pro/NC-CHECK內選定的工具。會依照Pro/MANUFACTURING定義的切割路徑移動，用戶亦可以清楚看到物料清除的進度。加工制造組件以陰影顯示，組裝線上各個組件可以由用戶設定不同的顏色。它亦讓用戶可以在整個加工制造過程，定義夾層平面(Clipping Plane)特定的深度。夾層平面(Clipping Plane)對物料清除摸擬過程提供縱切面的閱視功能。再加上顏色的設定，選定工具路徑、內置參考模型、工具及任何夾具(Fixture)均能二目了然，不生混淆。此外，Pro/NC-CHECK能讓用戶對工具及夾具任ixture)進行快速驗證及評估，從而防止嚴重的損失。
2. Pro/NC-CHECK與Pro/MANUFACTURING一并使用時，用戶可用以仔細檢定切割零件的每一部份，節省了用戶不必要地在機器上試用及操作的時間。因此，將這些產品合并使用，不僅體現了材料節省的好處，亦提供了一個加工制造的良好方案。
2.2 管道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2-1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的履帶輪組成，與管壁底部接觸的兩個呈的履帶為固定履帶，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定性。
頂部支撐裝置剖視圖：
操作臂結構如圖所示：
其它主要零部件：
鏟斗：
傳動裝置：
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：
傳動軸：
頂起軸：
深溝球軸承（GB/T276-1994）mm：
軸承代號 基本尺寸/mm 安裝尺寸/mm 基本額動動載荷 基本額定動載荷 極限轉速/（r/min） 原軸承代號
d D B
/kN 脂潤滑 油潤滑
6214 70 125 24 1.5 79 116 1.5 60.8 45.0 4800 6000 214
軸承端蓋：
換向裝置：
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。
3.1 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3-1所示;反轉連桿機構主動構件與從動構件轉向相反，如圖3-2所示。
圖3-1 正轉機構
圖3-2反轉機構
1)正轉機構具有以下特點:如圖3-3所示
①發出最大鏟起力在<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作業過程中各構件不易發生干涉，工作裝置易于布置在同一平面內，使桿
件支撐和受力好。
2)反轉連桿機構:
①發出最大鏟起力是在>0時，且鏟起力變化陡峭如圖3-3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。
圖3-3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。
3.2 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3-3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，其鏟斗提升狀態如圖3-3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，其最大卸載角狀態如圖3-3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。
3.3 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3-4所示。
圖3-4機器人操作臂機構簡圖
根據切貝謝夫一克魯伯規律，該機構的自由度為
其中F:活動構件數(不包括機架)
:低副個數
: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。
3.4 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：
其中輸入角為一級坐標，、、、為二級坐標，由上式可求得矩陣表達式：
用表示與速度矩陣相對應的系數行列式，其值為：
其中、分別為閉鏈AKFBA和閉鏈AKEDCBA的傳動角。
若速度方程有解，剛；若速度方程無解，剛，即或，也就是或，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，或時的死點位置。
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：
可避免死點和運動不確定情況的出現。
機構死點位置
4. 管道機器人運動機構仿真
4.1 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
當收縮量最大是：
當拉伸量最大是：
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
最高點：機器人移動，將灰鏟走
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。
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。
1、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定性和附著力，防止機器人陷在灰內或打滑無法前進。
2、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，為機器人的后續研究如運動學、動力學、控制等的研究奠定了基礎。
3、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。
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；她兢兢業業、不辭勞苦的工作態度，誠實做人的人生觀使我敬佩。她嚴謹的治學態度和高尚的人格必將對我以后的學習和工作產生非常積極的影響。在此謹向劉老師表示誠摯的感謝和崇高的敬意！
此外還要衷心感謝周圍同學的友好合作與對本人的熱情幫助！
衷心感謝所有在學習上，生活中對我友情幫助和大力支持的老師和同學！
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