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相互作用分析 圖5顯示了元素 - 交互分析。 在這個問題中，元素是“機器人的身體”和“管的直徑”。這個圖表明機器人的身體設計成適合兩個標準直徑（300毫米和400毫米）的管道作為可變機構。 圖5元素相互作用分析 F.（6SC的第6步）問題解決和評估 問題的暫定解決方案可以如下：對于兩種類型的標準化管道（300mm或400mm），機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連桿滑動機構，以適應直徑為300mm / 400mm的管道。 特別地，在該解決方案中，氣動壓力用于使滑動機構配合到管的內(nèi)表面中。 因此，機器人具有三個用于一個滑塊的6連桿滑動機構，如圖7所示。如該圖所示，管內(nèi)清潔機器人具有總共六個6連桿滑動機構，即前滑塊3個，后滑塊3個。 圖6 6連桿滑動機構 圖7一個滑塊的三個6連桿滑動機構 該問題解決方案的評估可以如下進行：當三個六連桿機構中的一個落入管道的分支點時，使用氣動壓力的六連桿滑動機構可以通過保持機器人的直徑來逃離分支點（在其他 單詞，機器人的狀態(tài)適合管道，并且可以穩(wěn)定地移動，因為可以固定三個6連桿機構中的兩個，如圖8所示。 圖8使用分支點處的氣動壓力評估6連桿滑動機構 3.使用RECURDYN?進行動態(tài)模擬 基于第二節(jié)中介紹的管道內(nèi)清潔機器人的概念設計，圖9中提出了使用氣動壓力的六連桿滑動機構的初始設計，與韓國Robot Valley公司合作。 特別是表1顯示了鏈路1至4的初始設計的長度和厚度，這些設計來自機器人谷的設計專家的經(jīng)驗知識。 對于管道清洗機器人的最佳設計，最大沖擊沖擊力通過使用RecurDyn?（多體動力學）在本節(jié)中模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的關系模擬程序）當滑動機構的連桿伸展到適合管道直徑400mm時。 特別是選擇直徑為400mm的管道而不是300mm直徑的管道，因為假設前者具有比后者更大的加速度和更長的位移。 圖9采用氣動壓力的六連桿滑動機構 表格1 鏈接的初始設計 Links 1 2 3 4 Length (mm) 91 91 37 145 Thickness (mm) 10 5 5 10 當6連桿滑動機構與初始拉伸表1的長度尺寸和厚度由于氣動，適合400毫米直徑的管道它會碰撞壓力（推動滑動連桿，即連桿5）與管道的內(nèi)壁。 那個時候，多體動態(tài)模擬程序，即RecurDyn?用于查找機器人之間碰撞的最大沖擊力和管道的內(nèi)表面。 在這個動態(tài)的第一步仿真，6連桿滑動的三維建模使用SolidWorks?的機制（如圖9所示）是導入RecurDyn?。 在此模擬中使用的約束條件RecurDyn?是重力，關節(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，設置6個接頭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關節(jié)不需要約束，以便它可以滑動。 圖10關節(jié)和固定狀態(tài)的約束 機器人六個6連桿滑動機構的碰撞管道內(nèi)表面只有一個六連桿滑動機構為方便起見，在RecurDyn?中考慮過。 2個6連桿輪滑動機構由內(nèi)部“固體接觸”給出側面如圖11所示。另外，固體接觸條件是針對固定部件的碰撞而給出的（與接頭1連接）與滑動部分（連接到接頭2）。 圖11接觸約束 6連桿機構的滑動運動由氣動壓力。 但沒有氣動壓力RecurDyn?計劃中的約束。 在這個模擬中，我們已賦予彈簧力氣動壓力。 的情況下氣動壓力，6連桿機構滑動加速度為2 m / s2。 通過動態(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連桿機構以1.97m / s2加速度滑動。因此，氣動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6連桿滑動機構與管道內(nèi)側（直徑400 mm）碰撞時使用RecurDyn?模擬的沖擊力。 如該圖所示，機構滑動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?的沖擊力仿真結果 4. 6連桿滑動機構的優(yōu)化設計 現(xiàn)在我們處理6連桿滑動的最佳設計本節(jié)中的管道內(nèi)清潔機器人的機構。 首先，最大沖擊力，即通過前一節(jié)中使用RecurDyn?的動態(tài)模擬獲得的100N，加載到6輪鏈滑動機構的車輪1的點上，如圖14所示（3-D模型） ANSYS?Workbench）。 我們假設車輪1在動態(tài)模擬中比車輪2更早地與管道內(nèi)側發(fā)生碰撞，因為車輪1與6車道機構的距離比車輪2短。然后使用ANSYS?Workbench進行靜態(tài)分析基于DOE（ 也就是說，實驗設計）以獲得4個設計變量的最佳尺寸，即如圖15所示的4個鏈節(jié)的厚度。 圖14ANSYS?Workbench的三維模型 圖15 6連桿滑動機構（俯視圖） DOE通常用于通過對給定設計（或性能測試）問題執(zhí)行最小模擬（或?qū)嶒灒﹣硖崛∽畲笮畔ⅰ?DOE可以幫助確定定量關于問題中每個設計（或?qū)嶒灒┮蛩兀ɑ蜃兞浚┑挠绊憽?這導致找到設計（或?qū)嶒灒┳兞康淖罴阎怠?在6連桿機構的設計中，設計變量的數(shù)量（統(tǒng)計術語中的控制因子）是表4中所示的四個等級中的四個。表2顯示了機器人谷的現(xiàn)場工程師的設計經(jīng)驗所產(chǎn)生的每個因素的水平。 對于這種6鏈路機制，四級四設計變量的正交陣列（L16）是使用DOE（特別是MINITAB?）而不是全256（44）生成的。 表2 設計變量的水平 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6連桿滑動機構進行16次靜態(tài)分析。 4個設計變量的最優(yōu)值可根據(jù)以下標準選擇：（1）6連桿滑動機構的安全系數(shù)應高達2（現(xiàn)場工程師在機器人設計中建議最佳安全系數(shù)為2） ），（2）應盡量減少機構的質(zhì)量。 可以以與多目標問題類似的方式指定標準。 因此，該多目標標準由等式（1）給出。 這里sf1和sf2表示縮放因子。而且，w1和w2是加權因子。根據(jù)等式（1）選擇適當?shù)闹亓亢捅壤蜃又怠Ｓ捎诙嗄繕藰藴时仨毷蔷€性組合函數(shù)，因此0.5的值已分配給w1和w2。同時，sf1和sf2的常數(shù)分別由0.5和0.5給出，以便將客觀標準的最大值的上限值設置為1.根據(jù)DOE，進行了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個結果。因此，與其他15組設計變量相比，表3的最后一列顯示了紅色下劃線的最優(yōu)（對應于目標函數(shù)的最小值）設計變量。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?？梢宰⒁獾?，最優(yōu)設計（或最佳厚度）具有目標函數(shù)的值（即0.09653），包括安全系數(shù)2.7065和質(zhì)量0.145kg，遠小于初始設計的情況，目標值（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，我們可以得出結論，與Robot Valley，Inc。的專家進行的初始設計相比，4個鏈路的最佳設計具有接近2的最佳安全系數(shù)以及具有4個鏈路的最小質(zhì)量。 - 包括具有這些最佳尺寸的6連桿滑動機構的管道清潔機器人如圖17所示。該原型機與Robot Valley，Inc。合作進行清潔測試。 表3 正交陣列 圖16使用ANSYS?Workbench進行靜態(tài)分析的結果之一 圖17管內(nèi)清洗機器人的原型，包括最佳尺寸的六連桿滑動機構 5. 結論 最近，由于垃圾自動收集設施（即GACF）被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū)，因此對管道內(nèi)清潔機器人的興趣正在增加。在GACF中，當垃圾移動時，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)清潔機器人，其具有6連桿滑動機構，可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動壓力（不是彈簧）。所提出的用于GACF的管道內(nèi)清潔機器人本身可以具有向前/向后移動以及刷子在清潔中的旋轉。機器人本體應具有適合直徑為300mm的較小管道的有限尺寸。另外，對于直徑為400mm的管道，機器人的連桿應通過滑動機構伸展以適應管道的直徑?；谶@種概念設計，我們與韓國Robot Valley公司的現(xiàn)場工程師合作，建立了機器人的初始設計。對于管道內(nèi)清潔機器人的優(yōu)化設計，當滑動機構的連桿伸展到適合直徑400mm的管道時，使用RecurDyn?模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。 。利用基于實驗設計的ANSYS?Workbench（簡稱DOE），模擬了最大沖力對滑動機構6連桿施加的應力。最后確定了最佳尺寸，包括4個連桿的厚度，以便在本文中具有最佳安全系數(shù)2，并且具有4個連桿的最小質(zhì)量。經(jīng)驗證，與機器人谷公司專家進行的初步設計相比，4連桿的最佳設計具有接近2的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量為4連桿。管內(nèi)原型清潔機器人包括具有這些最佳尺寸的6連桿滑動機構，已經(jīng)與Robot Valley，Inc。合作開發(fā)了清潔測試。為了進一步研究這個原型，現(xiàn)有的清潔工具需要重新設計成簡單有效的類型，因為其反刷的復雜機理。