管道清灰機器人操作臂運動分析模型的建立

羅海玉，馬永福

（1.天水師范學(xué)院 工學(xué)院，天水741001；2.中國鋁業(yè)有限公司 連城分公司，蘭州730335）

0 引 言

管道清灰機器人是攜帶多種傳感器和作業(yè)機構(gòu)，能在煙氣輸送管道內(nèi)自動行走清理煙灰堆積層的機電一體化系統(tǒng).該系統(tǒng)包括移動裝置、操作臂、傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等.其中操作臂是管道清灰機器人的重要組成部分，由翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和舉升機構(gòu)組成，如圖1.由于清灰作業(yè)是通過操作臂的運動來實現(xiàn)[1－2]，因此操作臂運動分析是優(yōu)化設(shè)計的重點.而組成操作臂的舉升機構(gòu)及翻轉(zhuǎn)機構(gòu)中各桿的角位移，機構(gòu)傳動角，斗底傾角，油缸長度，卸載尺寸等是影響操作臂運動性能的主要參數(shù).本文根據(jù)操作臂運動特點建立數(shù)學(xué)模型，為管道清灰機器人操作臂的優(yōu)化設(shè)計奠定理論基礎(chǔ).

圖1 管道清灰機器人操作臂機構(gòu)簡圖

1 操作臂分析模型

1.1 分析模型

選擇機架作為操作臂的運動參考系，建立如圖2所示的直角坐標(biāo)系xoy.由于該機構(gòu)的自由度為2，當(dāng)動臂位置角α0和鏟斗DE相對動臂EF的夾角β3確定之后，機構(gòu)的運動狀態(tài)就被唯一地確定[3].

圖2 操作臂簡圖及部分參數(shù)設(shè)定

1.2 符號的物理意義

表1 符號物理意義

2 操作臂六桿機構(gòu)角位移分析模型

管道清灰機器人操作臂包括兩部分：翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和舉升機構(gòu).翻轉(zhuǎn)機構(gòu)為六桿機構(gòu)，在對六桿機構(gòu)進(jìn)行分析時可將六桿機構(gòu)分解為缸桿四桿機構(gòu)KFBA和斗桿四桿機構(gòu)FEDC兩個子機構(gòu)，顯然兩個四桿機構(gòu)只有符號上的差別，因此可以用代換符號的辦法處理.

2.1 缸桿機構(gòu)角位移分析模型

圖3 缸桿機構(gòu)示意圖

（1）角度定義

β4——KA相對于KF的轉(zhuǎn)角，以KF為起始邊，逆轉(zhuǎn)為正.β4＝180°－α2－α1

β1——－FB相對于FK 的轉(zhuǎn)角，以為起始邊，順轉(zhuǎn)為正.

（2）求解角度β1

將上兩式等號兩邊平方相加變換可得：

在管道清灰機器人操作臂設(shè)計中＂±＂處?。ⅲ⑻?

為了以后計算方便，可設(shè)一個函數(shù)fp（a，b，c，d，beta），參數(shù)a，b，c，d 為桿長，其中c為機架，d 為輸入連架桿，b為輸出連架桿，beta為d相對于c的轉(zhuǎn)角，函數(shù)值為b相對于c的轉(zhuǎn)角.

2.2 斗桿機構(gòu)角位移的分析模型

β1與β2的關(guān)系由圖4可知：

圖4 斗桿機構(gòu)示意圖

求解角度β3可以套用式（6）用代換角度及桿件尺寸的方法求解，求解關(guān)系為：

2.3 機構(gòu)傳動角的求解模型

兩子機構(gòu)的傳動動角分別為：

以上各式只能求出小于π的值，但在管道清灰機器人操作臂設(shè)計中，可以保證此兩個角均處于0～π之間，所以不必再考慮大于π的情況[5].

3 結(jié) 論

本文利用子結(jié)構(gòu)分析法將管道清灰機器人操作臂的六桿機構(gòu)分解為兩個四桿機構(gòu)，在四桿機構(gòu)的分析中，通過對角度方向的適當(dāng)定義，使得問題得到簡化，同時考慮了四桿機構(gòu)極限轉(zhuǎn)角影響，使分析更加完整.在此基礎(chǔ)上對參數(shù)作出明確、清晰、規(guī)范的定義，建立了工作機構(gòu)角位移和傳動角的求解解析式.為管道清灰機器人操作臂機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ).

[1]張淑珍，楊 萍，袁曉鵬.管道清灰機器人系統(tǒng)設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2006，（8）：125－127.

[2]寧 鵬.管道清灰機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)仿真[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2004.

[3]王國彪，楊力夫.裝載機工作裝置優(yōu)化設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[4][美]厄爾德曼，桑多爾.高等機構(gòu)設(shè)計——分析與綜合[M].莊細(xì)榮，楊上培譯.北京：高等教育出版社，1993.

[5]孫 桓，陳作模，等.機械原理（第七版）[M].高等教育出版社，2006.