排水管道自適應清理機器人支撐機構的優(yōu)化設計

文章編號： 1006-9798（2024）03-0093-06； DOI： 10.13306/j.1006-9798.2024.03.013

摘要：

為了清理中大型排水管道中的硬質(zhì)廢物，借鑒MIT機械狗和Ascento腿部機構的輕量化及可靠性優(yōu)點，設計了一種排水管道自適應清理機器人的支撐機構，采用了二自由度支撐機構，在保持機器人穩(wěn)定的同時具有較強的越障能力。在ANSYS Workbench中對支撐機構進行不同展開角度下的靜力學仿真，根據(jù)仿真結果進行優(yōu)化設計。仿真結果顯示，與原結構對比，優(yōu)化后的支撐機構的受力變形和內(nèi)部應力顯著下降，30°展開狀態(tài)的變形量小于5%，120°狀態(tài)的應力集中現(xiàn)象得以消除。

關鍵詞： 管道清理機器人； 支撐機構； 靜力學仿真； 優(yōu)化設計

中圖分類號： TH122文獻標識碼： A

隨著中國城市化逐漸地加快，城市排水系統(tǒng)逐年擴大，城市排水系統(tǒng)通暢與否影響著人民的生活和出行安全。排水管道中出現(xiàn)堵塞的問題也越來越復雜多變，排水管道中存在多種對人體有害的有毒氣體，增加了排水管道人工清堵的工作難度，需要使用機器人代替人工作業(yè)[1-2]。國內(nèi)外研究人員對管道清理機器人進行了廣泛的研究[3]。羅繼曼等人設計的管道清淤機器人包括步進結構，輪式機行走機構和清淤機構[4]。全氣動管道檢測機器人采用非對稱設計的自適應結構，依靠氣缸驅動支撐機構與管道壁之間產(chǎn)生壓力保持穩(wěn)定，實現(xiàn)油氣管道的檢測[5]。輪式自適應管道機器人能夠實現(xiàn)管道狀態(tài)評估、泄漏檢測、水質(zhì)檢測等，解決了管道機器人在地下金屬管網(wǎng)中的通訊和巡航問題[6]。受蠕蟲啟發(fā)設計的軟體機器人能夠在復雜的管道/隧道環(huán)境中操作和執(zhí)行各種任務[7]。隨著管道機器人的不斷發(fā)展，有研究者對管道機器人進行了仿真分析，如薛耀勇等[8]借助Adams對管道機器人進行了改進設計。崔向貴等[9]在設計管道機器人支撐機構時使用了仿真分析的方法。也有研究關注機器人在管道內(nèi)移動的仿真分析和改進設計[10-11]。管道機器人具有對管道的自適應功能，但在實際工作中，工作端的擾動會對自適應支撐結構產(chǎn)生干擾，而對于存在外力時自適應支撐機構穩(wěn)定性的研究較少，特別是在不同展開模式時受力狀態(tài)的分析。本文結合了MIT[12]四足仿生機械狗和Ascento[13]腿部機構的優(yōu)點，設計了二自由度的支撐機構。利用ANSYS Workbench軟件分析了支撐機構在4種展開角度的靜力學特性，以此優(yōu)化支撐機構，通過二次仿真驗證結構的穩(wěn)定性。

1排水管道清理機器人設計

通過對排水管道環(huán)境和實際施工需求的研究，對中大型排水管道中的硬質(zhì)廢物（主要是混凝土）進行破碎，排水管道清理機器人設計要求見表1。

排水管道自適應清理機器人由機架、自適應支撐機構和清理機構4部分組成，整體模型見圖1。機架是整個管道清理機器人的中樞，自適應支撐機構、清理機構、控制電路、電源線、安全繩等都安裝在機架上。其中自適應支撐機構是管道清理機器人在管道中行走移動的關鍵機構，采用了自適應可伸縮的機械腿結構，通過調(diào)整機械腿的展開角度適應不同管徑的排水管道。自適應支撐機構在折疊狀態(tài)見圖2，機器人在管道中移動到工作位置，展開支撐機體后進行清理工作。清理機構是管道清理機器人的核心工作部件，包括清理刀頭、清理主電機和清理機械臂。清理刀頭通過高速轉動對硬質(zhì)廢物進行清理破碎；清理主電機為清理刀頭提供動力；清理機械臂帶動清理刀頭和清理電機到達工作位置進行清理工作，機械臂能夠在管道中靈活運動，承載清理工作時產(chǎn)生振動和沖擊，完成硬質(zhì)廢物的破碎清理。

為滿足管道的最小設計尺寸要求，進入Φ600 mm的管道，自適應支撐機構折疊狀態(tài)尺寸為530 mm×1 110mm。為了滿足管道的最大尺寸要求，并且在Φ1 500 mm的管道中獲得穩(wěn)定支撐，支撐機構完全展開尺寸設計為1 600 mm×1 110 mm，如圖3所示。排水管道自適應清理機器人使用鋁合金材質(zhì)，保證高強度和輕質(zhì)量，整體質(zhì)量約為66 kg。

2自適應支撐機構的靜力學仿真分析

管道清理機器人在不同直徑的管道中清理作業(yè)時，自適應支撐機構展開角度不同；傳統(tǒng)自適應管道機器人支撐機構的支撐點相對于機器人的位置隨著展開程度不同而發(fā)生移動，導致了機器人不穩(wěn)定。為此，采用Ansys Workbench中的靜力學模塊對設計的兩自由度的自適應支撐機構進行仿真[14-15]。靜力學仿真步驟見圖4，自適應支撐機構采用鋁合金材料，劃分網(wǎng)格后設置約束和載荷，進行求解。對不同展開角度的自適應支撐機構分析得到機構的應力分布和變形分布云圖。設計要求支撐機構設計應當總變形量應不超過展開尺寸的5%，最大應力不能使材料發(fā)生屈服破壞，根據(jù)結果進行結構改進[16]。

選擇自適應支撐機構的a、b、c、d的4種展開狀態(tài)進行仿真，分別對應的是大臂與小臂之間的夾角30°、60°、90°和120°。為提高計算速度，對模型進行部分簡化。自適應支撐機構如圖5，保留研究目標結構不變，去除部分電機和末端輪，簡化后自適應支撐機構的4種不同展開狀態(tài)見圖6，簡化后大臂和小臂的夾角見表2。

自適應支撐機構采用鋁合金6061，材料性能參數(shù)見表3。排水管道自適應清理機器人對支撐機構末端施加豎直向上（Z軸負方向）的力。機器人質(zhì)量m為 66 kg，重力G=mg為648 N。支撐機構處截面受力如圖7，機器人前后各有3個支撐機構，工作時側兩個支撐機構受力，共有4個自適應支撐機構支撐整個機體，每個支撐機構所承受的力F為162 N?？紤]到前后支撐機構受力不均，以及機械臂清理管道時對支撐機構產(chǎn)生擾動，在仿真中增加20%的余量，每個支撐機構載荷設置為194.4 N，取整為200 N。

導入模型劃分網(wǎng)格，對可能發(fā)生應力集中、明顯變形的部位進行網(wǎng)格加密，如圖8，支撐機構的根部施加約束豎直向上（Z軸負方向）的力如圖9，前處理完成后，設置多線程運算并求解。

自適應支撐機構總變形分析結果云圖見圖10，4種展開狀態(tài)下的最大變形均處于支撐機構的末端，最大變形量分別為0.017 659 m、0.005 186 7 m、0.011 258 m、0.006 800 3 m，占展開尺寸的7.581 6%、1.440 6%、1.108 1%、2.036 0%。隨著角度的增大力的角度也發(fā)生變化，總變形的變化趨勢為非線性的。其中30°和90°狀態(tài)下支撐機構末端變形尤為顯著，30°展開狀態(tài)下的最大變形超過展開尺寸的5%，不滿足設計要求。展開狀態(tài)下自適應支撐機構變形并不是因為小臂末端剛度，而是從小臂上半段開始積累的變形。

自適應支撐機構應力分析結果云圖見圖11，4種展開狀態(tài)下的最大應力分別為3.369 7×108Pa、2.725 7×108Pa、2.149 3×108Pa、2.282 8×108Pa，均滿足鋁合金的強度要求。整個機構中最大應力均出現(xiàn)在小臂上，不同的狀態(tài)下出現(xiàn)最大應力的位置不同。在30°時，最大應力出現(xiàn)在小臂的外側，為拉應力；在60°和90°時最大應力出現(xiàn)在小臂的內(nèi)側，為壓應力；在120°時，在小臂結構中有較大的應力集中。

自適應支撐機構在30°時的最大變形量不滿足設計要求。支撐機構末端變形很大程度來自小臂上半段最大應力的部位的變形。中空結構設計僅有上下兩塊鋼板受力，容易產(chǎn)生變形和應力集中，需要改進設計。

3自適應支撐機構的改進設計和仿真

根據(jù)靜力學仿真結果改進自適應支撐機構的小臂結構，以減少應力集中，提高剛度，如圖12，小臂上半段的中空結構改為工字梁結構提高結構的抗彎強度[17]，為了減輕質(zhì)量，去除部分中間材料。對于改進后的小臂重新進行靜力學仿真，在改進前小臂出現(xiàn)最大應力的部位設置傳感器，變形分析結果和等效應力分析結果見圖13。

分析改進前后小臂最大應力變化（表4），可知小臂在4種狀態(tài)下，在相同位置的應力均出現(xiàn)下降，其中改進后120°時應力集中現(xiàn)象沒有出現(xiàn)。由小臂結構改進前后最大變形對比表（表5）可以看出總變形量顯著下降，其中30°和90°時變形的降幅度最大，分別為46.55%和40.74%，30°時的最大變形量與展開總尺寸之比從7.581 6%降至4.060 1%，滿足設計要求。仿真結果顯示，通過小臂結構的改進提高了整機機構的剛度，減少了應力集中，滿足設計要求。相比于改進前，改進后的自適應支撐機構總變形量和最大應力均顯著下降，改進后的自適應支撐機構能夠滿足設計要求。

4結束語

本文設計了一種排水管道自適應清理機器人的支撐機構，完成了自適應支撐機構的結構設計，對四種展開狀態(tài)的自適應支撐機構在ANSYS Workbench中進行靜力學仿真，根據(jù)分析結果存在的問題進行了優(yōu)化設計。相較于原結構，改進結構的受力變形和內(nèi)部應力顯著下降，30°展開狀態(tài)的變形量小于5%，120°狀態(tài)的應力集中現(xiàn)象得以消除，驗證了優(yōu)化設計的可行性，為二自由度支撐機構的優(yōu)化設計提供了一定的參考依據(jù)。

參考文獻

［1］楊家岐. 排水管道自適應清理機器人設計與研究[D]. 青島： 青島大學， 2023.

[2]柳滿昌， 董成龍， 劉靜， 等. 一種自適應多功能智能管道機器人設計[J]. 機械設計， 2023， 40（S2）： 82-87.

[3]李東煒， 李嘉銳. 三相傘狀支撐式管道清潔機器人的設計與研究[J]. 機床與液壓， 2020， 48（15）： 27-29，55.

[4]羅繼曼， 都闖， 郭松濤， 等. 管道機器人輪-爪式行走裝置運動學和力學特性分析[J]. 沈陽建筑大學學報（自然科學版）， 2020， 36（2）： 344-351.

[5]李文章， 周明連. 全氣動管道檢測機器人的研制[J]. 液壓與氣動， 2020（8）： 161-166.

[6]KAZEMINASAB S， JANFAZA V， RAZAVI M， et al. Smart navigation for an inpipe robot through multiphase motion control and particle filtering method[C]∥IEEE International Conference on Electro Information Technology （EIT）. Mount Pleasant， MI， USA， 2021： 342-349.

[7]LIU X M， SONG M Z， FANG Y H， et al. Worminspired soft robots enable adaptable pipeline and tunnel inspection[J]. Advanced. Intelligent. Systems， 2022， 4（1）， 2100128.

[8]王璐. 管道機器人運動載體驅動特性及仿真分析研究[D]. 太原： 中北大學， 2022.

[9]劉芳華， 孫威. 自適應管道打磨機器人的通過性分析與仿真[J]. 機床與液壓， 2021， 49（21）： 15-21.

[10]于濤， 郭煥鵬， 范欣， 等. 新型空調(diào)通風管道清理機器人的設計與優(yōu)化[J]. 機械設計與制造， 2019， （4）： 248-250，255.

[11]宋進， 張曉龍， 李俊杰， 等. 模塊化管道清潔機器人設計與通過性分析[J]. 機床與液壓， 2023， 51（20）： 128-135.

[12]KATZ B G. A low cost modular actuator for dynamic robots[D]. Cambridge： Massachusetts Institute of Technology， 2018.

[13]KLEMM V， MORRA A， SALZMANN C， et al. Ascento： A TwoWheeled Jumping Robot[C]∥International conference on Robotics and Automation （ICRA）， Montreal， QC， Canada： IEEE， 2019： 7515-7521.

[14]CAE技術聯(lián)盟 CAD CAM. ANSYS Workbench 2020有限元分析從入門到精通[M]. 北京： 清華大學出版社， 2020.

[15]田建輝. ANSYS Workbench 2020工程實例解析[M]. 北京： 清華大學出版社， 2021.

[16]宋占杰， 管殿柱， 林冠屹. 基于ANSYS Workbench的龍門式折彎機機架模態(tài)分析及工作臺拓撲優(yōu)化[J]. 鍛壓技術， 2020， 45（4）： 154-158， 169.

[17]趙攸樂， 邱郡， 陳梁勝. 橋式起重機用工字鋼型式承軌梁的力學簡析[J]. 機電工程技術， 2021， 50（1）： 135-137.

Optimization Design of Support Mechanism for Adaptive Cleaning Robot for Drainage Pipelines

HUANG Qinghui1， XU Wei1， LI Baokang1， YANG Jiaqi1， LIU Guangtao2， WANG Jirong1，3

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

2. Avina Intelligent Technology （Qingdao） Co.， Ltd， Qingdao 266071， China;

3. Weihai Innovation Research Institute of Qingdao University， Weihai 264200， China）

Abstract：

In order to clean the hard waste in medium and large drainage pipelines， a support mechanism for an adaptive cleaning robot for drainage pipelines is designed， drawing on the lightweight and reliability advantages of MIT mechanical dogs and Ascento leg mechanisms. A two degree of freedom support mechanism is adopted， which maintains the stability of the robot while having strong obstacle crossing ability. After conducting static simulations of the support mechanism at different deployment angles in ANSYS Workbench， the optimization direction is designed based on the simulation results. The simulation results show that compared to the original structure， the stress deformation and internal stress of the supporting mechanism are significantly reduced. The deformation in the 30 ° unfolded state is less than 5%， and the stress concentration phenomenon in the 120 ° state is eliminated.

Keywords： pipeline cleaning robot; support mechanism; static simulation; optimization design

收稿日期： 2024-05-17； 修回日期： 2024-07-31

基金項目： 青島大學學科集群攻關資助項目（FZ2024201）

第一作者： 黃慶輝（2001-），男，碩士研究生，主要研究方向為機器人。

通信作者： 王繼榮（1967-），女，博士，教授，主要研究方向為機械優(yōu)化及有限元分析和機器人研發(fā)。Email： wangjirong43@163.com