機械專業外文文獻翻譯-外文翻譯 --電纜攀爬機器人的動力學仿真分析 中文版

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1 外 文 翻 譯 畢業設計 題目： 基于 寬窄行分插機構動力學分析 原文 1： 譯文 1： 電纜攀爬機器人的動力學仿真分析 2 電纜攀爬機器人的動力學仿真分析 u , i, 要 :本文介紹了一種使用動態分析軟件 立一個關于電纜爬墻機器人引導原理的仿真模型的方法。通過這個模型和仿真的手段建立許多因素的影響 ,包括操作、姿態、角度、支撐剛度、預加載荷、支撐輪子的維度。來得到機器人的身體在工作狀態下的抵消補償。文章中的這種方法能夠提供一個基礎電纜攀爬機器 人的結構優化設計。 關鍵詞 : 電纜攀爬機器人 引導原理 動態仿真 Ⅰ 簡介 電纜機器人通過沿著承載斜拉橋的電纜爬 ,高電壓線分布 ,桅桿和其他高空電纜 ,它可以執行如同缺陷檢測、污垢清洗、自動繪畫等 ]3,2,1[ 。和手動工作模式相比較 ,這個由機器人執行的自動工作模式不僅能降低操作成本 ,而且能保證工作過程的安全。因此 ,關于電纜攀爬機器的人相關技術和理論研究在已經被全世界許多學院和最近制定的許多成功的作品廣泛的看重 ]4[ 。通過機器人的驅動模式進行分類，存在通過輪子支撐的電動運行機制，氣動蠕動驅動，以及液壓驅動等。氣動蠕動驅動是其中一種廣泛運用的模式，因為它有媒體的優勢清潔、鎖模力緩沖、負載自適應、和更好的可控制性等優勢。 本文介紹了一種氣動監測和控制機器人電纜繪畫。該機器人利用注入的壓縮空氣作為動力源，以監視和控制功能作為它的工作模式，它可以完成防腐涂料繪畫和電纜表面的顏色裝飾等工作，電纜的直徑在范圍在 60 毫米 到 200 毫米之間，長度在 300米以內。由于電纜可能有不同的截面形狀，如圓柱形、平行六個棱柱、或螺旋六棱柱，機器人的這種固定和支持引導機制必須有一定的靈活性，即機器人有對直徑變化能力的要求。然而，這種靈活性也必須有限制，如果太大，機器人的身體和電纜之間的偏心將會增加，從而會影響畫的質量，甚至可能導致機器人被阻塞等等。本文論述了對于機器人身體偏心的影響因素，例如 ,工作姿態、支承剛度、支撐車輪大小、預加載荷等等，并介紹了一些電纜爬墻機器人設計的指導原則。 Ⅱ 電纜機器人的操作姿勢 在機器人工作過程中保持身體和 電纜的同心度是很有必要的，否則，工作質量3 有可能降低。三個引導車輪均勻地分布在圓柱的周圍用于保持設計機器人時的同心度。為了適應不同電纜的不同截面形狀，三個引導支持輪，尾部是由三個薄氣缸驅動，用于夾緊電纜。盡管有電纜形狀的影響，外部工作負載有可能會導致機器人身體的偏轉和因此帶來受力狀態的改變。 為了方便分析，并且為了計算方便，假設這三個支撐是彈性的 (見圖 1),定義如下：與電纜相關的機器人的身體狀態命名為工作姿態；線 通過電纜軸和沿重力方向的線，被作為工作姿態的參考線；位于電纜頂端的并且最靠近 的支持 輪命名為輪 1； β 角是主截面和參考線之間的夾角，被命名為工作姿態角；從輪 1 開始，其他兩個沿逆時針的支持輪分別被命名為輪 2 和 3。根據上述的假設和定義，我們知道機器人的工作姿態取決于工作姿態角，并且這個角應該在關于對稱結構的正負 60° 范圍之內。 圖 1 機器人的姿態和其被迫所處的狀態 4 Ⅲ 機器人身體補償的動態仿真 分析電纜機器人在工作狀態下的動態特性是非常復雜的 (參見圖 1)。如圖 1所示，當三個定向輪子的預加載荷相等并且沒有其他外部負載作用，機器人身體的幾何中心和該 電纜的中心是同心的；一旦有外力作用，由于支撐點的彈性特征，機器人的幾何中心和電纜中心會產生偏移量，不同的支持輪也會產生一個相對運動并且會導致支持車輪和電纜的接觸點改變，然后動態特性也會隨著改變。因此，電纜機器人在工作狀態下的動態機理模型是一個時變模型。與此同時，在分析過程中也應考慮接觸剛度、摩擦特性。因此，簡單的模型并不能滿足對機器人設計的要求，而且傳統的靜態分析法很難建立和解決以上這種問題并且計算精度也達不到要求。本文介紹了一種使用新方法，一種動態仿真軟件，來建立電纜機器人引導機制和根據實際工 作條件仿真獲得的機器人身體的不同偏移的動態模型。 為了理論分析和仿真計算的方便，機器人引導機制的物理和幾何參數定義如下： 機器人身體的內徑 ( L - 引導輪寬度 ( β θ p? Ki(i = 1、 2、 3)支持點的剛度 (N / 引導車輪的曲率半徑 Ni(i = 1、 2、 3)電纜引導輪的支撐力 (N) i = 1、 2、 3)引導 機械的移動部件的摩擦力 (N) i = 1、 2、 3)彈性支承力 (N) Ci(i = 1、 2、 3)集中支持力點 5 B. 力學仿真建模 模板是用來格式化你的紙和文本風格的。所有的邊緣、列寬、行空間、和文本字體都是規定好的；請不要改變它們。你可能會注意特點。例如，頭頂邊緣的比例在這模板中超過了一般的模板。這個測量和其他測量是故意的，使用規范期待著你的紙作為整個程序的一個部分，而不是作為一個獨立的文檔。 請不要修改任何當前名稱。 世界上目前最權威的并且是廣泛使用的機械系統模擬軟件。它的模擬精度和可靠性在同類軟件中是最高的。這意味著這個軟件，很容易根據剛體系統的動力學原理建立參數模型和執行模擬計算 ]6,5[ 。通過 者建立了電纜機器人引導機構動力學模型 (顯示在圖 2) ，作出如下假設： (a) 3D 實 體模型 (b) 3D 線框模型 圖 2 仿真模型的建模和支撐原理 (1)忽略重力對于模擬計算的作用； (2)等效荷載作用于機器人幾何中心，垂直電纜的軸； (3)電纜是剛體，并且固定在地上。 (4)三個引導支撐輪的剛度是常數 Ki(i = 1、 2、 3)= K； (5)三個引導支撐輪的預加載力相等。 仿真模型是通過 立的，工具欄中的建模工具被用來建造機器人的身體 (圓柱 )，電纜 (列 )，支持體 (矩形盒 )， 引導滑塊 (列 )，約束工具箱用于施加一些6 對模擬模型的約束，例如，機器人身體的移動部分和引導部分的作用力；固定電纜和大地之間的約束；引導滑塊和機器人之間的彈簧力；支撐部分和電纜之間的接觸力，以及作用于機器人的常力 (一個等效載荷 )，各種約束力的不同物理參數設置如下： (1)身體尺寸： 600 (2)電纜直徑： D =? 200 (3)引導車輪尺寸： L = 80 100 (4)等效負載： 1000 N； (5)彈簧阻尼系數： ? = (6)移動部分屬性：動力因素： 靜力因素 : (7)接觸力類型：接觸剛度 =20000N/ 阻尼系數 = 穿透深度 = (8)表面摩擦：靜態摩擦系數 = 動態摩擦系數 = 仿真結果 基于作用于 機器人身上的相同的等效載荷的假設，以及考慮到不同姿態角、不同的預加載、不同的彈簧剛度、不同支持塊維度等的影響。這些參數對機器人的移動的影響在給定模型上進行了動態仿真，仿真結果如圖 3 到圖 5。 (a) 預加載 =0 的曲線 (b) 預加載 =200N 的曲線 圖 3 仿真曲線的機器人身體的偏移量 (當 K=50n/7 (a) 預加載 =0 的曲線 (b) 預加載 =200N 的曲線 圖 4 仿真曲線的機器人身體的 偏移量 (當 K=100n/(a) 支持輪寬度 L=120 毫米 ,預加載 =0 (b) 錐底的支持 ,預加載 =200N 圖 5仿真曲線的機器人身體的偏移量在不同支持輪寬度 (當 K=50n/通過比較這些模擬結果，發現了一些有意義的規則，這些規則對于設計機器人時參數的確定具有重要的指導意義。 1)由于機器人身體的對稱性，正負姿態角并不會影響身體偏移量 (見圖 3所以β角在范圍 0° 到 60° 就足夠研究機器人身體的動態特性了。 2)當支持滑塊的寬度遠大于 0，如果 β =0， 機器人身體就會出現最大的偏移值，如果 β =60° ，機器人的本體就會出現最小的偏移值 (見圖 1、圖 2 和圖 3(b) )。兩種不8 同條件下的偏移值存在很大差別。因此，在設計和實際應用中保證使機器人工作在 β =60° 是最好的選擇。 3)當支撐點的彈簧剛度適當增加時機器人身體的偏移值就會減少 (見圖 1 和圖 2(一個 ), (b) )。但是，如果剛度太大，則機器人跨過障礙物的能力就會減小。 4)如果支撐部分能加上一個合適的預加載荷則機器人身體的偏移值可以減少 (見圖 1 和圖 2(一個 ), (b) )。但預加載荷的增加受到結構尺寸的限制，并 且無限的增長預加載荷也會減少機器人通過障礙物的能力。 5)通過增加支撐輪和電纜之間所夾 θ 角 (或增加滑塊寬度 )，機器人身體的偏移值也會大大減少 (請參見圖 1(a)和圖 3(a)。因此引導支撐輪的寬度應該盡可能的寬，支持輪的曲面和電纜的表面應盡可能的合適 ()，即角 θ 應該增加。 6)如果支撐滑塊的末端是圓錐則以上提到的規則是不適用的 (見圖 5(b) )。但這種情況在實踐中是不可能的。 Ⅳ 結論 通過動態模擬和分析機器人 身體的引導機構，姿態角、支持剛度、預加載荷和支持輪的尺寸對于機器人身體偏移的影響被精確的計算。通過仿真得到的曲線有展示了機器人真正的動態性能，和一些結論，對于實際的結構設計進行指導是非常有用的。這個實驗證明了這些規則對于指導機器人的實際設計是重要的。 9 參考文獻： [1] [J]. 2):1348~1351 [2] J]. ):360~362 [3] on [J]. 2001.(1):47~48 [4] [J]. 1999(2):25~26 [5] i, s [J]. 2002(4):21~22 [6] ? 1997(3):16~19