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1 外 文 翻 譯 畢業(yè)設(shè)計 題目： 基于 寬窄行分插機構(gòu)動力學(xué)分析 原文 1： 譯文 1： 電纜攀爬機器人的動力學(xué)仿真分析 2 電纜攀爬機器人的動力學(xué)仿真分析 u , i, 要 :本文介紹了一種使用動態(tài)分析軟件 立一個關(guān)于電纜爬墻機器人引導(dǎo)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(tài)、角度、支撐剛度、預(yù)加載荷、支撐輪子的維度。來得到機器人的身體在工作狀態(tài)下的抵消補償。文章中的這種方法能夠提供一個基礎(chǔ)電纜攀爬機器 人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。 關(guān)鍵詞 : 電纜攀爬機器人 引導(dǎo)原理 動態(tài)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(zhí)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(zhí)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(guān)于電纜攀爬機器的人相關(guān)技術(shù)和理論研究在已經(jīng)被全世界許多學(xué)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(qū)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(qū)動，以及液壓驅(qū)動等。氣動蠕動驅(qū)動是其中一種廣泛運用的模式，因為它有媒體的優(yōu)勢清潔、鎖模力緩沖、負載自適應(yīng)、和更好的可控制性等優(yōu)勢。 本文介紹了一種氣動監(jiān)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(jiān)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(nèi)。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(dǎo)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(zhì)量，甚至可能導(dǎo)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(tài)、支承剛度、支撐車輪大小、預(yù)加載荷等等，并介紹了一些電纜爬墻機器人設(shè)計的指導(dǎo)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(zhì)量3 有可能降低。三個引導(dǎo)車輪均勻地分布在圓柱的周圍用于保持設(shè)計機器人時的同心度。為了適應(yīng)不同電纜的不同截面形狀，三個引導(dǎo)支持輪，尾部是由三個薄氣缸驅(qū)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(dǎo)致機器人身體的偏轉(zhuǎn)和因此帶來受力狀態(tài)的改變。 為了方便分析，并且為了計算方便，假設(shè)這三個支撐是彈性的 (見圖 1),定義如下：與電纜相關(guān)的機器人的身體狀態(tài)命名為工作姿態(tài)；線 通過電纜軸和沿重力方向的線，被作為工作姿態(tài)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(tài)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(jù)上述的假設(shè)和定義，我們知道機器人的工作姿態(tài)取決于工作姿態(tài)角，并且這個角應(yīng)該在關(guān)于對稱結(jié)構(gòu)的正負 60° 范圍之內(nèi)。 圖 1 機器人的姿態(tài)和其被迫所處的狀態(tài) 4 Ⅲ 機器人身體補償?shù)膭討B(tài)仿真 分析電纜機器人在工作狀態(tài)下的動態(tài)特性是非常復(fù)雜的 (參見圖 1)。如圖 1所示，當三個定向輪子的預(yù)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(chǎn)生偏移量，不同的支持輪也會產(chǎn)生一個相對運動并且會導(dǎo)致支持車輪和電纜的接觸點改變，然后動態(tài)特性也會隨著改變。因此，電纜機器人在工作狀態(tài)下的動態(tài)機理模型是一個時變模型。與此同時，在分析過程中也應(yīng)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(shè)計的要求，而且傳統(tǒng)的靜態(tài)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(tài)仿真軟件，來建立電纜機器人引導(dǎo)機制和根據(jù)實際工 作條件仿真獲得的機器人身體的不同偏移的動態(tài)模型。 為了理論分析和仿真計算的方便，機器人引導(dǎo)機制的物理和幾何參數(shù)定義如下： 機器人身體的內(nèi)徑 ( L - 引導(dǎo)輪寬度 ( β θ p? Ki(i = 1、 2、 3)支持點的剛度 (N / 引導(dǎo)車輪的曲率半徑 Ni(i = 1、 2、 3)電纜引導(dǎo)輪的支撐力 (N) i = 1、 2、 3)引導(dǎo) 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(xué)仿真建模 模板是用來格式化你的紙和文本風(fēng)格的。所有的邊緣、列寬、行空間、和文本字體都是規(guī)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(guī)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(quán)威的并且是廣泛使用的機械系統(tǒng)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(jù)剛體系統(tǒng)的動力學(xué)原理建立參數(shù)模型和執(zhí)行模擬計算 ]6,5[ 。通過 者建立了電纜機器人引導(dǎo)機構(gòu)動力學(xué)模型 (顯示在圖 2) ，作出如下假設(shè)： (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(dǎo)支撐輪的剛度是常數(shù) Ki(i = 1、 2、 3)= K； (5)三個引導(dǎo)支撐輪的預(yù)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(dǎo)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(dǎo)部分的作用力；固定電纜和大地之間的約束；引導(dǎo)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(shù)設(shè)置如下： (1)身體尺寸： 600 (2)電纜直徑： D =? 200 (3)引導(dǎo)車輪尺寸： L = 80 100 (4)等效負載： 1000 N； (5)彈簧阻尼系數(shù)： ? = (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(shù) = 穿透深度 = (8)表面摩擦：靜態(tài)摩擦系數(shù) = 動態(tài)摩擦系數(shù) = 仿真結(jié)果 基于作用于 機器人身上的相同的等效載荷的假設(shè)，以及考慮到不同姿態(tài)角、不同的預(yù)加載、不同的彈簧剛度、不同支持塊維度等的影響。這些參數(shù)對機器人的移動的影響在給定模型上進行了動態(tài)仿真，仿真結(jié)果如圖 3 到圖 5。 (a) 預(yù)加載 =0 的曲線 (b) 預(yù)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(yù)加載 =0 的曲線 (b) 預(yù)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(yù)加載 =0 (b) 錐底的支持 ,預(yù)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(jié)果，發(fā)現(xiàn)了一些有意義的規(guī)則，這些規(guī)則對于設(shè)計機器人時參數(shù)的確定具有重要的指導(dǎo)意義。 1)由于機器人身體的對稱性，正負姿態(tài)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(tài)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(xiàn)最大的偏移值，如果 β =60° ，機器人的本體就會出現(xiàn)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(shè)計和實際應(yīng)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(yù)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(yù)加載荷的增加受到結(jié)構(gòu)尺寸的限制，并 且無限的增長預(yù)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(dǎo)支撐輪的寬度應(yīng)該盡可能的寬，支持輪的曲面和電纜的表面應(yīng)盡可能的合適 ()，即角 θ 應(yīng)該增加。 6)如果支撐滑塊的末端是圓錐則以上提到的規(guī)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(jié)論 通過動態(tài)模擬和分析機器人 身體的引導(dǎo)機構(gòu)，姿態(tài)角、支持剛度、預(yù)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(tài)性能，和一些結(jié)論，對于實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行指導(dǎo)是非常有用的。這個實驗證明了這些規(guī)則對于指導(dǎo)機器人的實際設(shè)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