管道清灰機器人設(shè)計

目錄

1.緒論.............................................................1

1.1機器人的發(fā)展綜述................................................1

1.1.1機器人定義....................................................1

1.1.2我國科學(xué)家對機器人的定義........................................1

1.1.3機器人發(fā)展簡史...............................................2

1.2管道機器人概述..................................................4

1.2.1國外管道機器人發(fā)展現(xiàn)狀..........................................4

1.2.2國內(nèi)管道機器人發(fā)展現(xiàn)狀..........................................4

1.3管道清灰機器人系統(tǒng)概述..........................................5

1.3.1管道清灰機器人驅(qū)動方式..........................................5

1.3.2管道清灰機器人操作臂設(shè)計要求....................................6

1.3.3管道清灰機器人行走機構(gòu)設(shè)計......................................6

1.3.4管道清灰機器人系統(tǒng)組成..........................................7

2.管道清灰機器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和三維模型的建立.......................8

2.1PRO/ENGINEER軟件的介紹...............................................8

2.1.1Pro/E的系統(tǒng)特征...............................................8

2.1.2Pro/Engineer主要模塊介紹......................................9

2.2管道清灰機器人本體結(jié)構(gòu)三維模型的建立.............................11

3.管道清灰機器人運動學(xué)分析.............................................23

3.1機器人操作臂類型選擇..............................................23

3.2鏟斗轉(zhuǎn)角差及卸載角分析............................................25

3.3機器人操作臂自由度................................................26

3.4操作臂死點分析....................................................26

4.管道機器人運動機構(gòu)仿真...............................................29

4.1鏟斗鏟灰..........................................................29

4.2鏟斗舉升..........................................................31

4.3鏟斗旋轉(zhuǎn)..........................................................32

結(jié)論..................................................................34

致謝.................................................錯誤！未定義書簽。

參考文獻................................................................34

1.緒論

1.1機器人的發(fā)展綜述

1.1.1機器人定義

在科技界，科學(xué)家會給每一個科技術(shù)語一個明確的定義，但機器人問世已有幾十年,

機器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個統(tǒng)一的意見。原因之一是機器人還在

發(fā)展，新的機型，新的功能不斷涌現(xiàn)。機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的

哲學(xué)問題。就像機器人一詞最早誕生于科幻小說之中一-樣，人們對機器人充滿了幻想。

也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。

機器人主要類型：

操作型機器人：能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動,

用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。

程控型機器人：按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。

示教再現(xiàn)型機器人：通過引導(dǎo)或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機

器人則自動重復(fù)進行作業(yè)。

數(shù)控型機器人：不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人

根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。

感覺控制型機器人：利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。

適應(yīng)控制型機器人：機器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。

學(xué)習(xí)控制型機器人：機器人能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”

的經(jīng)驗用于工作中。

智能機器人：以人工智能決定其行動的機器人。

1.1.2我國科學(xué)家對機器人的定義

我國科學(xué)家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機

器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力,

是一種具有高度靈活性的自動化機器”。在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器

人的過程中，人們逐步認識到機器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動和交互技術(shù)的結(jié)合。

隨著人們對機器人技術(shù)智能化本質(zhì)認識的加深，機器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動

的各個領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、

行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器，如移動機器人、微機器人、水下機器人、

醫(yī)療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的

適應(yīng)性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機器人從外觀上已遠遠脫離了

最初仿人型機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要

求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術(shù)開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。

中國工程院院長宋健指出：“機器人學(xué)的進步和應(yīng)用是20世紀自動控制最有說服力

的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動化”。機器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了

高技術(shù)的發(fā)展前沿，它在人類生活應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大正引起國際上重新認識機器人技

術(shù)的作用和影響。

我國的機器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機

器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。而特種機

器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進機器人，包括：

服務(wù)機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器等。

在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務(wù)機器人、水下機器

人、軍用機器人、微操作機器人等。目前，國際上的機器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機

器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機器人，這

和我國的分類是一致的。

1.1.3機器人發(fā)展簡史

（引自《環(huán)球科學(xué)》2007年第二期）

1920年捷克斯洛伐克作家卡雷爾?恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機器人萬能公司》

中，根據(jù)Robota（捷克文,原意為“勞役、苦工”^DRobotnik（波蘭文,原意為“工人”），

創(chuàng)造出“機器人”這個詞。

1939年美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。它由電纜

控制，可以行走，會說77個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務(wù)活還差得遠。但它

讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。

1942年美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造，

但后來成為學(xué)術(shù)界默認的研發(fā)原則。

1948年諾伯特?維納出版《控制論》，闡述了機器中的通信和控制機能與人的神經(jīng)、感

覺機能的共同規(guī)律，率先提出以計算機為核心的自動化工廠。

1954年美國人喬治?德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人，并注冊了專利。這

種機械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。

1956年在達特茅斯會議上，馬文?明斯基提出了他對智能機器的看法：智能機器“能

夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個

2

定義影響到以后30年智能機器人的研究方向。

1959年德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫?英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后，

成立了世界上第一家機器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人

的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機器人之父”。

1962年美國AMF公司生產(chǎn)出“VERSTRAN”(意思是萬能搬運)，與Unimation公司生產(chǎn)的

Unimate一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人，并出口到世界各國，掀起了全世界對機器

人和機器人研究的熱潮。

1962年-1963年傳感器的應(yīng)用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人上安裝各種

各樣的傳感器，包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼1962年在世界

上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開始在機器人中加入視

覺傳感系統(tǒng)，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別并

定位積木的機器人系統(tǒng)。

1965年約翰?霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研制出Beast機器人。Beast已經(jīng)能通過聲

納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀60年代中期開始，美國麻

省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機器人實驗室。美國興起研究

第二代帶傳感器、“有感覺”的機器人，并向人工智能進發(fā)。

1968年美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能

根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計算機有一個房間那么大。Shakey可以算

是世界第一臺智能機器人，拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。

1969年日本早稻田大學(xué)加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。加藤一郎

長期致力于研究仿人機器人，被譽為“仿人機器人之父”。日本專家一向以研發(fā)仿人機

器人和娛樂機器人的技術(shù)見長，后來更進一步，催生出本田公司的ASIM0和索尼公司的

QRIOo

1973年世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國Cincinnati

Milacron公司的機器人T3。

1978年美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA,這標志著工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)

完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。

1984年英格伯格再推機器人Helpmate,這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送

郵件。同年，他還預(yù)言：“我要讓機器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。

1998年丹麥樂高公司推出機器人(Mind-storms)套件，讓機器人制造變得跟搭積木一

樣，相對簡單又能任意拼裝，使機器人開始走入個人世界。

3

1999年日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO),當(dāng)即銷售一空，從此娛樂機器人成

為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。

2002年丹麥iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba,它能避開障礙，自動設(shè)計行進

路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化

的家用機器人。

2006年6月，微軟公司推出MicrosoftRoboticsStudio,機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化

的趨勢越來越明顯，比爾?蓋茨預(yù)言，家用機器人很快將席卷全球。

1.2管道機器人概述

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，管道作為一種重要的物料輸送手段，其應(yīng)用范圍日益

廣泛，數(shù)量也不斷增多。管道工程在國民經(jīng)濟許多行業(yè)中如石化、天然氣、核工業(yè)、給

排水、管道輸送等行業(yè)起著極其重要的作用。管道在使用過程中，由于各種外界因素的

影響，會形成各種各樣的管道故障與管道損傷。如果不及時對管道檢測、維修及清洗就

可能會產(chǎn)生事故，形成不必要的損失和浪費。然而，管道所處的環(huán)境往往是人們不易直

接達到或不允許人們直接進入的，檢修及清洗難度很大。因此最有效的方法之一就是利

用管道機器人來實現(xiàn)管道內(nèi)的在線檢測、維修和清洗。

管內(nèi)機器人是一種可沿管道自動行走，攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機構(gòu)，在遙

控操作或計算機控制下能在極其惡劣的環(huán)境中進行一系列管道作業(yè)的機電一體化系統(tǒng)。

1.2.1國外管道機器人發(fā)展現(xiàn)狀

對較長距離管道的直接檢測、清理技術(shù)的研究始于本世紀50年代美、英、法、德、

日等國，受當(dāng)時的技術(shù)水平的限制，主要成果是無動力的管內(nèi)檢測清理設(shè)備一PIG,由

于PIG本身沒有行走能力，其移動速度、檢測區(qū)域均不易控制，所以不能算作管內(nèi)機器

人。70年代以后，石油、化工、天然氣及核工業(yè)的發(fā)展為管道機器人的應(yīng)用提供了廣闊

而誘人的前景，而機器人學(xué)、計算機、傳感器等理論和技術(shù)的發(fā)展，也為管內(nèi)和管外自

主移動機器人的研究和應(yīng)用提供了技術(shù)保證。日、美、法、德等國在此方面作了大量研

究工作，其中日本從事管道機器人研究的人員最多，成果也最多。

1.2.2國內(nèi)管道機器人發(fā)展現(xiàn)狀

我國管內(nèi)移動機器人技術(shù)的研究己有十幾年的歷史，中國科學(xué)院沈陽自動化研究

所、上海交通大學(xué)、大慶石油管理局、勝利油田、中原油田等單位都進行了這方面的研

究工作。

國內(nèi)有關(guān)單位也對“管內(nèi)作業(yè)裝置”等問題進行了多項內(nèi)容的研究與開發(fā)，作出類

4

具有一定意義的工作，它們是：

(1)上海交通大學(xué)的“管內(nèi)移動裝置行走機構(gòu)研究”。

(2)中原油田研制的適用于。529mm-0630mm埋地鋼質(zhì)管道的內(nèi)環(huán)焊縫區(qū)域噴涂常

溫固化液態(tài)涂料的補口機。

(3)大慶油建科研所和吉林省模具廠聯(lián)合研制的小口徑管道(D=l14mm)補口機。

(4)中科院研發(fā)用于400*400mm和500mm*500mm空調(diào)通風(fēng)管道中的清潔機器人，具

有在管道中行走、對管道內(nèi)污染情況進行觀察和對污染物進行清潔的功能。

經(jīng)過多年的研究與開發(fā)，國內(nèi)外已經(jīng)在管內(nèi)作業(yè)機器人領(lǐng)域取得了大量的成果，但

是，距大規(guī)模實用化還用一定的差距。

總體看來，我國管內(nèi)機器人的研制和應(yīng)用己經(jīng)有了一定了基礎(chǔ)，但仍處于起步階段。

1.3管道清灰機器人系統(tǒng)概述

管道機器人是一種可沿管道自動行走，攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機構(gòu)，在遙

控操作或計算機控制下在極其惡劣的環(huán)境中進行一系列管道作業(yè)的機電一體化系統(tǒng)。目

前國內(nèi)外關(guān)于管道機器人的研究很多，大多是管道監(jiān)測維修，適應(yīng)于。200mm以下、

04OO-6OOmm以及微型管道等管徑。關(guān)于管道清潔機器人，中科院研發(fā)了用于。400mm和

0500mm的空調(diào)通風(fēng)管道中的清潔機器人。而本文根據(jù)金屬冶煉廠煙氣管道內(nèi)特殊環(huán)境

和清灰技術(shù)要求開發(fā)了一種適應(yīng)于金屬冶煉廠。0700-。1000mm的煙氣輸送管道煙灰堆

積層清理的管道清灰機器人。

管道清灰機器人工作要求及性能指標：

1)管道分為水平、小于30度傾斜、3.4倍管道直徑彎曲三種形式，要求能行走自如;

2)機器人必須小巧、靈活、拆卸方便，可自由通過。600入口；

3)自動化程度高，生產(chǎn)能力高，每小時清理能力應(yīng)在50米左右；

4)機器人應(yīng)有管道監(jiān)視系統(tǒng)；

5)可附加焊縫檢測、壁厚檢測模塊；

6)煙灰密度3.5g/cm3o

1.3.1管道清灰機器人驅(qū)動方式

由于管道清灰機器人工作空間狹窄，專用機器人在結(jié)構(gòu)上必須小巧、靈活、拆裝方

便，所以機器人在結(jié)構(gòu)上要注重運動傳遞部件、運動定位導(dǎo)向部件和運動部件殼體的一

體化設(shè)計。管道清灰機器人本體結(jié)構(gòu)由移動裝置和操作臂組成。管道機器人經(jīng)過簡化，

可認為是以機械手安裝在移動裝置上。機械手具有兩個自由度，手抓末端安裝著末端操

5

作器一鏟斗，可實現(xiàn)抬升和旋轉(zhuǎn)兩個運動。根據(jù)液壓驅(qū)動具有以下特點，機械手采用液

壓式驅(qū)動方式。

①驅(qū)動力或驅(qū)動力矩大，即功率重量比大，響應(yīng)速度快，重復(fù)精度高，壓力可達

20-3OMpa（機器人多用0.6-0.7Mpa）。

②液壓缸可直接用作機器人關(guān)節(jié)的一部分，實現(xiàn)直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。

③速度調(diào)節(jié)方便易控，可實現(xiàn)平穩(wěn)的無極調(diào)速和換向。容易實現(xiàn)自動化。

④液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護方便，使用壽命長。

1.3.2管道清灰機器人操作臂設(shè)計要求

管道清灰機器人完成在管道內(nèi)對砂狀沉積物的鏟掘、清理，對物料進行裝、運、卸

及牽引作業(yè)。該機器人的鏟掘作業(yè)和裝卸物料的作業(yè)都是通過操作臂來完成的，因此操

作臂的設(shè)計要達到下列要求：

i.應(yīng)使鏟斗在地面的鏟掘位置能產(chǎn)生較大的鏟起力；

ii.應(yīng)保證鏟斗從運輸位置舉升到最高位置的過程中，其轉(zhuǎn)角差不得超出一定范

圍，以免在鏟斗舉升過程中物料撒落；

iii.應(yīng)使鏟斗在動臂舉升過程中的各個位置，其卸載角不小于一定值，以保證卸

料干凈；

iv.操作臂在整個運動過程中，應(yīng)滿足傳動角的要求，保證運動輕巧，不得出現(xiàn)死

點；操作臂各構(gòu)件之間不允許發(fā)生運動干涉。

1.3.3管道清灰機器人行走機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)管道清灰機器人的工作環(huán)境，主要是其工作場地松軟，同時由于履帶式行走機

構(gòu)有以下特點優(yōu)于輪式移動機構(gòu)，該機器人移動裝置采用履帶式移動機構(gòu)。

履帶式行走裝置與輪式相比較的特點：

①支承面積大，接地比壓小。適合于松軟和泥濘場地作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小，

通過性能較好。

②越野性能好，爬坡、越溝性能均比輪式移動機構(gòu)優(yōu)越。

③履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。

同時也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，運動慣性大，減振功能差，零件易損壞等不足。

行走機構(gòu)由三個呈120。的履帶輪組成，與管壁底部接觸的兩個呈120。的履帶為固

定履帶，上面與管壁頂部接觸的履帶為可伸縮式的，采用凸輪機構(gòu)，由一壓力傳感器控

制履帶的伸縮運動，來保證三個履帶全部接觸到管壁，增加管道機器人在不同管徑管道

內(nèi)行走的穩(wěn)定性。機器人工作時，隨著履帶式移動機構(gòu)的移動，該機器人機械手上的鏟

6

斗向前移動，將沉積在底部的灰鏟在鏟斗內(nèi)，鏟斗內(nèi)的灰達到最大限度時，機器人移動

到出灰口將灰倒出。采用這種移動裝置可使機器人在管道內(nèi)的砂狀灰上行走時增加穩(wěn)定

性和附著力，防止機器人陷在灰內(nèi)或打滑無法前進。移動裝置采用電力驅(qū)動方式。其體

積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，運動滿足要求。

1.3.4管道清灰機器人系統(tǒng)組成

7

2.管道清灰機器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和三維模型的建立

對于機機器人本體結(jié)構(gòu)模型的建立，采用代表目前機械CAD領(lǐng)域新標準的參數(shù)化設(shè)

計軟件Pro/Engineer來完成。

2.1Pro/Engineer軟件的介紹

Pro/E是美國PTC(ParametricTechnologyCorporation)公司于1988年開發(fā)的參

數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，是一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機械自動化軟件［f})(gl。參數(shù)式設(shè)計就是將零

件尺寸的設(shè)計用參數(shù)來描述，并在設(shè)計修改時通過修改參數(shù)的數(shù)值來更改零件的外形。

Pro/E仍以單一數(shù)據(jù)、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)性以及工程數(shù)據(jù)再利用等特點改

變了傳統(tǒng)設(shè)計觀念，成為目前機械CAD領(lǐng)域的新標準。Pro/Engineer與傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)

僅提供繪圖工具有著極大的不同，它提供了一套完整的機械產(chǎn)品解決方案，包括工業(yè)設(shè)

計、機械設(shè)計、模具設(shè)計、板金設(shè)計、加工制造、機構(gòu)分析、有限元分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管

理，甚至包括產(chǎn)品生命周期的管理，它使產(chǎn)品的設(shè)計效率大大提高，使產(chǎn)品在設(shè)計初期

具有更多的靈活性，保證在日后根據(jù)系統(tǒng)要求進行相應(yīng)的更改和計算；另外在產(chǎn)品的設(shè)

計方案階段，可以形象的表現(xiàn)系統(tǒng)的組成特點，而在產(chǎn)品的生產(chǎn)階段可以方便與加工中

心數(shù)據(jù)連接。

2.1.1Pro/E的系統(tǒng)特征

1.參數(shù)化設(shè)計和特征功能

Pro/E采用參數(shù)化設(shè)計、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，可采用具有智能特性的功能

去生成模型，如軸、孔、槽、殼、管道、倒角及圓角，可以隨意勾畫草圖和改變模型。

2.單一數(shù)據(jù)庫

Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立

在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨

立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設(shè)計過程的

任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳

圖有改變，NC(數(shù)控)工具路徑也會自動更新;組裝圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在

整個三維模型上。

3.行為建模功能

行為建模技術(shù)功能主要體現(xiàn)在智能模型和目標驅(qū)動式設(shè)計兩個方面。

智能模型表現(xiàn)為捕捉設(shè)計和過程信息以及定義產(chǎn)品所需要的各種工程規(guī)范。

作為一種智能設(shè)計，它提供了一組遠遠超過傳統(tǒng)核心幾何特征范圍的自適應(yīng)過程特征，

8

這種特征提供了大量信息，進一步詳細確定了設(shè)計意圖，是生產(chǎn)模型的一個完整的部分，

它們使得智能模型具有高度靈活性，從而對環(huán)境的變化反應(yīng)迅速。目標驅(qū)動式設(shè)計表現(xiàn)

為優(yōu)化每個產(chǎn)品的設(shè)計，以滿足使用自適應(yīng)過程特征從智能模型中捕捉多個目標和不斷

變化的要求，同時解決相互沖突的目標問題。規(guī)范是智能模型中固有的，一旦模型被修

改，就能重新生成和重新校驗是否符合規(guī)范，即用規(guī)范來實際地驅(qū)動設(shè)計。

4.機構(gòu)設(shè)計技術(shù)

Pro/Engineer2000i以后版本包含了在整個裝配過程中評估行為的功能。在裝配零

件時，設(shè)計人員可以快速簡單地把連接類型應(yīng)用于零件，然后評估真實的產(chǎn)品將如何動

作。可以定義己知運動自由度的運動副，為實體模型增加智能成分。機構(gòu)裝配完成后，

可以對整個裝配進行工程分析。

2.1.2Pro/Engineer主要模塊介紹

一、Pro/Engineer

Pro/Engineer是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化

功能定義、實體零件及組裝造型、三維上色、實體或線框造型、工程圖產(chǎn)生及不同視圖

（三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉(zhuǎn)）。Pro/Engineer功能如下：

1.特征驅(qū)動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等）；

2.參數(shù)化（參數(shù)二尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）；

3.通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關(guān)系來

進行設(shè)計。

4.支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計（規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM

的各種能用零件設(shè)計的程序化方法等）。

5.貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性（任何一個地方的變動都將引起與之有關(guān)的每個地方

變動）。其它輔助模塊將進一步提高擴展Pro/ENGINEER的基本功能。

二、Pro/SURFACE

Pro/SURFACE是一個選項模塊，它擴展了Pro/ENGINEER的生成、輸入和編輯復(fù)雜曲

面和曲線的功能。Pro/SURFACE提供了一系列必要的工具，使得設(shè)計者很容易地生成用

于飛機和汽車的曲線和曲面，船殼設(shè)計以及通常所碰到的復(fù)雜設(shè)計問題。功能包括：

1.生成曲線及曲線種類；

2.編輯曲線；

3.生成曲面及曲面種類；

4.編輯曲面。

9

三、Pro/ASSEMBLY

Pro/ASSEMBLY是一個參數(shù)化組裝管理系統(tǒng)，能提供用戶自定義手段去生成一組組裝

系列并可自動地更換零件。Pro/ASSEMBLY是Pro/ADSSEMBLY的一個擴展選項模塊，只能

在Pro/Engineer環(huán)境下運行，它具有如下功能：

1.在組合件內(nèi)自動替換零件(交替式)

2.規(guī)則排列的組合(支持組合件子集)

3.組裝模式下的零件生成(考慮組件內(nèi)己存在的零件來產(chǎn)生一個新的零件)

4.Pro/ASSEMBLY里有一個Pro/Program模塊，.它提供一個開發(fā)工具。使用戶能自

行編寫參數(shù)化零件及組裝的自動化程序，這種程序可使不是技術(shù)性用戶也可產(chǎn)生自定義

設(shè)計，只需要輸入一些簡單的參數(shù)即可。

5.組件特征(繪零件與組件組成的組件附加特征值。如:在兩種零件之間加一個焊接

特征等)。

四、Pro/MANUFACTURING

Pro/MANUFACTURING將產(chǎn)生生產(chǎn)過程規(guī)劃，刀路軌跡并能根據(jù)用戶需要產(chǎn)生的生產(chǎn)

規(guī)劃做出時間上及價格成本上的估計。Pro/MANUFACTURING將生產(chǎn)過程生產(chǎn)規(guī)劃與設(shè)計

造型連接起來，所以任何在設(shè)計上的改變，軟件也能自動地將己做過的生產(chǎn)上的程序和

資料也自動地重新產(chǎn)生過，而無需用戶自行修改。它將具備完整關(guān)聯(lián)性的Pro/ENGINEER

產(chǎn)品線延伸至加工制造的工作環(huán)境里。它容許用戶采用參數(shù)化的方法去定義數(shù)值控制

((NC)工具路徑，才可將Pro/ENGINEER生成的模型進行加工。這些信息接著作后期處理,

產(chǎn)生驅(qū)動NC器件所需的編碼。

Pro/MANUFACTURING為下列機器操作產(chǎn)生自動化的工具路徑：

1.銃削加工(Miffing)

2.車削加工(Turning)

3.線體電子釋放機械技術(shù)

4.鉆床加工床rittOg)

五、Pro/NC-CHECK

1.Pro/NC-CHECK提供圖形工具。用以對銃削加工及鉆床加工操作所產(chǎn)生的物料，

作模擬清除。Pro/NC-CHECK內(nèi)選定的工具。會依照Pro/MANUFACTURING定義的切割路徑

移動，用戶亦可以清楚看到物料清除的進度。加工制造組件以陰影顯示，組裝線上各個

組件可以由用戶設(shè)定不同的顏色。它亦讓用戶可以在整個加工制造過程，定義夾層平面

(ClippingPlane)特定的深度。夾層平面(ClippingPlane)對物料清除摸擬過程提供縱

10

切面的閱視功能。再加上顏色的設(shè)定，選定工具路徑、內(nèi)置參考模型、工具及任何夾具

（Fixture）均能二目了然，不生混淆。此外，Pro/NC-CHECK能讓用戶對工具及夾具任

ixture）進行快速驗證及評估，從而防止嚴重的損失。

2.Pro/NC-CHECK與Pro/MANUFACTURING一并使用時，用戶可用以仔細檢定切割零

件的每一部份，節(jié)省了用戶不必要地在機器上試用及操作的時間。因此，將這些產(chǎn)品合

并使用，不僅體現(xiàn)了材料節(jié)省的好處，亦提供了一個加工制造的良好方案。

2.2管道清灰機器人本體結(jié)構(gòu)三維模型的建立

管道清灰機器人由移動裝置和操作臂組成，移動裝置為履帶式移動機構(gòu)，可在松軟

的砂狀灰上走動。操作臂主要由鏟斗、大臂、搖臂、拉桿、轉(zhuǎn)斗油缸、舉升油缸等組成。

鏟斗來鏟裝灰物，動臂和舉升油缸用來提升鏟斗，轉(zhuǎn)斗油缸通過搖臂、拉桿使鏟斗轉(zhuǎn)動。

操作臂具有2個自由度，可實現(xiàn)臂旋轉(zhuǎn)、抬高運動。操作臂如圖2T所示。該機器人主

要完成對°700-1000mm管道內(nèi)砂狀沉積物的清理。機器人行走機構(gòu)由三個呈口。"的履

帶輪組成，與管壁底部接觸的兩個呈120°的履帶為固定履帶，上面與管壁頂部接觸的履

帶為可伸縮式的，履帶支撐用彈簧裝置（如圖所示）保證三個履帶全部接觸到管壁，增

加管道機器人在不同管徑管道內(nèi)行走的穩(wěn)定性。

頂部支撐裝置剖視圖：

11

操作臂結(jié)構(gòu)如圖所示:

其它主要零部件:

鏟斗：

傳動裝置:

12

大臂:

13

彈簧:

14

履帶:

輪:

15

螺母:

箱體:

16

液壓裝置L

液壓裝置2：

17

頂起軸:

19

深溝球軸承(GB/T276-1994)mm：

基本基本

基本尺寸/mm安裝尺寸/mm額動額定

動載動載極限轉(zhuǎn)速/

原軸

軸承荷荷(r/min)

承代

代號

號

dDBdacCo,.

rsD“ras

脂潤油潤

/kN

滑滑

621470125241.5791161.560.845.048006000214

20

軸承端蓋:

21

換向裝置:

22

3.管道清灰機器人運動學(xué)分析

機器人運動學(xué)分析是研究機器人運動的兒何關(guān)系、速度、加速度等。管道清灰機器

人是由操作臂和移動裝置組成。操作臂簡化后為一平面閉環(huán)連桿機構(gòu)，其上的末端操作

器一鏟斗的運動為平面運動。因此，對該機器人的位姿（位置和姿勢）分析可簡化為平面

位姿分析。操作臂安裝在移動裝置上，在分析管道機器人的位置時，將移動裝置設(shè)為一

動坐標系，首先分析操作臂相對于移動裝置的位置和姿勢，然后分析機械手連同移動裝

置在定坐標系中的位置、速度、加速度，可得到機器人的位置和姿勢。

3.1機器人操作臂類型選擇

該機器人操作臂簡化后為一平面機構(gòu)。按桿數(shù)劃分的連桿機構(gòu)中，四連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)

簡單，但因動臂前端須裝有自重較大的框架，減少了鏟斗的載重量，且影響攝像機的視

線；八連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，鏟起力變化平緩；六桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)較簡單，容易布置，一般

能較好地滿足作業(yè)要求，因此在這里鏟斗抬起運動采用六桿機構(gòu)。按機構(gòu)運動狀態(tài)可將

操作臂運動裝置分為正轉(zhuǎn)連桿和反轉(zhuǎn)連桿。正轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)主動構(gòu)件與從動構(gòu)件轉(zhuǎn)向相

同，如圖3T所示;反轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)主動構(gòu)件與從動構(gòu)件轉(zhuǎn)向相反，如圖3-2所示。

圖3-1正轉(zhuǎn)機構(gòu)

23

圖3-2反轉(zhuǎn)機構(gòu)

1）正轉(zhuǎn)機構(gòu)具有以下特點:如圖3-3所示

①發(fā)出最大鏟起力在a<0時，如圖所示，即鏟斗有利于地面挖掘；

②在鏟斗卸料時，角速度較大，易于抖落物料，但沖擊較大；

③作業(yè)過程中各構(gòu)件不易發(fā)生干涉，工作裝置易于布置在同一平面內(nèi)，使桿

件支撐和受力好。

2）反轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)：

①發(fā)出最大鏟起力是在。>0時，且鏟起力變化陡峭如圖3-3所示，因此在提

升鏟斗時鏟起力較大，適于裝載重物；

②鏟斗卸料時，角速度小，卸料平緩；

③升降動臂時較易保證鏟斗平移。

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圖3-3鏟起力變化圖

由以上分析可以看出：正轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，且能滿足管道清灰機器人設(shè)計要

求，即正轉(zhuǎn)機構(gòu)有利于地面挖掘，適合機器人有較大的鏟灰力，工作裝置易于布置在同

一平面，有利于增加機器人運動穩(wěn)定性，因此將管道清灰機器人操作臂工作裝置設(shè)計為

正轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)。

3.2鏟斗轉(zhuǎn)角差及卸載角分析

當(dāng)鏟斗轉(zhuǎn)角時有較大的鏟起力，如圖3-3左所示。機器人鏟起灰物后舉升到運輸過

程中，保證物料不撒落，主要取決于鏟斗的形狀，其鏟斗提升狀態(tài)如圖3-3中所示，鏟

斗內(nèi)灰物的重心通過鏟斗底部中心線時，此時鏟斗不易撒落物料。鏟斗在動臂舉升過程

中的最高位置時，其最大卸載角狀態(tài)如圖3-3右所示，也就是當(dāng)搖臂和旋轉(zhuǎn)臂處于同一

直線時，鏟斗傾倒可達到最大的卸載角，同時與舉升油缸的位置也有關(guān)，油缸與管道水

平方向夾角越小，鏟斗卸載角也越大，但需保證鏟斗不能碰到管壁，方可保證卸料干凈。

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3.3機器人操作臂自由度

機構(gòu)是由若干個構(gòu)件組合起來，且各構(gòu)件之間具有確定的相對運動的強制運動鏈。

在機構(gòu)設(shè)計和分析時，首先要確定所給定的機構(gòu)的自由度。當(dāng)自由度等于主動件數(shù)時,

機構(gòu)具有確定的自由度。該機器人操作臂機構(gòu)簡圖如圖3-4所示。

圖3-4機器人操作臂機構(gòu)簡圖

根據(jù)切貝謝夫一克魯伯規(guī)律，該機構(gòu)的自由度為

歹=3%—2尸,一寫=3x8—2x11=2

其中F:活動構(gòu)件數(shù)（不包括機架）

P,:低副個數(shù)

與：高副個數(shù)

機構(gòu)有確定的運動，其自由度必須等于原動件數(shù)。因此機器人操作臂具有兩個原動

件，一個為舉升液壓缸，另一個為旋轉(zhuǎn)液壓缸。

3.4操作臂死點分析

管道清灰機器人操作臂機構(gòu)簡圖如圖5所示。已知各桿長，當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸伸縮量為一

定值時，舉升油缸伸縮時，大臂為主動桿，分析此時六連桿的運動特性。設(shè)KA為x軸,

由K指向A為正向，將矢量閉鏈AKFBA和閉鏈AKEDCBA向x、y軸投影，得：

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KFcos+BFcosS2+BAcos-AK=0

KFsin。+BFsinS2+BAsine=0

KEcos(°+%)+￡>￡)cos&+DCcos85+CBcos(^2-a2)+BAcos33-AB=0

KEsin(^+cr,)+EDsin34+DCsin用+CBsin((52一%)+BAsinJ3-AB=0

其中輸入角力為一級坐標，&、名、①、4為二級坐標,由上式可求得矩陣表達式:

尸當(dāng)7

8sin2BAsind>300KTsin。

BFcos5BAcos3、00KFcos

2a。

代①°

C8sin(&-%)BAsinEDsinDCsin①KEsing+aJ

BAcos8EOcos“DCcos#5KEcos(°+a[)

CBcosq—%)ya

用同表示與速度矩陣相對應(yīng)的系數(shù)行列式,其值為：

5尸sin當(dāng)BAsin&00

BFcos62BAcos&00

CBsin(J2-a2)BAsin名EOsin，DCsin烝

心

CBcos(^2-%)BAcosEDcos^4DCcos3$

BF?BAsin?-&)sin@-￡)=BF?BAsin%sin/2

其中%、力分別為閉鏈AKFBA和閉鏈AKEDCBA的傳動角。

若速度方程有解，剛|川工0;若速度方程無解，剛國=0,即Sin@—2）或

sin（e-R）,也就是&=心或￡=n，險=0,兩閉鏈的傳動角分別為零。該位置正是

六桿機構(gòu)的死點，如圖所示。由于轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸不能作整周回轉(zhuǎn)運動，不存在當(dāng)

&-&=180°,或“-&=180°時的死點位