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1 外 文 翻 译 毕业设计 题目： 基于 宽窄行分插机构动力学分析 原文 1： 译文 1： 电缆攀爬机器人的动力学仿真分析 2 电缆攀爬机器人的动力学仿真分析 u , i, 要 :本文介绍了一种使用动态分析软件 立一个关于电缆爬墙机器人引导原理的仿真模型的方法。通过这个模型和仿真的手段建立许多因素的影响 ,包括操作、姿态、角度、支撑刚度、预加载荷、支撑轮子的维度。来得到机器人的身体在工作状态下的抵消补偿。文章中的这种方法能够提供一个基础电缆攀爬机器 人的结构优化设计。 关键词 : 电缆攀爬机器人 引导原理 动态仿真 简介 电缆机器人通过沿着承载斜拉桥的电缆爬 ,高电压线分布 ,桅杆和其他高空电缆 ,它可以执行如同缺陷检测、污垢清洗、自动绘画等 3,2,1 。和手动工作模式相比较 ,这个由机器人执行的自动工作模式不仅能降低操作成本 ,而且能保证工作过程的安全。因此 ,关于电缆攀爬机器的人相关技术和理论研究在已经被全世界许多学院和最近制定的许多成功的作品广泛的看重 4 。通过机器人的驱动模式进行分类，存在通过轮子支撑的电动运行机制，气动蠕动驱动，以及液压驱动等。气动蠕动驱动是其中一种广泛运用的模式，因为它有媒体的优势清洁、锁模力缓冲、负载自适应、和更好的可控制性等优势。 本文介绍了一种气动监测和控制机器人电缆绘画。该机器人利用注入的压缩空气作为动力源，以监视和控制功能作为它的工作模式，它可以完成防腐涂料绘画和电缆表面的颜色装饰等工作，电缆的直径在范围在 60 毫米 到 200 毫米之间，长度在 300米以内。由于电缆可能有不同的截面形状，如圆柱形、平行六个棱柱、或螺旋六棱柱，机器人的这种固定和支持引导机制必须有一定的灵活性，即机器人有对直径变化能力的要求。然而，这种灵活性也必须有限制，如果太大，机器人的身体和电缆之间的偏心将会增加，从而会影响画的质量，甚至可能导致机器人被阻塞等等。本文论述了对于机器人身体偏心的影响因素，例如 ,工作姿态、支承刚度、支撑车轮大小、预加载荷等等，并介绍了一些电缆爬墙机器人设计的指导原则。 电缆机器人的操作姿势 在机器人工作过程中保持身体和 电缆的同心度是很有必要的，否则，工作质量3 有可能降低。三个引导车轮均匀地分布在圆柱的周围用于保持设计机器人时的同心度。为了适应不同电缆的不同截面形状，三个引导支持轮，尾部是由三个薄气缸驱动，用于夹紧电缆。尽管有电缆形状的影响，外部工作负载有可能会导致机器人身体的偏转和因此带来受力状态的改变。 为了方便分析，并且为了计算方便，假设这三个支撑是弹性的 (见图 1),定义如下：与电缆相关的机器人的身体状态命名为工作姿态；线 通过电缆轴和沿重力方向的线，被作为工作姿态的参考线；位于电缆顶端的并且最靠近 的支持 轮命名为轮 1； 角是主截面和参考线之间的夹角，被命名为工作姿态角；从轮 1 开始，其他两个沿逆时针的支持轮分别被命名为轮 2 和 3。根据上述的假设和定义，我们知道机器人的工作姿态取决于工作姿态角，并且这个角应该在关于对称结构的正负 60 范围之内。 图 1 机器人的姿态和其被迫所处的状态 4 机器人身体补偿的动态仿真 分析电缆机器人在工作状态下的动态特性是非常复杂的 (参见图 1)。如图 1所示，当三个定向轮子的预加载荷相等并且没有其他外部负载作用，机器人身体的几何中心和该 电缆的中心是同心的；一旦有外力作用，由于支撑点的弹性特征，机器人的几何中心和电缆中心会产生偏移量，不同的支持轮也会产生一个相对运动并且会导致支持车轮和电缆的接触点改变，然后动态特性也会随着改变。因此，电缆机器人在工作状态下的动态机理模型是一个时变模型。与此同时，在分析过程中也应考虑接触刚度、摩擦特性。因此，简单的模型并不能满足对机器人设计的要求，而且传统的静态分析法很难建立和解决以上这种问题并且计算精度也达不到要求。本文介绍了一种使用新方法，一种动态仿真软件，来建立电缆机器人引导机制和根据实际工 作条件仿真获得的机器人身体的不同偏移的动态模型。 为了理论分析和仿真计算的方便，机器人引导机制的物理和几何参数定义如下： 机器人身体的内径 ( L - 引导轮宽度 ( p Ki(i = 1、 2、 3)支持点的刚度 (N / 引导车轮的曲率半径 Ni(i = 1、 2、 3)电缆引导轮的支撑力 (N) i = 1、 2、 3)引导 机械的移动部件的摩擦力 (N) i = 1、 2、 3)弹性支承力 (N) Ci(i = 1、 2、 3)集中支持力点 5 B. 力学仿真建模 模板是用来格式化你的纸和文本风格的。所有的边缘、列宽、行空间、和文本字体都是规定好的；请不要改变它们。你可能会注意特点。例如，头顶边缘的比例在这模板中超过了一般的模板。这个测量和其他测量是故意的，使用规范期待着你的纸作为整个程序的一个部分，而不是作为一个独立的文档。 请不要修改任何当前名称。 世界上目前最权威的并且是广泛使用的机械系统模拟软件。它的模拟精度和可靠性在同类软件中是最高的。这意味着这个软件，很容易根据刚体系统的动力学原理建立参数模型和执行模拟计算 6,5 。通过 者建立了电缆机器人引导机构动力学模型 (显示在图 2) ，作出如下假设： (a) 3D 实 体模型 (b) 3D 线框模型 图 2 仿真模型的建模和支撑原理 (1)忽略重力对于模拟计算的作用； (2)等效荷载作用于机器人几何中心，垂直电缆的轴； (3)电缆是刚体，并且固定在地上。 (4)三个引导支撑轮的刚度是常数 Ki(i = 1、 2、 3)= K； (5)三个引导支撑轮的预加载力相等。 仿真模型是通过 立的，工具栏中的建模工具被用来建造机器人的身体 (圆柱 )，电缆 (列 )，支持体 (矩形盒 )， 引导滑块 (列 )，约束工具箱用于施加一些6 对模拟模型的约束，例如，机器人身体的移动部分和引导部分的作用力；固定电缆和大地之间的约束；引导滑块和机器人之间的弹簧力；支撑部分和电缆之间的接触力，以及作用于机器人的常力 (一个等效载荷 )，各种约束力的不同物理参数设置如下： (1)身体尺寸： 600 (2)电缆直径： D = 200 (3)引导车轮尺寸： L = 80 100 (4)等效负载： 1000 N； (5)弹簧阻尼系数： = (6)移动部分属性：动力因素： 静力因素 : (7)接触力类型：接触刚度 =20000N/ 阻尼系数 = 穿透深度 = (8)表面摩擦：静态摩擦系数 = 动态摩擦系数 = 仿真结果 基于作用于 机器人身上的相同的等效载荷的假设，以及考虑到不同姿态角、不同的预加载、不同的弹簧刚度、不同支持块维度等的影响。这些参数对机器人的移动的影响在给定模型上进行了动态仿真，仿真结果如图 3 到图 5。 (a) 预加载 =0 的曲线 (b) 预加载 =200N 的曲线 图 3 仿真曲线的机器人身体的偏移量 (当 K=50n/7 (a) 预加载 =0 的曲线 (b) 预加载 =200N 的曲线 图 4 仿真曲线的机器人身体的 偏移量 (当 K=100n/(a) 支持轮宽度 L=120 毫米 ,预加载 =0 (b) 锥底的支持 ,预加载 =200N 图 5仿真曲线的机器人身体的偏移量在不同支持轮宽度 (当 K=50n/通过比较这些模拟结果，发现了一些有意义的规则，这些规则对于设计机器人时参数的确定具有重要的指导意义。 1)由于机器人身体的对称性，正负姿态角并不会影响身体偏移量 (见图 3所以角在范围 0 到 60 就足够研究机器人身体的动态特性了。 2)当支持滑块的宽度远大于 0，如果 =0， 机器人身体就会出现最大的偏移值，如果 =60 ，机器人的本体就会出现最小的偏移值 (见图 1、图 2 和图 3(b) )。两种不8 同条件下的偏移值存在很大差别。因此，在设计和实际应用中保证使机器人工作在 =60 是最好的选择。 3)当支撑点的弹簧刚度适当增加时机器人身体的偏移值就会减少 (见图 1 和图 2(一个 ), (b) )。但是，如果刚度太大，则机器人跨过障碍物的能力就会减小。 4)如果支撑部分能加上一个合适的预加载荷则机器人身体的偏移值可以减少 (见图 1 和图 2(一个 ), (b) )。但预加载荷的增加受到结构尺寸的限制，并 且无限的增长预加载荷也会减少机器人通过障碍物的能力。 5)通过增加支撑轮和电缆之间所夹 角 (或增加滑块宽度 )，机器人身体的偏移值也会大大减少 (请参见图 1(a)和图 3(a)。因此引导支撑轮的宽度应该尽可能的宽，支持轮的曲面和电缆的表面应尽可能的合适 ()，即角 应该增加。 6)如果支撑滑块的末端是圆锥则以上提到的规则是不适用的 (见图 5(b) )。但这种情况在实践中是不可能的。 结论 通过动态模拟和分析机器人 身体的引导机构，姿态角、支持刚度、预加载荷和支持轮的尺寸对于机器人身体偏移的影响被精确的计算。通过仿真得到的曲线有展示了机器人真正的动态性能，和一些结论，对于实际的结构设计进行指导是非常有用的。这个实验证明了这些规则对于指导机器人的实际设计是重要的。 9 参考文献： 1 J. 2):13481351 2 J. ):360362 3 on J. 2001.(1):4748 4 J. 1999(2):2526 5 i, s J. 2002(4):2122 6 1997(3):1619
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