【摘要】：針對(duì)石油化工行業(yè)中廣泛應(yīng)用的大型立式儲(chǔ)罐檢修任務(wù),傳統(tǒng)的腳手架、導(dǎo)軌及爬壁機(jī)器人等工作平臺(tái)存在拆裝困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或運(yùn)行速度較低等缺點(diǎn),有效載荷能力和工作效率受限制。索并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有工作空間大、承載能力強(qiáng)、模塊化等優(yōu)點(diǎn),在大型立式儲(chǔ)罐的檢修領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。提出一種采用四根支撐桿的八索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人工作平臺(tái)及出索點(diǎn)位置可調(diào)的模塊化支撐桿設(shè)計(jì);建立了索并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和平面簡(jiǎn)化模型,分析機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)其工作空間的影響,并針對(duì)20 m口徑典型立式儲(chǔ)罐給出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù);結(jié)合索牽引并聯(lián)機(jī)器人的工作平臺(tái)沿不同軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)索長(zhǎng)、索力變化分析,確定了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃時(shí)優(yōu)選運(yùn)動(dòng)軌跡。
【圖文】：

大型立式儲(chǔ)罐開(kāi)展索牽引并聯(lián)機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和平面簡(jiǎn)化模型分析各機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)工作空間的影響以優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，然后檢驗(yàn)其工作空間與實(shí)際需求的符合情況，結(jié)合工作平臺(tái)沿不同的軌跡運(yùn)動(dòng)對(duì)索長(zhǎng)、索力變化的分析，討論了動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃時(shí)的優(yōu)選軌跡，最后是本文的工作總結(jié)及下一步工作展望。1運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與靜力學(xué)分析1.1運(yùn)動(dòng)學(xué)建模索并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論指出，其動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍（工作空間）位于出索點(diǎn)組成的凸包內(nèi)，考慮模塊化設(shè)計(jì)和抵達(dá)儲(chǔ)罐外部各個(gè)位置的要求，本文提出的索牽引并聯(lián)機(jī)器人構(gòu)型如圖1所示。索牽引并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)平臺(tái)由8根索驅(qū)動(dòng)進(jìn)行6自由度運(yùn)動(dòng)，8根索采用“上4下4”布局，兩兩一組安裝在4根支撐桿上，索的一端連接在由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾筒上，另一端穿過(guò)支撐桿上的導(dǎo)向輪連接在動(dòng)平臺(tái)各個(gè)頂點(diǎn)，支撐桿的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。每根支撐桿上安裝有兩套伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾筒收放繩索，出索點(diǎn)位置由安裝托架帶動(dòng)導(dǎo)向輪沿支撐桿軸向調(diào)整，上方兩個(gè)支撐桿通過(guò)固定裝置連接在立式儲(chǔ)罐的上邊沿，下方兩個(gè)支撐桿安裝在地面。圖1立式儲(chǔ)罐檢修用八索牽引并聯(lián)機(jī)器人示意圖索并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖3所示，上層兩個(gè)支撐桿和下層兩個(gè)支撐桿之間的夾角均為θ0，外層4個(gè)出索點(diǎn)B2、B3、B6、B7所在分布圓的半徑為R2，內(nèi)層4個(gè)出索點(diǎn)B1、B4、B5、B8所在分布圓的半徑為R1，立式儲(chǔ)罐的半徑為r0，高度為H0，上下層支撐桿之間的高度為H1。本文針對(duì)20m直徑的立式儲(chǔ)罐開(kāi)展分析，，相關(guān)技術(shù)參數(shù)規(guī)定[2]，其有效高度為20m，其他尺寸儲(chǔ)罐的技術(shù)參數(shù)也可采用該方法獲齲在圖3所示的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中，固定坐標(biāo)系κB-Oxyz位于立式儲(chǔ)罐的底部圓心，運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系?

月2016年5月王偉方等：八索立式儲(chǔ)罐并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化3圖2索牽引并聯(lián)機(jī)器人支撐桿結(jié)構(gòu)圖示圖3八索牽引并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型標(biāo)系中的位置矢量，ip為動(dòng)平臺(tái)上各繩索連接點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中的位置矢量，BPR為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系到固定坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)角為(,,)，il為索矢量iiPB(1i8)，if表示各繩索的拉力。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式，索矢量il為BiiiiPilPBbpRp(1)BPcccssRssccssssccsccscsscsssccc式中，c表示cos，s表示sin，單位索矢量為BiPiiBiPibpRpubpRp(2)1.2靜力學(xué)方程通過(guò)受力分析得到靜力學(xué)平衡關(guān)系式810iimgpff(3)810iiippfτ(4)將式(3）、(4)合并為180××fmgf181188ppuufpupuτ(5)即TATw0(6)式中，T18ffT，TmgPPwfτ索并聯(lián)機(jī)器人具備一種特性，即索只承受沿索方向的拉力。為保證繩索處于張緊狀態(tài)，索上最小拉力應(yīng)不小于預(yù)緊力fmin，最大拉力不超過(guò)安全上限拉力fmax，即索并聯(lián)機(jī)器人工作空間的約束條件是maxmin0ifff(7)2結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化索牽引并聯(lián)機(jī)器人用于大型立式儲(chǔ)罐檢修時(shí)，動(dòng)平臺(tái)在儲(chǔ)罐的外側(cè)運(yùn)動(dòng)，其工作空間設(shè)計(jì)時(shí)須避免運(yùn)動(dòng)過(guò)程中索和罐體干涉。圖4給出了索并聯(lián)機(jī)器人的平面投影視圖，支撐桿的長(zhǎng)度為l0，內(nèi)側(cè)出索點(diǎn)與罐壁的距離為l10，外側(cè)出索點(diǎn)與內(nèi)側(cè)出索點(diǎn)之間的距離為l20，動(dòng)平臺(tái)沿圓柱形表面運(yùn)動(dòng)軌跡在平面上的投影半徑為r1，有1010201020RrlRrll(8)
【作者單位】： 清華大學(xué)機(jī)械工程系;清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475252,51575292)
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：2521806