羅海玉，馬永福

（1.天水師范學院 工學院，天水741001；2.中國鋁業(yè)有限公司 連城分公司，蘭州730335）

0 引 言

管道清灰機器人是攜帶多種傳感器和作業(yè)機構，能在煙氣輸送管道內自動行走清理煙灰堆積層的機電一體化系統(tǒng).該系統(tǒng)包括移動裝置、操作臂、傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等.其中操作臂是管道清灰機器人的重要組成部分，由翻轉機構和舉升機構組成，如圖1.由于清灰作業(yè)是通過操作臂的運動來實現(xiàn)[1－2]，因此操作臂運動分析是優(yōu)化設計的重點.而組成操作臂的舉升機構及翻轉機構中各桿的角位移，機構傳動角，斗底傾角，油缸長度，卸載尺寸等是影響操作臂運動性能的主要參數.本文根據操作臂運動特點建立數學模型，為管道清灰機器人操作臂的優(yōu)化設計奠定理論基礎.

圖1 管道清灰機器人操作臂機構簡圖

1 操作臂分析模型

1.1 分析模型

選擇機架作為操作臂的運動參考系，建立如圖2所示的直角坐標系xoy.由于該機構的自由度為2，當動臂位置角α0和鏟斗DE相對動臂EF的夾角β3確定之后，機構的運動狀態(tài)就被唯一地確定[3].

圖2 操作臂簡圖及部分參數設定

1.2 符號的物理意義

表1 符號物理意義

2 操作臂六桿機構角位移分析模型

管道清灰機器人操作臂包括兩部分：翻轉機構和舉升機構.翻轉機構為六桿機構，在對六桿機構進行分析時可將六桿機構分解為缸桿四桿機構KFBA和斗桿四桿機構FEDC兩個子機構，顯然兩個四桿機構只有符號上的差別，因此可以用代換符號的辦法處理.

2.1 缸桿機構角位移分析模型

圖3 缸桿機構示意圖

（1）角度定義

β4——KA相對于KF的轉角，以KF為起始邊，逆轉為正.β4＝180°－α2－α1

β1——－FB相對于FK 的轉角，以為起始邊，順轉為正.

（2）求解角度β1

將上兩式等號兩邊平方相加變換可得：

在管道清灰機器人操作臂設計中＂±＂處取＂＋＂號.

為了以后計算方便，可設一個函數fp（a，b，c，d，beta），參數a，b，c，d 為桿長，其中c為機架，d 為輸入連架桿，b為輸出連架桿，beta為d相對于c的轉角，函數值為b相對于c的轉角.

2.2 斗桿機構角位移的分析模型

β1與β2的關系由圖4可知：

圖4 斗桿機構示意圖

求解角度β3可以套用式（6）用代換角度及桿件尺寸的方法求解，求解關系為：

2.3 機構傳動角的求解模型

兩子機構的傳動動角分別為：

以上各式只能求出小于π的值，但在管道清灰機器人操作臂設計中，可以保證此兩個角均處于0～π之間，所以不必再考慮大于π的情況[5].

3 結 論

本文利用子結構分析法將管道清灰機器人操作臂的六桿機構分解為兩個四桿機構，在四桿機構的分析中，通過對角度方向的適當定義，使得問題得到簡化，同時考慮了四桿機構極限轉角影響，使分析更加完整.在此基礎上對參數作出明確、清晰、規(guī)范的定義，建立了工作機構角位移和傳動角的求解解析式.為管道清灰機器人操作臂機構的優(yōu)化設計奠定了基礎.

[1]張淑珍，楊 萍，袁曉鵬.管道清灰機器人系統(tǒng)設計[J].機械設計與制造，2006，（8）：125－127.

[2]寧 鵬.管道清灰機器人結構設計及運動學仿真[D].蘭州：蘭州理工大學，碩士學位論文，2004.

[3]王國彪，楊力夫.裝載機工作裝置優(yōu)化設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[4][美]厄爾德曼，桑多爾.高等機構設計——分析與綜合[M].莊細榮，楊上培譯.北京：高等教育出版社，1993.

[5]孫 桓，陳作模，等.機械原理（第七版）[M].高等教育出版社，2006.