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1、上料机械手英文翻译可重构自动下水道清洁机械手的设计与开发摘要过去十年机器人技术的进步，已经使机器人科技可以解决许多我们每天生活中的难题。但是，在印度的城市中依然是人工在清理下水道。在那里工人从管口进去，手工用没有任何技术含量的工具清理堵塞在污水管中的垃圾。这项工作可能危害人们的健康，因此，一个下水道清理机器人来取代人们的介入是十分重要的。传统的下水道清理机器人不能高效的清理变直径的水管。为了克服这个难题，我们设计和开发了这款可重构自动下水道清理机械手，它可以高效的清理在变直径管道中形成的堵塞物。概念模型已经用solidworks建好了。模型将会让你对机械手和它的子系统交互功能有个清晰的理解。基

2、于设计概念和它的工作环境的机械手原型已经开发出来了，它的工作环境也就是机器人进入污水管之后必须做的和它的许多不同的目标，因此它的功能也最终确定了。它由许多的连杆和关节组成。这些关节将由许多不同的电机来驱动，这些电机将在文章中提到。开发原型的时候已经做了初步的调查，一些调查结果已经在文章中提到了。关键词：机器人，移动机械手，三维模型，定期维护1.介绍很久以来，机器人学都是大学研究的主要领域，工业实验室和汽车生产线。术语HC 高速切削LC 低速切削L 红外传感器和牵引轮之间的距离MLS 机械手的限位开关T 重构时间，秒E 重构电机消耗的能量IR 红外线SET 设置参考电压值，伏特机器人通常都很大，

3、动作缓慢还有专业机械手都不可避免的安装在装配线上。幸运的是，机器人技术的进步已经使机器人技术走出实验室进入对做机器人感兴趣的人的车库中。微处理器已经很便宜而且更有力量，电机更小功能更强大还有机器人知识更丰富更容易获得。这样可以确保用机器人来改善人们日常活动这一虚拟领域的想法得到实现，比如，像下水道清理，核电站检查这样脏，危险，无聊的工作。每个人家里都有下水道，每家垃圾处理的标准都不一样，而且垃圾的尺寸也不一样，但是每个国家的管子长度和穿过部分地区的管子都有很大的不同。比如说1994年末日本的下水道是250000千米，德国的在1997年是400000千米，如果设计、建造、使用合理的话，那么下水道

4、就可以用很长时间。在西德有31.4%的公共下水道有50年或者更老。然而，这是强制维护来保障其功能的结果，来保护建造时的巨大投资，阻止来自下水道、下水道治理计划和来自环境的危害。清理堵塞的下水道是件无聊的工作，人的介入也是不明智的。为了污水从住宅区传送到污水处理厂，在印度下水道的直径从200到2000毫米不等。在过去，下水道管子使用水泥制成的，但是现在聚乙烯的管子被越来越广泛的使用。然而，管子的材料会给系统带来不同的问题。一些这样的问题将会出现在下水道管道中：堵塞物的形成。树枝、塑料容器等废弃材料的沉积。管接头处的开裂和管子表面的腐蚀。管子的变形和连接部分的错位。以上所提到的问题都有可能阻塞污水

5、管，因此，定期维护是非常必要的。另外，由于小直径管道的存在、污水管中的环境恶劣但又必须清理，所以才被迫应用机器人来清理污水管。大一点的管子，比如说，内径超过180cm的可以考虑用人工来采用更方便的方式来清理。但是，只有极少的几个相关的主要管道可以采用这样的方式，大多数的污水管都不能采用，直径在15cm的管子从单独的房间进入。通常，难以达到的下水道就用传统的方式来清理，比如用清理棒，它的效率很低，而且很慢。为了克服这个问题，开发了一种可移动机械手。总的来说，移动机器人可以随处移动，也可以固定在一个地方。相反，工业机器人通常 由关节连接的手臂（多关节机械手）和手爪（或末端执行器）组成，通常安装在一

6、个固定的表面。移动机器人是目前的研究焦点，几乎每个专业大学都有一个或更多移动机器人研究实验室。移动机器人在工业、军事和安全上也有应用。它们也出现在消费品中，有娱乐功能或者表演一个特定的任务。一个可移动操作系统是由移动机器人和一系列机械手组成，这个系统有两个好处，一个是移动平台的移动性，一个是机械手的灵敏性。移动工作台为机械手提供了无限的工作场所。移动工作台额外的自由度也为用户提供了更多的选择。 然而这样的系统也是一个挑战，因为它有很多的自由度所以工作显得很松散。一般的系统组成：1. 移动工作台2. 连接和关节3. 末端执行器4. 阻塞物探测器5. 阻塞物清理工具现阶段移动操作系统是一个主要关注

7、开发和研究环境的项目，移动机械手，有的是自动化的，有的是电动的，它被用在不同的领域，像太空探索，军事演习，家庭护理和健康护理。然而，在工业领域机械手的应用受到限制，尽管对智能化和柔性自动化的需求已经显现出来了。另外，在很大程度上，必要的技术实体（移动工作台、机器人的机械手、监测、工具）可以当作现成的部件来使用。这个简单的机构只能在水平管道中活动。尽管产生必要的摩擦力继续移动更远的距离来拉能量和信号线的长度是很困难的，但是穿过机构要简单的多。然而，原来用于解决直径改变这个难题的移动方案有许多不同的弯道而且提供了必要的能量供应。行走机构提供了复杂的不连续的而不是简单的连续的管壁可以移动。最终，这些

8、机构没有被用在污水处理管道中。因此，一个机构应该能处理上述讨论的所有情况和条件，这是世界上最重要的工程学。1.1需要认识的在我们日常生活中，机器人技术已经用于解决许多的实际问题。然而，即使在今天的印度，人们依然进入下水道人工清理下水道中的阻塞物。图1展示了不同直径管道中的阻塞物，他们阻碍了污水的流动。图1 污水管中的阻塞物来自污水和污水阻塞物的有毒气体将危害进入污水管的人的身体健康。对人们来说，清理穿过不同地区的下水管也是比较困难的。所以用可重构的可以清理不同直径管道的机器人来代替人工清理是非常必要的。从极端领域学习污水处理管；从学习中我们能明显的感觉到可重构类型的结构可以适应穿过不同地区的管

9、道。因此，一个可重构的的带有机械手的污水处理机器人原型已经被设计和开发出来用于高效的清理阻塞物。初步的调查已经在展开一笔爱你定义机器人的特征和它的动作。2.下水道清理机器人的开发一个考虑到机械手进入下水道之后各种不同目的的概念模型设计已经确定了。用solidworks建立的各个部件的三维模型以及装配模型已经建立好了。图2展示了机械手的三维模型，这个机械手主要是由可重构可移动的圆盘通过关节连接起来的，中心旋转轴是由高转矩的DC电机和末端感受器驱动的，模型的原型已经建好了（图5），合理的选择了不同的部件-机械手电机，可移动可重构圆盘，可重构关节，惰轮和牵引轮，红外收发器，控制和驱动电路，还有电源。

10、不同部件的选择是根据低成本和可控性决定的。原型将被远远的控制，移动机器人将扫清轨迹上的障碍沿着平滑的路线行走。这样的目的是实现预想的机制。污水处理是最重要的设计，效率高是最高的优势。以下有三种方法可以考虑： 机器人的头部有一个圆柱气垫可以推着阻塞物向前运动 钻头和锯齿据可以用来分解阻塞物和凝块 用有压力的水来喷射也可以冲刷阻塞物有三种方法可以将阻塞物冲出污水管。为了克服这个问题，机械手可以设计成收集阻塞物而不是冲掉。但是收集污物是一项很笨重的工作，机械手必须首先探测垃圾的数量，而且必须做许多动作知道完全将阻塞物收集完。设施这个方法变得十分困难。为了减少重复计数的可能，用像钻头、锯齿据这样的刀具

11、来分解阻塞物是非常重要的。有阻塞物的污水管一端有污水，因为污水没办法冲开阻塞物。所以如果机器人可以破坏掉阻塞物污水就会喷射出来。因此，一个大的刀具将刺入垃圾中将垃圾切碎。然后污水就会像奔流一样将垃圾碎片带走。 图3显示了可重构污水清理机器人的图解，它由机械手、可重构机制、红外接收和发射传感器、机械手电机、驱动电机、电池电源箱、限位传感器、微控制器、信号处理器和H电桥电路等子系统组成。垃圾清理机器人的机械手是用来高效的清理下水道阻塞物的。图2展示了由基于可重构的螺钉和螺母组成的可以旋转120度的三对关节。这个可重构的结构是有高转矩的DC电机驱动的，它用来在多弯道的污水管中放置机器人。一个H电桥由

12、四个开关组成（固态的或者是机械的）。当S1和S4（根据第一张图片）闭合（S2和S3断开）电机将产生一个正电压。打开S1和S4闭合S2和S3，这个电压将会反向，电机的运转也会反向。图2 污水清理机械手的三维模型使用上面的命名法，开关S1和S2绝不能同时关闭，这将导致输入电源短路。这个原理同样适用于S3和S4，这个条件就是防止击穿的。H电桥是用来使电机反向的，但是也可以用来破坏电机，使电机突然停止，像缩短电机的工作极限，让电机空转来停止，电机高效的和电路脱离。图4展示了可重构类型的可移动机械手的工作原理。安装在可重构关节上的红外传感器是用来探测可移动机器人机械手的直径。由红外传感器产生的反馈电压V

13、将被放大来和参考电压V比较。如果V大于V，可重构电机将停止，驱动电机启动，机械手电机也将启动。驱动电机旋转的方向（顺时针或逆时针）将取决于机械手限位开关的状态。在机器人向前动作的时候，驱动电机顺时针旋转，但是，当污水管中过多的阻塞物引起的超载而使机械手停止运动时机械手限位开关将打开。控制器要求驱动电机逆时针旋转，因此移动机械手就可以沿着原来的路线运动了。另一方面，如果V小于V，可重构电机就会启动。但是，当是高截止和低截止的时候限位开关就会触发，这个自动开关就会关掉可重构电机。3.可重构下水道清理机器人的实验特性描述可重构污水清理机器人的特性描述需要学习当给可重构电机一个给定的输入时可重构位移的

14、动态特性。图5展示了实验安装好的可重构污水处理机器人以及它的控制器和驱动电路。红外接收器安装在距离最后一个驱动轮0.11米()远的位置，这样它就可以和管道连在一起。距离通过红外传感器的标准校准表（GP2D12）来校准。机器人系统一直开启，结构变形电机一直保持10rpm的速度来获得结构变形关节的动态特性，图6（a）展示了红外传感器的位移记录和标绘。据观察，结构变形关节的位移是随时间的变化而变化的。可变形机构的低限制有一个0.3米的物理限制，它是在连接完全展开的初始条件下的一个限制。在结构变形关节完全撤回后，我们发现有效的结构变形关节有可能将限制提高到0.5米，完全展开的限制为0.2米。图6（b）

15、分别展示了关节1、2和3的结构变形动作。有证据表明，通过这一机制的可重构动作 提供了一个面积为0.013平方米的工作空间。图7（a）记录和标绘了总的结构变形电机所消耗的电流，图7（b）展示的是提供一个不断的12v的电压来维持10rpm的速度。从电机电流消耗情况显示，电流的变化是随着载荷或者是机构变形关节的阻力变化的。电池的尺寸是根据在给定载荷下总的能量消耗来确定的。系统消耗的总能量和驱动电机、可重构电机和机械手电机消耗的能量是相等的。图8展示了在结构变形时电机消耗的电量。结构变形所消耗的能量是根据电机电量消耗随时间变化的曲线。Eq1展示了结构变形是电池所消耗的总能量E。 (1)表一展示了由驱动

16、电机、机械手电机和可重构电机消耗的总能量。标准电池可以持续1小时提供12V电压和1.2A的电流。因此，这个电池可以提供14.4W的功率，近似等于消耗的总能量。结论 机器人通常用在工业、家庭和军事装备上。然而，脏的、无聊的和危险的工作像污水清理工作应该由机器人来完成。虽然，商业污水清理机器人已经上市，但是，清理不同直径和污水管接头处依然显得很笨重。 为了克服这些实际困难，一个可重构的污水清理机器人机制已经被开发出来了，它可以重新构建自己的结构来适应不同的直径的污水管。 一个变形范围在0.3-0.米的机制原型机已经开发出来了，用于试验调查。 一个可重构污水清理机器人的特性描述已经完成了。 结构变形

17、的动态特性曲线显示了一个0.013立方米的三角形工作空间。系统消耗的总能量是通过负载驱动电机、机械手电机和可重构电机消耗的能量计算出来的，总能量为13.78瓦时。 从总能量的消耗来计算电池的规格应该是12V和1.2A。参考文献1 Fukui, T. (October 1994). Current status of non-digging techniques applied to sewerage work in Japan.In fourth international conference on pipeline construction, volume Japanese Forum (

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