油烟管道清洗机器人机械系统设计与研究

论文摘要

本文以餐饮业中油烟管道清洗为主要应用背景,研究了一种可用于水平和竖直油烟管道清洗的机器人。论文通过对目前常用几种油烟管道清洗方法进行调研分析,认为采用高压水射流清洗油烟管道不失为一种高效、环保的方法。通过对射流清洗污垢机理、影响射流清洗效率的诸多因素进行分析,认为与机器人相关的影响高压射流清洗效果的主要因素是射流冲击角、靶距和横移速度等参数,在此基础上提出了等靶距、等水射流冲击角的清洗工艺方法。针对现有油烟管道清洗机器人高压射流喷杆仅能单自由度摆动,清洗时机器人操控困难,清洗效率较低等问题设计了一套两自由度喷杆控制机构,该机构可以实现喷杆与被清洗管壁等靶距、等冲击角摆动,解决了现有单自由度的喷杆不能实现任意方向摆动的问题,增加了喷杆运动的灵活性,可提高清洗效率。论文根据烟道机器人应用环境特点和针对竖直烟道清洗机器人行走功能的要求,设计了一种永磁吸附链式履带机器人行走机构。文章对机器人的拖线力、射流反冲力进行了计算,建立了机器人作业的一般空间位姿模型,应用相关理论知识,对机器人在该模型下可能产生“下滑、纵向翻转”的静稳态受力进行了详细分析；通过机器人匀速爬坡运行时的动态受力和驱动平衡的分析,结合MATLAB数值仿真计算得出机器人稳定可靠工作时所需的最小许用磁吸附力大小和履带驱动系统所需满足的驱动条件,为机器人驱动系统的选型、磁块的设计提供了理论依据。最后对机器人控制策略进行了初步探讨。在上述理论及技术研究的基础上,制作了一台模型机器人样机,并进行了初步的模拟试验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源、研究背景及意义
• 1.1.1 我国油烟管道清洗现状
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 管道机器人综述
• 1.2.1 国外管道机器人的概况
• 1.2.2 国内管道机器人的概况
• 1.2.3 结论
• 1.3 课题的主要研究内容
• 第二章 油烟管道清洗机器人清洗工艺研究
• 2.1 引言
• 2.2 油烟管道机器人的工作环境
• 2.3 清洗方法对比选择
• 2.3.1 清洗方法的对比
• 2.3.2 清洗方法的确定
• 2.3.3 高压水射流简介
• 2.4 高压射流清洗管道污垢的机理分析
• 2.5 影响射流清洗效果的因素及相关参数的选择
• 2.5.1 射流结构参数
• 2.5.2 靶距
• 2.5.3 射流反冲力
• 2.5.4 水射流冲击角β
• 2.5.5 横移速度
• 2.5.6 油垢的物理状态
• 2.5.7 高压管及其长度选择
• 2.5.8 高压喷嘴的选择
• 2.6 本章小结
• 第三章 油烟管道清洗机器人系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 机器人设计性能指标
• 3.3 油烟管道清洗机器人系统总体组成
• 3.3.1 高压射流成套装置
• 3.3.2 监控系统
• 3.3.3 机器人机械系统
• 3.4 油烟管道清洗机器人行走机构设计
• 3.4.1 移动、吸附和传动方式选择
• 3.4.2 履带驱动方式选择
• 3.4.3 中间级传动机构
• 3.5 吸附机构设计
• 3.5.1 永磁材料的选择
• 3.5.2 磁路类型选择
• 3.5.3 磁路结构的封装
• 3.5.4 影响磁吸附力的因素
• 3.6 机器人喷杆运动机构设计
• 3.6.1 喷杆运动机构的方案分析
• 3.6.2 喷杆运动机构的设计
• 3.6.3 喷杆运动机构电机的计算与选取
• 3.6.4 喷杆长度的确定
• 3.7 机器人清洗操作工艺
• 3.8 本章小结
• 第四章 油烟管道清洗机器人相关力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 直管中拖线力的理论计算方法研究
• 4.3 射流反冲力计算
• 4.4 机器人磁吸附力的分析与计算
• 4.4.1 机器人空间位姿模型的建立
• 4.4.2 机器人在油烟管道竖直壁面不下滑条件分析
• 4.4.3 机器人在竖直管道壁面不产生翻转条件分析
• 4.5 驱动系统的分析与选择
• 4.5.1 机器人作业运动分析
• 4.5.2 履带驱动电机的选取
• 4.6 本章小结
• 第五章 油烟管道清洗机器人控制策略初步探讨
• 5.1 引言
• 5.2 控制策略研究
• 5.2.1 机器人的运动学模型
• 5.2.2 机器人大半径转弯可行性分析
• 5.2.3 喷杆运动机构控制策略研究
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文