升铲斗时铲起力较大，适于装载重物；
②铲斗卸料时，角速度小，卸料平缓；
③升降动臂时较易保证铲斗平移。
图3-3铲起力变化图
由以上分析可以看出:正转六连杆机构结构简单，且能满足管道清灰机器人设计要求，即正转机构有利于地面挖掘，适合机器人有较大的铲灰力，工作装置易于布置在同一平面，有利于增加机器人运动稳定性，因此将管道清灰机器人操作臂工作装置设计为正转六连杆机构。
3.2 铲斗转角差及卸载角分析
当铲斗转角时有较大的铲起力，如图3-3左所示。机器人铲起灰物后举升到运输过程中，保证物料不撒落，主要取决于铲斗的形状，其铲斗提升状态如图3-3中所示，铲斗内灰物的重心通过铲斗底部中心线时，此时铲斗不易撒落物料。铲斗在动臂举升过程中的最高位置时，其最大卸载角状态如图3-3右所示，也就是当摇臂和旋转臂处于同一直线时，铲斗倾倒可达到最大的卸载角，同时与举升油缸的位置也有关，油缸与管道水平方向夹角越小，铲斗卸载角也越大，但需保证铲斗不能碰到管壁，方可保证卸料干净。
3.3 机器人操作臂自由度
机构是由若干个构件组合起来，且各构件之间具有确定的相对运动的强制运动链。在机构设计和分析时，首先要确定所给定的机构的自由度。当自由度等于主动件数时，机构具有确定的自由度。该机器人操作臂机构简图如图3-4所示。
图3-4机器人操作臂机构简图
根据切贝谢夫一克鲁伯规律，该机构的自由度为
其中F:活动构件数(不包括机架)
:低副个数
:高副个数
机构有确定的运动，其自由度必须等于原动件数。因此机器人操作臂具有两个原动件，一个为举升液压缸，另一个为旋转液压缸。
3.4 操作臂死点分析
管道清灰机器人操作臂机构简图如图5所示。已知各杆长，当转斗油缸伸缩量为一定值时，举升油缸伸缩时，大臂为主动杆，分析此时六连杆的运动特性。设KA为x轴，由K指向A为正向，将矢量闭链AKFBA和闭链AKEDCBA向x、y轴投影，得：
其中输入角为一级坐标，、、、为二级坐标，由上式可求得矩阵表达式：
用表示与速度矩阵相对应的系数行列式，其值为：
其中、分别为闭链AKFBA和闭链AKEDCBA的传动角。
若速度方程有解，刚；若速度方程无解，刚，即或，也就是或，两闭链的传动角分别为零。该位置正是六杆机构的死点，如图所示。由于转斗油缸和举升油缸不能作整周回转运动，不存在当，或时的死点位置。
为避免死点的出现，设计操作臂时，应使各杆长满足下列条件：
可避免死点和运动不确定情况的出现。
机构死点位置
4. 管道机器人运动机构仿真
4.1 铲斗铲灰
液压装置1来控制铲斗的旋转，主机通过分析计算来控制该液压装置的伸缩量，机构设计合理，在不会出现死点位置时，机构有两个摆动极限位置：分别如下图所示
（1）机构运动定义如下
当收缩量最大是：
当拉伸量最大是：
铲斗举升
液压装置2来实现铲斗举升，主机通过分析计算来控制该液压装置的伸缩量，机构设计合理，在不会出现死点位置时，机构有两个摆动极限位置：分别如下图所示
最底点：铲斗开始铲灰
最高点：机器人移动，将灰铲走
铲斗旋转
中间连接装置采用轴承连接，通过液压马达来实现轴的转动，这样机构可以减小左右抖动，防止炉灰抖落。可完成360旋转，保证完全清理炉灰。
结 论
根据管道清灰技术要求，提出采用履带式管道清灰机器人设计方案，操作臂选用正转六连杆机构。分析了铲斗转角差和卸载角，给出铲斗最佳铲掘位置和卸载位置，分析了该机构的死点位置，提出避免死点的方法。从机构学的角度说明管道清灰机器人结构的合理性。为机器人的下一步研究提供了坚实的基础。
1、在充分了解国内外管道机器人现状的后，提出采用履带示管道机器人的设计方案。该机器人主要有操作臂和移动机构组成。操作臂主要由铲斗、动臂、旋转前臂、旋转臂、转斗油缸及举升油缸等组成，操作臂具有2个自由度。行走机构由三个呈120度的履带轮组成，与管壁底部接触的两个呈120度的履带为固定履带，与管壁顶部接触的履带为可伸缩式的。采用这种移动装置可使机器人在管道内的砂状灰上行走增加稳定性和附着力，防止机器人陷在灰内或打滑无法前进。
2、采用当前应用广泛的三维参数化造型软件Pro/E，完成了基于特征的参数化管道清灰机器人结构建模，建立了虚拟样机，真实地表达了管道清灰机器人的物理样机，为机器人的后续研究如运动学、动力学、控制等的研究奠定了基础。
3、对管道清灰机器人虚拟样机的运动约束进行了分析并做出了仿真动画。
致 谢
本文是在导师刘晓琴的精心指导、反复修改下完成的。三个多月以来，导师在学习上对我严格要求，热情鼓励并给了我耐心细致的指导。导师待人热情，学风严谨，思想活跃，知识渊博。她对我的范文提出了许多宝贵的建议和意见，使我澄清了不少模糊的概念和认识。没有导师平时的严格要求和悉心教诲，本文是不可能顺利完成的；而且导师开阔的视野、敏锐的洞察力、严谨的治学风范使我终生受益；她兢兢业业、不辞劳苦的工作态度，诚实做人的人生观使我敬佩。她严谨的治学态度和高尚的人格必将对我以后的学习和工作产生非常积极的影响。在此谨向刘老师表示诚挚的感谢和崇高的敬意！
此外还要衷心感谢周围同学的友好合作与对本人的热情帮助！
衷心感谢所有在学习上，生活中对我友情帮助和大力支持的老师和同学！
参考文献
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