道路管道施工辅助机器人设计及控制(2)

　　根据串、并联结构的优缺点以及要设计的机构特点，选择串联机构较为合适，理由如下：串联机构就能保证工程机械施工所需的较低精度；负载是切削土壤的阻力，比较小，不需要并联机构的高负载能力；本机械用于一般的工程施工，为了能够得到广泛应用，造价不能太高，故选用空间杆系串联机构。该机构杆件末端基点具有3个自由度，通过改变杆件长度、绕基点转动和沿基点移动3种方式来加以实现[5]。通过以上3种基本运动形式就能够设计初步模型，下面给出2 种设计方案。
　　1.1 方案一
　　图1是对方案一的描述。机构由3个部分组成，平板是整个机构的载体，行走装置安装于它的下方；与平板连接的杆件起固定手臂的作用，它与平板组成转动副；手臂的一端与杆件组成转动副，另一端是用来安装切削刀具的。这样的机构在工作时，行走部分将机车运输到指定位置后，手臂末端的刀具开始切削土壤，通过2个转动副的相互转动，刀具可以做圆周运动，这样用较小的刀具就能够切削出很大的孔，而且机车的体积不受刀具影响。
　　1.2 方案二
　　图2是对方案二的描述，机构由4个部分组成，底板是整个机构的载体，下方安装行走装置；与底板连接的是杆件1，与方案一不同的是，它们之间不是转动副而是固定的；杆件2与杆件1通过转动副连接；手臂末端与杆件2组成移动副，另一端安装切削刀具。机构工作时，机车到达工作区域后停止行走，刀头转动并通过移动副向前切削土壤，移动一段距离后返回到初始位置，然后机车再向前一段距离，刀头继续工作，如此反复。这个机构是直接工作的，所以刀头只能挖掘一种尺寸的孔，机车的体积也受到刀具体积的限制。
　　比较上述2个方案，本次设计选用方案二的串联机构，理由如下。
　　（1）切削工作时，方案一是机车一边行走，刀头一边切削土壤，这样定位比较困难；而方案二是机车停止后通过移动副向前工作。
　　（2）方案一中刀头体积不限制机车的体积，刀头通过2个转动副绕曲线转动，但控制起来比较困难；而方案二的刀头只绕自身转动，控制比较方便，同时这使机车的体积受到限制。
　　（3）由于方案一必须控制2个转动副转动才能使切削刀头按指定的轨迹切削土壤，这样控制起来比较困难；而方案二需要控制的只有移动副的伸缩，比较简单。
　　综上所述，选用方案二的串联机构作为本次设计的机构。
　　2 机器人机械部分设计
　　2.1 切削刀头
　　首先，设计要求铺设管道的直径为0.8～1.6 m，相对较大，所需要的刀头也较大，故不能采用一体设计。根据实际要求，将切削刀头分为3个部分（图3）：第一部分是钻孔部分，主要用来引导刀头前进；第二部分主要起过渡和扩孔的作用；第三部分是切削主体部分。
　　第一部分是在参考钻头结构的基础上设计的，在切削土壤时，主要用来定位、钻孔，使得后面的切削刀头部分能够正常工作，由于重量、体积等限制，这部分体积应较小。
　　第二部分是设计类似锥齿轮，主要是连接刀头的前后2个部分，起过渡作用，同时，在第一部分钻孔的基础上，对孔进行扩大。
　　第三部分是挖掘部分，切削叶片主要的作用是对土壤进行切削，它的结构类似叶轮叶片，由于叶片的形状特殊，整个叶片逐渐进入土壤中，这样可以避免刀头受到很大的切削阻力，同时，切削下来的土壤不会滞留在叶片上，减少一部分切削阻力。
　　2.2 螺旋输土装置

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