本文是一篇机械论文， 笔者根据机器人的结构特点，使用D-H参数法结合坐标变换理论，建立机器人的运动学模型并求解齐次变换矩阵，并在Matlab中仿真连杆模型，完成机器人的工作空间分析，验证运动学模型的正确性。
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
铁路罐车是运输石化行业液体原料及成品的主要手段，运输的产品大多是易燃易爆，对人体有害的危险品，运输和管理不恰当就会发生危险事故，严重的会造成人员伤亡。
铁路罐车内部清洗是企业液体原料及产品运输过程中不可缺少的一部分，清洗工作主要分为三种类型：
1.铁路罐车按照规定[1]，进行定期维修保养；
2.换装运输对象之前，需进行内部清洗；
3.运输产品成分发生变化，为了保证运输质量，需要进行清洗，所以每年的罐车清洗工作量是非常巨大的。
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铁路罐车种类分为：G50、G60/G60A、G70/G70A型轻油铁路罐车，G12、G17/G17B粘油铁路罐车等等，本文以G70/G70A型轻油铁路罐车为基体进行机器人设计。
铁路罐车的清洗三种方法为：高温蒸汽法、药剂法和高压水射流法。高温蒸汽法在清洗过程中需要工人进入罐体内部作业且能源需消耗较大[2]，蒸汽法是较为原始的清洗方法，早已不适用于现今的环保、高效等工业生产理念，势必会被市场所淘汰；对于化药剂学清洗法[3]，在清洗过程中使用化学清洗药剂，势必会对罐体有所腐蚀，严重影响罐车的使用寿命，且清洗剂自身也会对罐体造成二次污染，所以化学清洗是不适用于罐车内部的清洗领域的；高压水射流清洗方法是一种高效环保的清洗方法，在国内外清洗领域都有很广泛的应用 [4-5]。但针对罐车内部的高压水射流自动化清洗设备却发展缓慢，原因是缺乏水射流在高效清洗罐车内部时的参数数据，判断清洗效果的方式主要是通过人工携带清洗质量检测设备进入罐体内部进行对油污严重位置进行判断，这势必会造成危险性高，劳动强度大等问题，且定点式的大范围水射流很难针对罐车的底部油污进行重点的喷射清洗，势必造成大量的资源浪费。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 铁路罐车自动化清洗设备
国内最早的清洗机器人在2007年由程志学[6]提出，如图1.2所示，罐车清洗机器人由清洗喷枪(1)和机械臂, 机械臂具有机座(5)、转动系统和进给系统等，包括：携带清洗喷枪转动的水平转动系统(13,14)和竖直转动系统(11,12), 携带清洗喷枪水平移动的进给系统 (3,7,8,9)和喷头调整系统(2)组成。该机器人可在罐体内的灵活运动，但机器人的多种电气设备不适用与在易燃易爆的环境中工作，安全性得不到保障。
同年李树等[7]对罐车清洗机器人进行改善，如图1.3所示，进给系统由连杆传动的方式改进为可伸缩的液压杆，配合固定在人孔的移动装置可对罐体内部进行定点清洗，改善了使用电机的安全隐患，但同时设备较为笨重，且运动灵活性较差，因此设备不具有广泛的适用性。
为改善机构在罐体内部运动灵活性的同时使整机的结构更为紧凑，2013年孟昭兴等[8]提出了一种罐车清洗机构，如图1.4(a)所示，采用一段刚性弧形管件作为机构主体，工作时使弧形管件定点旋转，使管件的端点进入到罐体内部，再由端点的三维喷头进行清洗工作。2015年张国柱等[9]发明的新型罐车清洗机，如图1.4(b)所示，机构由：机座，清洗组件，水平转向机构和进给机构，以及竖直进给机构组成。水平和竖直的多种运动机构可以使机构在罐体内灵活的运动，尤其是水平进给运动依靠多关节挠性杆件来实现，在关节位置采用固连的方式，大大提高了机构可以承受的射流载荷，提高了清洗效率。
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第二章 结构设计与高压水射流分析
2.1 工作环境分析和性能指标
2.1.1 工作条件分析
机器人面对的工作环境大多为狭小，非结构空间的环境，如人体内部，设备内部等属于狭小空间，而如工厂管道、油气管道等复杂环境属于非结构空间，还有如地震废墟、地下矿洞等属于两种结合的工作环境。
不同的工作环境决定机器人设计理念的不同，狭小空间的工作环境对机构的灵活性，外形及尺寸等都有较高的要求，工作时将机器人运动至指定地点完成工作即可，不需要整机进入工作工件中；非结构工作空间的工作位置往往处于机器人工作范围之外，此时机器人需要独立运动，使自身进入到工作位置之内再进行工作，所以对机器人的驱动系统，尺寸和负载能力等都有相应的要求。
本文所研究的面向槽车罐体内部清洗机器人工作环境是与飞机油箱类似的狭小危险的环境，故而只需机器人操作臂进入罐体内部完成清洗等作业即可，油罐模型图及参数如下图2.1所示：
罐体主要包括筒体、封头和人孔等结构。罐体各结构尺寸如下：
1. 筒体：筒体外直径为 3000mm，壁厚为 10mm，长度为 10000mm； 2. 封头：封头使用 1:2.5 标准椭圆封头； 3. 人孔：人孔外直径为 500mm，壁厚为 10mm。 罐体参数为：使用Q345A，设计温度50℃，屈服极限s=345MPa，弹性模量 E=206GPa，泊松比μ=0.28，密度为ρ =7850 kg/m3。
基于此前提，油罐清洗机器人需要具备以下条件：
1. 结构包络尺寸精巧：机械臂需要通过罐体中部顶端的人孔进入罐体内部，故而对机械臂的外形尺寸有要求； 2. 运动灵活性：由于机器人的结构尺寸被限制，且机器人的工作范围与运动灵活性呈正相关，使用合适的自由度保证机器人工作范围； 3. 一定的负载能力：机械臂末端布置高压喷头来对罐体进行高压水射流清洗，机械臂需要携带水管，且要承受高压水射流的反冲力； 4. 安全性和耐久性：由于机械臂是在极其危险的易燃易爆环境下工作，且因为是清洗的工作性质，所以对机器人的安全性有极高要求。
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2.2驱动方式
传统的机器人驱动方式采用的是电机通过减速器，再经过一系列传动组件，将动力传输至关节转动轴，此种驱动方式无法将机器人的外形简化至用于从人孔进入罐体的外形及尺寸，且传统的驱动方式电机将位于机械臂内部，在罐体内这种充满油气的环境中工作时，安全性无法得到解决。故而选择将电机放置与罐体外对机器人进行驱动的方式。
电机外置的方式相比于电机经减速直接驱动关节的方式有以下优点：
1. 外置驱动装置可以有效减轻机械臂的重量； 2. 便于检查维修； 3. 安全性得到有效解决。
电机外置的驱动方式一般采用气动、液压和牵引绳等方式将动力由外部电机传递至内部关节处。气动传递动力的方式适用于小载荷的机构中，液压驱动的方式适用于大结构大载荷的情况，但是存在泄漏问题。牵引绳驱动是常使用在电机外置的情况下的驱动方式，同时具有以下优势:
1. 能够传递长距离的负载，根据负载的需要可以选择不同材质的牵引； 2. 绳驱动在油罐内部的易燃易爆涉水的环境下比电机减速后与机械臂直连的驱动方式更加安全可靠； 3. 由于驱动绳的特性，可以实现较大角度的弯曲； 4. 有利于模块化设计。
本文设计的油罐清洗机器人采用绳驱动的方式，牵引绳从材质可分成三类，分别是尼龙绳，镍钛合金金属丝，钢丝绳。其中尼龙绳的柔软性最好，但是不能用于传递较大的拉力；镍钛合金金属丝在一定的温度下有很强的形状记忆性，既可以传递拉力又可以传递推力，但是结合工作环境镍钛合金丝的可靠性较弱；钢丝绳的可靠性好，可以在各种有害介质的恶劣环境下工作，且根据直径的不同，可以传递的拉力比其他材质的牵引绳更大，适合用于大负载的驱动力传递。
重载驱动绳采用6×19股纤维芯钢丝绳，直径为7.7mm，最大破断拉力为4470kg，抗拉强度为200kg/mm2；驱动绳2采用6×19股纤维芯钢丝绳，直径为6.2mm，最大破断拉力为2000kg，抗拉强度均为140kg/mm2，根据钢丝绳的受拉力特性，取驱动绳1的刚性系数为1961.33Mpa，驱动绳2的刚性系数为1372.93mpa。
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第三章 运动学分析 ......................................21
3.1 引言 ............................................ 21
3.2 运动学描述 ................................. 21
第四章 静刚度分析 ...................................29
4.1 引言 ............................................. 29
4.2 雅克比矩阵 .................................... 29
第五章 多目标优化设计 ....................................42
5.1 引言 .................................... 42
5.2 优化模型建立 ............................. 42
第五章 多目标优化设计
5.1 优化模型建立
工作空间作为机器人性能的一项重要标准，在进行机器人设计时需要注意结构尺寸，以保证机器人获得足够的工作空间。机器人优化设计不可避免的会影响机器人的工作空间，因此需要提出工作空间性能指标，以工作空间性能作为优化设计的目标函数，通过优化设计保证机器人的工作空间性能。
本文选择将机器人的臂段2的三根连杆长度作为优化变量，杆长变量同时影响机器人的静刚度性能和工作空间性能，静刚度性能与工作空间性能会随着杆长变化产生相反变化趋势，所以优化变量可选择杆长变量a7，a9和a11。
对优化参数进行灵敏度分析可以探究每个变量对优化目标的影响，从而更好地分析优化结果。优化参数为a7，a9，a11。另参数a7取变化范围为0.6~0.8m，步长为0.025m，参数a9取变化范围为0.5~0.7m，参数a11取变化范围为0.25~0.45m，得出同参数在不同目标下的灵敏度曲线，如下图5.1所示：
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总结与展望
面向铁路罐车内部油污的清洗工作，开发一款绳索驱动分段联动机器人，并对机器人开展相关研究，具体成果如下：
1. 针对铁路罐车清洗工作的特殊工作环境，提出一种电机外置、两臂段联动的绳索驱动机器人机械系统方案。在确定机器人性能指标的基础上，完成对机器人整体的结构设计，机器人的外形、臂展长度、运动方式、驱动方式等参数符合设计要求。
2. 对高压水射流技术进行相关研究，完成水射流参数和喷嘴参数的确定，并结合密闭的工作环境对流场进行仿真，确定水射流的最佳靶距范围，为下文的参数优化设计提供理论依据。
3. 根据机器人的结构特点，使用D-H参数法结合坐标变换理论，建立机器人的运动学模型并求解齐次变换矩阵，并在Matlab中仿真连杆模型，完成机器人的工作空间分析，验证运动学模型的正确性。
4. 结合机器人的运动学模型，求解机器人运动雅克比与力雅克比，根据虚功原理，完成机器人整体静刚度矩阵的建立，在两个假设性条件下，推导关节刚度矩阵，完成机器人静刚度矩阵的求解，提出了两种静刚度矩阵评价方法并进行仿真分析，得到机器人静刚度在全域范围的分布情况。
5. 建立机器人的多目标参数优化模型，采用NSGA-Ⅱ的优化算法对机器人静刚度性能和最大工作空间性能进行优化设计，使机器人的性能大幅提高，为机器人的工程应用奠定了基础。
参考文献（略）