張偉，徐鋒，劉永睿，于福龍

（1.丹東東方測控技術(shù)股份有限公司，遼寧丹東 118000；2.遼寧省科學(xué)技術(shù)館，遼寧沈陽 110167）

1 應(yīng)用場景及研發(fā)背景

軌道式智能巡檢機(jī)器人可替代人工，實現(xiàn)遠(yuǎn)程例行巡查，在事故和特殊情況下可實現(xiàn)特殊巡檢和定制性巡檢任務(wù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，在減少人工的同時，大大提升運(yùn)維的范圍和頻率，改變傳統(tǒng)巡檢方式，實現(xiàn)巡檢智能化。智能巡檢機(jī)器人定制化攜帶攝像頭，定制化多種檢測傳感器，通過測溫?zé)岢上駜x，采用視覺識別技術(shù)，可自主完成智能巡檢及分析。目前礦山運(yùn)輸中普遍存在皮帶生產(chǎn)線較多、距離特別長、傳統(tǒng)人工巡檢工作風(fēng)險性高且精度不足等問題。安裝紅外攝像頭、熱成像儀、光學(xué)攝像機(jī)、拾音傳感器、煙霧報警器、危險氣體探測器的智能巡檢機(jī)器人可有效采集生產(chǎn)場地周圍的圖像、聲頻、溫度環(huán)境、煙霧、不明氣體等信息，并將信息及時反饋給指揮調(diào)度中心，提升事故隱患的預(yù)警和檢測效率，同時完成了巡檢工作的“去人工化”，減少了該項工作的人工成本投入，提高了礦山運(yùn)輸安全與生產(chǎn)安全[1,2]。

2 項目問題及分析

2.1 當(dāng)前系統(tǒng)功能及組成

功能：輪系驅(qū)動機(jī)器人在軌道行走。組成：主動輪、從動輪、承重輪、導(dǎo)向輪、頂輪、支撐框架。

2.2 當(dāng)前系統(tǒng)工作原理

主動輪提供驅(qū)動力，從動輪提供壓緊力，承重輪承載巡檢機(jī)器人重量，導(dǎo)向輪為機(jī)器人作方向?qū)б?，頂輪減少機(jī)器人行走過程中的上下振動，支撐框架用于整套輪系連接。

2.3 當(dāng)前系統(tǒng)的主要問題

機(jī)器人越障性差，在高粉塵環(huán)境中運(yùn)行效果差。

3 使用TRIZ工具分析

3.1 功能分析

通過功能分析，明確功能對象，掌握組成部分的各種功能，明確各項功能之間的相互作用關(guān)系[3,4]。

a)功能分析——組件分析。技術(shù)系統(tǒng)：主動輪、從動輪、承重輪、導(dǎo)向輪、頂輪、支撐框架，超系統(tǒng)：粉塵、溫度、濕度、廠房，作用對象：軌道。圖1 所示為功能模型分析圖。

圖1 功能模型分析圖

b)功能分析——相互作用分析表，見表1。通過相互作用分析表掌握各組件之間的相互作用關(guān)系。

表1 相互作用分析表

c)功能分析——功能模型表，見表2。通過功能模型表，對各組件的功能進(jìn)行分析，并劃分等級，予以評分。

表2 功能模型表

d) 功能分析——功能模型分析。對巡檢系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立行走機(jī)構(gòu)模型，定義組件和超系統(tǒng)組件，在輪系行走時頂輪會有與運(yùn)動方向相反的摩擦力。

通過裁剪法，得到方案（1）：去除頂輪，依靠導(dǎo)向輪提供壓緊力，減小摩擦力，提升輪系越障性[5,6]。

3.2 最終理想解

見表3 最終理想解分析表，通過最終理想解，得到方案如下：

表3 最終理想解分析表

方案（2）設(shè)計快捷調(diào)整夾塊，適應(yīng)溫差變化大等特殊情況。

方案（3）采用磁懸浮技術(shù)，實現(xiàn)機(jī)器人智能巡檢。

方案（4）在落料口安裝除塵器，對粉塵進(jìn)行收集、處理[7]。

3.3 九屏幕法[8,9]

通過系統(tǒng)過去、現(xiàn)在、未來利用九屏幕法分析系統(tǒng)，如圖2 所示。通過對系統(tǒng)資源進(jìn)行查找，得到如下解決方案。

圖2 九屏分析圖

方案（5）：增加機(jī)械密封、迷宮密封等防灰效果好的防灰措施。

方案（6）：選用先進(jìn)、輕便、加工性好的碳纖維材料，降低輪系重量。

方案（7）：應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行特定環(huán)境巡檢。

3.4 因果分析[10]

因果分析是TRIZ 方法中尋找工程問題根本原因的主要工具。通過深入工程問題，層層分析，最終找到關(guān)鍵原因。從組件功能模型分析建立因果鏈，造成煤矸的主要原因如圖3 因果鏈分析圖所示。

圖3 因果鏈分析圖

4 運(yùn)用TRIZ工具解決

4.1 矛盾分析[11,12]

a) 技術(shù)矛盾一，根據(jù)因果鏈分析中的2.3.1，解決頂輪夾緊力不足問題，如果要提升頂輪夾緊力，就要增加頂輪的預(yù)緊壓力，但輪系整體能耗增加。將問題模型標(biāo)準(zhǔn)化為對應(yīng)的39 個通用工程參數(shù)： 改善的是NO.11 壓力，惡化的參數(shù)NO.19 動物能耗。通過查矛盾矩陣表得出可使用的發(fā)明原理有：NO.14 曲面化原理、NO.24 中介物原理、NO.10 預(yù)操作原理、NO.37 熱膨脹原理。根據(jù)矛盾分析，可使用NO.14 曲面化原理，將物體的直線部分用曲線或球面代替。

方案（8）：將圓柱形頂輪更改為曲面頂輪，降低輪系整體阻力及能耗，同時解決機(jī)器人行駛晃動問題。

b) 運(yùn)用物理矛盾一，頂輪夾緊力既要小又要大。頂輪夾緊力不足，會出現(xiàn)機(jī)器人在運(yùn)行過程中打滑、晃動，夾緊力特別大會出現(xiàn)摩擦增大、電機(jī)負(fù)載、能耗增加問題。采用條件分離得到如下方案。

方案（9）：在頂輪安裝拉力傳感器，保證夾緊力穩(wěn)定、可靠。

c) 技術(shù)矛盾二，根據(jù)因果鏈分析中的2.2.3，解決機(jī)器人轉(zhuǎn)向時承重輪摩擦阻力大的問題，可以增加回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，降低輪系阻力，但裝置復(fù)雜性增加。將問題模型標(biāo)準(zhǔn)化為對應(yīng)的39 個通用工程參數(shù)：

改善的是NO.10 力，惡化的參數(shù)為NO.36 裝置復(fù)雜性，通過查矛盾矩陣表得出可使用的發(fā)明原理有：NO.26 復(fù)制、NO.35 參數(shù)變化、NO.10 預(yù)操作、NO.18 振動 ，根據(jù)矛盾分析，可使用NO.10 預(yù)先作用，預(yù)置必要的動作、機(jī)能，得到如下方案。

方案（10）將導(dǎo)向輪組件增加回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，當(dāng)輪系沿軌道轉(zhuǎn)向時，可預(yù)先轉(zhuǎn)動，降低輪系阻力。

d) 運(yùn)用物理矛盾二，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)向輪距離軌道既要近又要遠(yuǎn)。由于增加回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎行駛時，導(dǎo)向輪要根據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑的不同，提供不同的壓緊力 ，彈簧鋼材質(zhì)可根據(jù)軌道形狀自適應(yīng)壓緊軌道。采用條件分離原理，得到如下方案。

方案（11）選擇板簧作為導(dǎo)向輪支撐件，可以使導(dǎo)向輪在轉(zhuǎn)彎時以合適的壓緊力與軌道接觸，既不增加額外的摩擦力，節(jié)約能耗，又保證輪系行駛狀態(tài)平穩(wěn)。

4.2 物-場分析[13,14]

用物-場分析法對當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行分析，并改進(jìn)當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)的功能。

當(dāng)前系統(tǒng)物-場模型的技術(shù)系統(tǒng)是，機(jī)器人在行駛過程中，主動輪提供驅(qū)動力，使輪系沿軌道前進(jìn)，但皮帶廊內(nèi)粉塵嚴(yán)重，導(dǎo)致主動輪打滑，越障性變差，當(dāng)前的物S1 是軌道，物S2 是輪系，場F 是機(jī)械場。輪系S2 利用機(jī)械場F 作用于軌道S1。因為輪系S2 無法利用機(jī)械場F 在軌道S1 順暢行駛，所以輪系S2 作用于軌道S1 是一個效應(yīng)不足的完整模型。

利用76 個標(biāo)準(zhǔn)解引入場S2.1 向符合物場模型進(jìn)化中的S2.1.1 引入物質(zhì)，向串聯(lián)式物場模型進(jìn)化。增加新的動力場F2 和新物質(zhì)水S3,利用水清除粉塵，減少行駛阻力，得到如下方案。

方案（12）增加新物質(zhì)，高壓水清除軌道粉塵。

方案（13）使用風(fēng)機(jī)，大風(fēng)量氣體清除軌道粉塵。

方案（14）使用高壓空氣炮清除軌道粉塵。

5 方案評估

綜合節(jié)約成本、適應(yīng)性、可維護(hù)性、易加工性、創(chuàng)新性等因素，上述技術(shù)方案中最優(yōu)方案為8、9、10、14，較優(yōu)方案為2、5、11，方案較差的是1、3、4、6、7、12、13，因此本創(chuàng)新創(chuàng)意最終方案確定為方案2、5、8、9、10、11、14 相結(jié)合的方式。

6 解決方案實施情況

（1）實現(xiàn)智慧工廠，提升整體管理水平。

（2）規(guī)范設(shè)備操作流程，加強(qiáng)安全管理。

（3）打造行業(yè)標(biāo)桿，提升企業(yè)社會形象。

（4）解決巡檢人員在高原、高空、高危、高塵等惡劣環(huán)境下作業(yè)難的問題。

軌道巡檢系統(tǒng)已遠(yuǎn)銷俄羅斯、巴西等地，在我國西藏、新疆、內(nèi)蒙古等10 余個?。ㄗ灾螀^(qū)），已成功運(yùn)行。

年產(chǎn)50 余套，每套系統(tǒng)平均200 萬（含軟件、軌道鋪設(shè)）。

7 結(jié)語

本文應(yīng)用TRIZ 方法對智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)升級，能夠使機(jī)器人更好地適應(yīng)礦山皮帶廊等惡劣環(huán)境。滿足現(xiàn)場的巡檢要求，優(yōu)化巡檢質(zhì)量，提升選廠智能化水平、提高經(jīng)濟(jì)效益。