基于TRIZ 理論的煤礦井下巡檢機(jī)器人導(dǎo)向輪設(shè)計(jì)及分析

羅 寅 王子懿 王智慧

（安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南232001）

煤礦井下巡檢機(jī)器人廣泛應(yīng)用于礦井下的安全、測(cè)量、排爆以及救援。關(guān)于煤礦井下巡檢機(jī)器人有許多的研究[1-2]，周明靜等[3]研制了一種軌道式的礦用井下巡檢機(jī)器人。TRIZ理論可以幫助人們突破思維定式，啟發(fā)創(chuàng)造潛能，極大地縮短發(fā)明周期[4]。楊培等[5]利用TRIZ 理論對(duì)快遞電動(dòng)車進(jìn)行分析，優(yōu)化了電動(dòng)車的車廂，解決了車廂空間利用率不高的問題，劉曉雯[6]利用TRIZ 理論設(shè)計(jì)了一種新型長(zhǎng)生果柔性去殼機(jī)，提高了長(zhǎng)生果設(shè)備的剝凈率，降低了破損率。楊友勝等[7]利用TRIZ理論設(shè)計(jì)了一種深海液壓電磁閥，為深海機(jī)械設(shè)備研發(fā)提供了新思路。

1 問題分析

近年來(lái)越來(lái)越多人開始研究煤礦井下巡檢機(jī)器人，因其可以提供巡檢、救援、排爆等功能，在煤礦井下作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有的巡檢機(jī)器人面對(duì)井下復(fù)雜的路況，存在行走困難，易受起伏地形的影響等問題。隨著井下巡檢機(jī)器人的搭載的儀器越來(lái)越精密，現(xiàn)有的巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)很難滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的工作需求。而且現(xiàn)有研究已經(jīng)到達(dá)瓶頸，人們需要突破思維定式，激發(fā)創(chuàng)新思維，設(shè)計(jì)出一種具有越障能力的巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)。

2 系統(tǒng)分析

2.1 魚骨圖分析法

魚骨圖分析法是一種利用類似魚骨的圖形進(jìn)行分析，不斷細(xì)化矛盾，最終發(fā)現(xiàn)問題產(chǎn)生的根本原因的方法，通過(guò)魚骨圖來(lái)對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行非定量分析，分析結(jié)果如圖1 所示。由以上分析可以得出，巡檢機(jī)器人越障能力不足的根本原因是缺乏越障輔助設(shè)備。

圖1 煤礦井下巡檢機(jī)器人魚骨分析圖

2.2 九屏幕法

九屏幕法不僅僅要考慮到當(dāng)前系統(tǒng)，也要以空間為軸考慮到它的子系統(tǒng)和超系統(tǒng)。同時(shí)以時(shí)間為軸線考慮到各個(gè)系統(tǒng)的當(dāng)前、過(guò)去和未來(lái)。針對(duì)原有的巡檢機(jī)器人缺乏越障輔助設(shè)備的問題，使用九屏幕法對(duì)其進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖2 所示，由以上分析可得解決這一問題的方法是設(shè)計(jì)一種有越障能力的巡檢機(jī)器人。

圖2 煤礦井下巡檢機(jī)器人九屏幕分析圖

2.3 完備性法則

完備性法則是一種可以幫助我們分析系統(tǒng)的各個(gè)部分能否可以組成一個(gè)完備的技術(shù)方案。運(yùn)用完備性法則分析的系統(tǒng)必須包含動(dòng)力裝置、傳輸裝置、執(zhí)行裝置和控制裝置。分析結(jié)果如圖3所示。由以上分析可以得出，設(shè)計(jì)出的有導(dǎo)向輪的煤礦井下巡檢機(jī)器人滿足完備性法則，可以組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)完備性法則

3 基于物- 場(chǎng)分析的導(dǎo)向輪設(shè)計(jì)

因?yàn)閷?dǎo)向輪有較大的高度調(diào)節(jié)范圍，可以適應(yīng)不同地形，所以在原有的煤礦井下巡檢機(jī)器人底盤上增添了導(dǎo)向輪，其物- 場(chǎng)分析模型如圖4 所示，原先的巡檢機(jī)器人的底盤在行走的過(guò)程中容易受到地形的影響，遇到障礙物時(shí)，容易與障礙物產(chǎn)生磕碰，通過(guò)增加導(dǎo)向輪，避免了底盤直接與障礙物接觸，從而提高了巡檢機(jī)器人的越障能力，導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)如圖5 所示。

圖4 行走機(jī)構(gòu)的物- 場(chǎng)模型

圖5 導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)圖

4 導(dǎo)向輪支架靜力學(xué)分析

ANSYS 是一種被普遍運(yùn)用在機(jī)械零件分析的軟件。應(yīng)用ANSYS/Workbench 對(duì)導(dǎo)向輪支架進(jìn)行分析，導(dǎo)向輪支架材料選用結(jié)構(gòu)鋼，結(jié)構(gòu)劃分實(shí)體單元4216 個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為8774。對(duì)導(dǎo)向輪支架頂部進(jìn)行固定約束，并且對(duì)工作部位工作載荷，得到的結(jié)果如圖6 所示。其最大變形量為0.00082384mm，最大應(yīng)力為3.9547MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限。

圖6 支架仿真分析結(jié)果圖

5 結(jié)論

由于現(xiàn)有的煤礦井下巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，造成其越障能力不足等問題。通過(guò)使用TRIZ 理論將工程技術(shù)問題轉(zhuǎn)化為TRIZ 問題，再使用魚骨圖分析法、九屏幕法等TRIZ 理論思維方法找出問題發(fā)生的原因是缺乏越障輔助機(jī)構(gòu)，通過(guò)物- 場(chǎng)分析模型，在原有的煤礦井下巡檢機(jī)器人底盤上增添了導(dǎo)向輪，提高了其越障能力，為以后的科研提供了新的思路。最后，對(duì)導(dǎo)向輪支架進(jìn)行了靜力學(xué)分析，由仿真結(jié)果可得，該導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)完全符合設(shè)計(jì)要求，在正常工況下使用是安全可靠的。