利用TRIZ创新方法提高轨道巡检机器人矿山应用的适应性

2023-02-19张伟徐锋刘永睿于福龙

创新创业理论研究与实践 2023年2期

张伟，徐锋，刘永睿，于福龙

（1.丹东东方测控技术股份有限公司，辽宁丹东 118000；2.辽宁省科学技术馆，辽宁沈阳 110167）

1 应用场景及研发背景

轨道式智能巡检机器人可替代人工，实现远程例行巡查，在事故和特殊情况下可实现特殊巡检和定制性巡检任务，实现远程在线监测，在减少人工的同时，大大提升运维的范围和频率，改变传统巡检方式，实现巡检智能化。智能巡检机器人定制化携带摄像头，定制化多种检测传感器，通过测温热成像仪，采用视觉识别技术，可自主完成智能巡检及分析。目前矿山运输中普遍存在皮带生产线较多、距离特别长、传统人工巡检工作风险性高且精度不足等问题。安装红外摄像头、热成像仪、光学摄像机、拾音传感器、烟雾报警器、危险气体探测器的智能巡检机器人可有效采集生产场地周围的图像、声频、温度环境、烟雾、不明气体等信息，并将信息及时反馈给指挥调度中心，提升事故隐患的预警和检测效率，同时完成了巡检工作的“去人工化”，减少了该项工作的人工成本投入，提高了矿山运输安全与生产安全[1,2]。

2 项目问题及分析

2.1 当前系统功能及组成

功能：轮系驱动机器人在轨道行走。组成：主动轮、从动轮、承重轮、导向轮、顶轮、支撑框架。

2.2 当前系统工作原理

主动轮提供驱动力，从动轮提供压紧力，承重轮承载巡检机器人重量，导向轮为机器人作方向导引，顶轮减少机器人行走过程中的上下振动，支撑框架用于整套轮系连接。

2.3 当前系统的主要问题

机器人越障性差，在高粉尘环境中运行效果差。

3 使用TRIZ工具分析

3.1 功能分析

通过功能分析，明确功能对象，掌握组成部分的各种功能，明确各项功能之间的相互作用关系[3,4]。

a)功能分析——组件分析。技术系统：主动轮、从动轮、承重轮、导向轮、顶轮、支撑框架，超系统：粉尘、温度、湿度、厂房，作用对象：轨道。图1 所示为功能模型分析图。

图1 功能模型分析图

b)功能分析——相互作用分析表，见表1。通过相互作用分析表掌握各组件之间的相互作用关系。

表1 相互作用分析表

c)功能分析——功能模型表，见表2。通过功能模型表，对各组件的功能进行分析，并划分等级，予以评分。

表2 功能模型表

d) 功能分析——功能模型分析。对巡检系统进行分析，建立行走机构模型，定义组件和超系统组件，在轮系行走时顶轮会有与运动方向相反的摩擦力。

通过裁剪法，得到方案（1）：去除顶轮，依靠导向轮提供压紧力，减小摩擦力，提升轮系越障性[5,6]。

3.2 最终理想解

见表3 最终理想解分析表，通过最终理想解，得到方案如下：

表3 最终理想解分析表

方案（2）设计快捷调整夹块，适应温差变化大等特殊情况。

方案（3）采用磁悬浮技术，实现机器人智能巡检。

方案（4）在落料口安装除尘器，对粉尘进行收集、处理[7]。

3.3 九屏幕法[8,9]

通过系统过去、现在、未来利用九屏幕法分析系统，如图2 所示。通过对系统资源进行查找，得到如下解决方案。

图2 九屏分析图

方案（5）：增加机械密封、迷宫密封等防灰效果好的防灰措施。

方案（6）：选用先进、轻便、加工性好的碳纤维材料，降低轮系重量。

方案（7）：应用无人机进行特定环境巡检。

3.4 因果分析[10]

因果分析是TRIZ 方法中寻找工程问题根本原因的主要工具。通过深入工程问题，层层分析，最终找到关键原因。从组件功能模型分析建立因果链，造成煤矸的主要原因如图3 因果链分析图所示。

图3 因果链分析图

4 运用TRIZ工具解决

4.1 矛盾分析[11,12]

a) 技术矛盾一，根据因果链分析中的2.3.1，解决顶轮夹紧力不足问题，如果要提升顶轮夹紧力，就要增加顶轮的预紧压力，但轮系整体能耗增加。将问题模型标准化为对应的39 个通用工程参数：改善的是NO.11 压力，恶化的参数NO.19 动物能耗。通过查矛盾矩阵表得出可使用的发明原理有：NO.14 曲面化原理、NO.24 中介物原理、NO.10 预操作原理、NO.37 热膨胀原理。根据矛盾分析，可使用NO.14 曲面化原理，将物体的直线部分用曲线或球面代替。

方案（8）：将圆柱形顶轮更改为曲面顶轮，降低轮系整体阻力及能耗，同时解决机器人行驶晃动问题。

b) 运用物理矛盾一，顶轮夹紧力既要小又要大。顶轮夹紧力不足，会出现机器人在运行过程中打滑、晃动，夹紧力特别大会出现摩擦增大、电机负载、能耗增加问题。采用条件分离得到如下方案。

方案（9）：在顶轮安装拉力传感器，保证夹紧力稳定、可靠。

c) 技术矛盾二，根据因果链分析中的2.2.3，解决机器人转向时承重轮摩擦阻力大的问题，可以增加回转机构，降低轮系阻力，但装置复杂性增加。将问题模型标准化为对应的39 个通用工程参数：

改善的是NO.10 力，恶化的参数为NO.36 装置复杂性，通过查矛盾矩阵表得出可使用的发明原理有：NO.26 复制、NO.35 参数变化、NO.10 预操作、NO.18 振动，根据矛盾分析，可使用NO.10 预先作用，预置必要的动作、机能，得到如下方案。

方案（10）将导向轮组件增加回转机构，当轮系沿轨道转向时，可预先转动，降低轮系阻力。

d) 运用物理矛盾二，回转机构内的导向轮距离轨道既要近又要远。由于增加回转机构，机器人在转弯行驶时，导向轮要根据转弯半径的不同，提供不同的压紧力，弹簧钢材质可根据轨道形状自适应压紧轨道。采用条件分离原理，得到如下方案。

方案（11）选择板簧作为导向轮支撑件，可以使导向轮在转弯时以合适的压紧力与轨道接触，既不增加额外的摩擦力，节约能耗，又保证轮系行驶状态平稳。

4.2 物-场分析[13,14]

用物-场分析法对当前系统进行分析，并改进当前技术系统的功能。

当前系统物-场模型的技术系统是，机器人在行驶过程中，主动轮提供驱动力，使轮系沿轨道前进，但皮带廊内粉尘严重，导致主动轮打滑，越障性变差，当前的物S1 是轨道，物S2 是轮系，场F 是机械场。轮系S2 利用机械场F 作用于轨道S1。因为轮系S2 无法利用机械场F 在轨道S1 顺畅行驶，所以轮系S2 作用于轨道S1 是一个效应不足的完整模型。

利用76 个标准解引入场S2.1 向符合物场模型进化中的S2.1.1 引入物质，向串联式物场模型进化。增加新的动力场F2 和新物质水S3,利用水清除粉尘，减少行驶阻力，得到如下方案。

方案（12）增加新物质，高压水清除轨道粉尘。

方案（13）使用风机，大风量气体清除轨道粉尘。

方案（14）使用高压空气炮清除轨道粉尘。