基于TRIZ理論的清潔機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)

黃巍嶺張振宇趙東鳴唐巨新

(山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101)

0 引言

隨著工業(yè)化的發(fā)展，管道在石油、天然氣、污水廢水廢氣等輸送方面的應(yīng)用越來越多。隨之而來的管道堵塞及其清理成為影響傳輸效率的問題[1]。智能化成為管道清潔的重要突破點(diǎn)，管道機(jī)器人由此誕生。管道機(jī)器人是一種可沿細(xì)小管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)[2]。按照運(yùn)動(dòng)方式，當(dāng)前的管道機(jī)器人主要有輪式、蠕動(dòng)式、履帶式、腳式等4種[3-4]。如(株)百斯特環(huán)境產(chǎn)業(yè)發(fā)明設(shè)計(jì)的由輪子驅(qū)動(dòng)、運(yùn)用高壓空氣清潔管道的機(jī)器人[5]；王文月等[6]發(fā)明設(shè)計(jì)的由圓刷旋轉(zhuǎn)清潔管道內(nèi)壁，同時(shí)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)接觸管道內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一種往復(fù)式管道清潔機(jī)器人。然而，無論是輪式還是履帶式在管道內(nèi)只能水平行進(jìn)，清潔管道的范圍大大降低，且現(xiàn)有的機(jī)器人多數(shù)為物理清洗，對(duì)于同一個(gè)地方的清潔方式比較單一，容易出現(xiàn)清潔不徹底的現(xiàn)象；往復(fù)式機(jī)器人的應(yīng)用雖然部分解決了這一問題，但是清潔的效率卻大大降低。

發(fā)明問題解決理論TRIZ(Theory of the Solution of Inventive Problems)是從專利中抽象出來的、解決發(fā)明問題的基本方法，多適用于新出現(xiàn)的發(fā)明問題，可以幫助人們獲得發(fā)明問題的最有效解[7]。陳瀟磊[8]運(yùn)用TRIZ成功地解決了履帶式行走機(jī)構(gòu)攀爬階梯沖角不足以及攀爬階梯時(shí)機(jī)身后傾的問題。國海芝等[9]等應(yīng)用TRIZ理論提供的方法分析問題，借助定義得出其最終理想解，應(yīng)用因果分析得出現(xiàn)有問題的根本原因，提出了解決方案，研制了海參捕撈機(jī)器人。為解決物流行業(yè)普遍存在的勞動(dòng)力大且費(fèi)工費(fèi)時(shí)等問題，程浩杰等[10]研制了一種混聯(lián)式搬運(yùn)機(jī)器人，并基于TRIZ理論結(jié)合系統(tǒng)功能分析和因果分析優(yōu)化設(shè)計(jì)了機(jī)器人。為解決目前鑄件抓手在搬運(yùn)中、大型鑄件和表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜鑄件過程中存在的穩(wěn)定性差、適應(yīng)性不足和工作效率低等問題，王成軍等[11]基于TRIZ理論，結(jié)合因果軸分析、物場分析和技術(shù)矛盾分析等方法，設(shè)計(jì)了一種鑄造機(jī)器人用全向多指異步抓手。近年來，越來越多的人使用TRIZ理論解決一些實(shí)際問題，然而應(yīng)用TRIZ方法設(shè)計(jì)的管道類機(jī)器人仍然較少。

針對(duì)油污管道的清潔困難、耗時(shí)耗力等問題，文章充分利用發(fā)明問題解決理論，設(shè)計(jì)了可對(duì)同一位置多次清洗、噴灑清洗一體的螺旋清洗軸，及可垂直爬升、高穩(wěn)定性的吸盤式履帶裝置；利用離心原理設(shè)計(jì)了與清洗同步進(jìn)行的廢液回收螺旋盤，采用了多層密封軸承設(shè)計(jì)，將廢清洗液輸送管和廢液回收管集合在同一個(gè)部件上。

1 基于TRIZ理論的管道機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.1 問題定義

管道油污使管道的清洗工作變得異常艱難。主要原因是管道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、油污附著力強(qiáng)、機(jī)器人自動(dòng)化程度不夠、行進(jìn)裝置易受干擾等。應(yīng)用TRIZ方法設(shè)計(jì)油污清理徹底、環(huán)保經(jīng)濟(jì)、高效率的機(jī)器人，將問題定義為如何高效地清除管道油污。

1.2 最終理想解

從管道的角度出發(fā)，理想的狀況為管道能夠不附著油污，從而實(shí)現(xiàn)油污的自動(dòng)清理。然而油污的粘性大、附著能力強(qiáng)，顯然無法實(shí)現(xiàn)管道的自清理。因此，根據(jù)理想程度的不同，將問題的理想解定義為設(shè)計(jì)能夠徹底清理油污而不被油污所限制，且沒有污染的管道清潔機(jī)器人。

1.3 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問題定義，利用TRIZ中的矛盾矩陣對(duì)問題進(jìn)行矛盾分析，以尋求解決方案。

1.3.1 機(jī)器人外形的設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)清洗管道，即提高自動(dòng)化程度，將機(jī)器人控制算法比較復(fù)雜這一問題轉(zhuǎn)化為對(duì)可靠性、系統(tǒng)復(fù)雜性和安全性的分析。在矛盾矩陣中找到改善的特征，自動(dòng)化程度特征對(duì)應(yīng)的編號(hào)為43，在惡化的特征中找到可靠性、安全性、系統(tǒng)復(fù)雜性的對(duì)應(yīng)編號(hào)分別為35、37、45。矛盾雙方組成沖突矩陣見表1。其中，02 為分離原理、07為嵌套原理、13為反向原理、15為動(dòng)態(tài)化原理、23為反饋原理、24為中介物原理、28為機(jī)械系統(tǒng)替代原理。

表1 外形設(shè)計(jì)的矛盾矩陣表

用編號(hào)24 和28所對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理對(duì)管道機(jī)器人外部構(gòu)造進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以解決機(jī)器人在自動(dòng)化程度與可靠性、系統(tǒng)復(fù)雜性和安全性所形成的矛盾。運(yùn)用探針、攝像頭重力感應(yīng)等方式，將探測算法輸入到單片機(jī)中，并發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在管道內(nèi)的行進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、攀爬、下降等自動(dòng)操作。將管道結(jié)構(gòu)特性的分析數(shù)據(jù)輸入到機(jī)器人的控制算法中，利用管道的結(jié)構(gòu)特性和形狀特性，引導(dǎo)機(jī)器人在管道內(nèi)自動(dòng)行進(jìn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)清洗液的自動(dòng)噴灑，從而減少人為干涉，提高機(jī)器人的自動(dòng)化程度。

針對(duì)上述對(duì)矛盾矩陣的分析，將機(jī)器人外形設(shè)計(jì)成與管道相匹配的圓柱狀，在有限的空間內(nèi)增大機(jī)器人內(nèi)部的容量，以放置更多的元器件，提高有效載荷。同時(shí)，使機(jī)器人能夠依靠管道內(nèi)壁引導(dǎo)無障礙地運(yùn)行，而不受其他因素的影響。

1.3.2 機(jī)器人整體的設(shè)計(jì)

機(jī)器人需要深入到管道內(nèi)部進(jìn)行作業(yè)，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和形狀要適應(yīng)多數(shù)管道。而為了高效地清洗，不能降低機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和清洗速度，這就需要電機(jī)輸出的功率能夠完成機(jī)器人動(dòng)作的運(yùn)行。分析上述問題，可以轉(zhuǎn)化為機(jī)器人體積與速度、功率、能量的矛盾。將上述矛盾轉(zhuǎn)化為48個(gè)工程參數(shù)。改善的特征為運(yùn)動(dòng)物體的體積，編號(hào)為7，惡化的特征為速度、運(yùn)行功率和能量損失，對(duì)應(yīng)編號(hào)分別為14、24和27。此改進(jìn)過程中，矛盾雙方組成沖突矩陣見表2。其中，01為分割原理、04為不對(duì)稱原理、05為組合原理、10為預(yù)先作用原理、13為反向作用原理、14為曲面化原理、15為動(dòng)態(tài)性原理、19為周期性原理。

表2 機(jī)器人體積與速度、功率、能量的矛盾矩陣表

油污的主要化學(xué)成分是高級(jí)脂肪酸甘油酯。其黏性較大，惡化了管道環(huán)境，這就對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性提出更高的要求。然而，增大機(jī)器人結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，會(huì)導(dǎo)致行進(jìn)重量增加、速度下降、能量損失嚴(yán)重等問題。因此將技術(shù)矛盾分解成48個(gè)工程參數(shù)，改善的參數(shù)為強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，編號(hào)為20 和21，惡化的參數(shù)為運(yùn)動(dòng)物體的重量、速度、能量損失，對(duì)應(yīng)編號(hào)分別為01、14和27。矛盾雙方組成沖突矩陣見表3。其中，05為合并原理、06為多用性原理、34為拋棄與修復(fù)原理、40為復(fù)合材料原理。

表3 機(jī)器人強(qiáng)度、穩(wěn)定性與重量、速度、能量的矛盾矩陣表

(1)系統(tǒng)構(gòu)成的設(shè)計(jì)

由編號(hào)01、04 和05所對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理對(duì)管道機(jī)器人進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。在控制體積的前提下，為使機(jī)器人能夠獲得合理的速度和功率，將機(jī)器人工作部分分離、重新組合成新的整體的方案設(shè)計(jì)。將機(jī)器人分割成不同的工作單元，機(jī)器人的各個(gè)系統(tǒng)及其作用如圖1所示。利用不對(duì)稱原理對(duì)行進(jìn)系統(tǒng)、廢液回收系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)的位置布局進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，將機(jī)器人的能量利用達(dá)到最大化，提高了電動(dòng)機(jī)的效率。

圖1 機(jī)器人的系統(tǒng)組成圖

(2)清洗裝置的設(shè)計(jì)

由編號(hào)10、19、05和40所對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理創(chuàng)新設(shè)計(jì)管道機(jī)器人的清潔系統(tǒng)。目前，大部分清潔類機(jī)器人多為單層圓形毛刷[12-14]。依據(jù)螺旋輸送機(jī)的螺旋裝置持續(xù)對(duì)貨物輸送的原理，改變單層清潔毛刷的設(shè)計(jì)。將原來單層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成多層螺旋狀清潔毛刷，可以使機(jī)器人在行進(jìn)速度一定的情況下實(shí)現(xiàn)毛刷對(duì)同一位置油污的多次清洗，達(dá)到對(duì)同一位置進(jìn)行多次清洗的目的。采用金屬螺旋片，提高了其剛度和強(qiáng)度，避免了遇到強(qiáng)硬的阻擋物而使整個(gè)清洗裝置報(bào)廢的可能性。毛刷由塑料制成，隔絕了管道與螺旋片的接觸，將管道放置于安全的環(huán)境中進(jìn)行清洗。同時(shí)，螺旋狀的清潔裝置能夠很好的適應(yīng)管道，增加了機(jī)器人清潔管道的效率。結(jié)合上述方案的設(shè)計(jì)提出了螺旋清洗軸，其裝置的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 螺旋清洗軸示意圖

噴頭采用與淋頭相似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使清洗液噴灑均勻且不造成浪費(fèi)，同時(shí)可增大清洗液的壓力。通過噴頭噴灑出的高壓清洗液，清洗管道的內(nèi)壁。

螺旋片上安裝毛刷，在機(jī)器人工作時(shí)，螺旋軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺旋片轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)毛刷清洗管道內(nèi)壁。螺旋片的使用，可以將管道的清洗由單一的點(diǎn)接觸，變?yōu)槊娼佑|，極大地提高了清洗的效率。

(3)行進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)編號(hào)13和15所對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理對(duì)管道機(jī)器人的行進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。為讓機(jī)器人能夠在體積一定的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的徹底、高效清洗，可以使機(jī)器人清洗部分動(dòng)，而其他部分不動(dòng)。將機(jī)器人的不動(dòng)部分借助管道實(shí)現(xiàn)靜止，而可動(dòng)部分清洗管道油污。對(duì)于機(jī)器人的行進(jìn)部分，通過在其四周安裝行進(jìn)裝置，改變了與管道單維度的接觸方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與管道的多維度接觸。與此同時(shí)改變?cè)袡C(jī)器人與管壁接觸的靜態(tài)特性，使之變成動(dòng)態(tài)。在管內(nèi)行走，必須滿足機(jī)器人移動(dòng)載體對(duì)管壁的附著力Ff≥移動(dòng)載體的牽引力Fq。載體牽引力包括負(fù)載和載體行走阻力等，附著力Ff由式(1)表示為

式中：φμ為附著系數(shù)；N為行走機(jī)構(gòu)與管壁接觸的正壓力，N。

結(jié)合自適應(yīng)功能管道機(jī)器人設(shè)計(jì)及仿真研究[15]，通過改善原來的履帶，提出一種新型履帶行進(jìn)裝置，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 行進(jìn)履帶結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)計(jì)將吸盤與彈簧安裝于機(jī)器人的行進(jìn)裝置，在其進(jìn)入管道內(nèi)部以后，吸盤會(huì)吸附于管道內(nèi)壁，在彈簧彈力的作用下增加了二次保障，避免因?yàn)槲P吸附力不夠而出現(xiàn)無法攀爬的現(xiàn)象。將這兩種裝置結(jié)合，會(huì)使機(jī)器人的只有水平運(yùn)動(dòng)變成了既可以水平運(yùn)動(dòng)又可以豎直運(yùn)動(dòng)。鑒于油污管道的口徑不同(小的約為10 cm，大的可達(dá)100 cm)，將彈簧安裝于機(jī)器人履帶的固定處，使之具有良好的彈性伸縮功能，以實(shí)現(xiàn)其適用范圍的最大化，同時(shí)還不會(huì)影響其動(dòng)力輸出。

(4)廢液回收裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)編號(hào)06和34 所對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理創(chuàng)新設(shè)計(jì)管道機(jī)器人廢液回收系統(tǒng)。機(jī)器人在噴灑清洗液后，需要及時(shí)地回收。回收過快將造成清洗不徹底，回收慢將會(huì)對(duì)機(jī)器人甚至與管道相連接的設(shè)備造成損害。因此廢液的回收變得尤為重要。編號(hào)06與34為該問題提供了解決方案。張敬[16]提出了一種利用離心力的主軸軸承可變預(yù)緊裝置，能夠根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的變化自動(dòng)設(shè)置軸承的預(yù)緊力。而文章基于充分利用離心力的考慮，將廢液的回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)成螺旋盤，如圖4所示。

圖4 螺旋盤示意圖

離心力示意圖如圖5所示。離心力由式(2)表示為

式中：F為離心力，N；m為物體質(zhì)量，kg；a為向心加速度，m/s2；ω為角速度，rad/s。

圖5 離心力示意圖

向心加速度與角速度有關(guān)，當(dāng)機(jī)器人離心盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度達(dá)到一定的速度時(shí)，廢液在重力的作用下將緊貼外壁沿廢液回收槽向盤的中心運(yùn)動(dòng)，達(dá)到回收的目的。通過運(yùn)用多用性原理，將廢液回收盤放置于清洗裝置之后，在噴灑清洗液以后，利用螺旋片的攪拌作用，將油污與清洗液充分混合，在提高廢液利用率的基礎(chǔ)上對(duì)廢液進(jìn)行回收。

(5)中央控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

以小型管道機(jī)器人為研究對(duì)象，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將控制系統(tǒng)分為多個(gè)獨(dú)立的功能模塊。以單片機(jī)為下位機(jī)控制平臺(tái)，通過驅(qū)動(dòng)直流齒輪電機(jī)實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、加速、減速等運(yùn)動(dòng)，其速度由脈沖寬度調(diào)制波控制[17]。機(jī)器人的控制系統(tǒng)多是以電力線通信PLC或單片機(jī)為控制核心[18-19]，可以運(yùn)用80C51單片機(jī)對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和清洗液噴灑、廢液回收等活動(dòng)的控制。機(jī)器人的控制系統(tǒng)安裝在機(jī)器人的內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的全自動(dòng)化。運(yùn)用多片單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各個(gè)系統(tǒng)的模塊化控制，減少了某個(gè)裝置損壞造成整個(gè)裝置癱瘓的發(fā)生。模塊化的程序設(shè)計(jì)，提高了整個(gè)系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、可靠性。

(6)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

將屏蔽技術(shù)與永磁耦合技術(shù)相結(jié)合，形成屏蔽式永磁耦合器，構(gòu)建水下機(jī)器人動(dòng)力靜密封傳輸裝置，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人在水下正常工作的可行性。機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)行，采用動(dòng)力靜密封傳輸?shù)挠来篷詈希梢员苊馇逑匆簢姙⒑笠约肮艿辣旧韮?nèi)部的水分對(duì)機(jī)器人造成的損傷。

行進(jìn)裝置采用單動(dòng)力供給系統(tǒng)，其動(dòng)力傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承的存在會(huì)使清洗裝置與機(jī)器人機(jī)體的摩擦變小，清洗軸與清洗液輸送管之間的軸承間接地將清洗軸與整個(gè)機(jī)器人機(jī)體隔離。而在電動(dòng)機(jī)與齒輪之間采用永磁耦合，避免了廢液對(duì)電動(dòng)機(jī)造成的損壞。同時(shí)，機(jī)器人清洗裝置和廢液回收裝置與機(jī)器人本體采用永磁耦合，避免損壞中心控制單元。

圖6 動(dòng)力傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 清潔機(jī)器人的最終方案設(shè)計(jì)

基于TRIZ理論的清潔機(jī)器人最終整體外觀如圖7所示。機(jī)器人在吸盤式履帶的帶動(dòng)下，進(jìn)入管道內(nèi)部，在單片機(jī)總控制系統(tǒng)下，主電機(jī)開始工作帶動(dòng)螺旋片、噴頭、螺旋盤轉(zhuǎn)動(dòng)。噴頭噴灑高壓清洗液，對(duì)管道內(nèi)的油污進(jìn)行初步清潔，部分油污脫落與清洗液混合變成游離態(tài)，毛刷在螺旋片的轉(zhuǎn)動(dòng)下不斷對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行清掃，將油污剝落。與此同時(shí)，螺旋片的轉(zhuǎn)動(dòng)將會(huì)起到攪拌的作用，會(huì)使油污等與清洗液充分混合，提高了清洗液利用率。螺旋盤位于清洗裝置之后、機(jī)體之前。清洗裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，螺旋盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，廢液在離心力的作用下通過廢液回收槽對(duì)廢液進(jìn)行回收。

圖7 機(jī)器人整體外觀圖

考慮到機(jī)器人內(nèi)部空間較小，對(duì)機(jī)器人清洗液與廢液輸送管進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。清洗液的噴灑與廢液的回收都需要輸送管，因此將機(jī)器人的清洗液輸送管與廢液輸送管嵌套將會(huì)節(jié)省大量的空間。如圖8所示，清洗液與廢液分離結(jié)構(gòu)為清洗液輸送管與廢液回收管的嵌套部分。對(duì)軸承進(jìn)行改造升級(jí)達(dá)到了清洗液與廢液隔離同步輸送的目的。如圖9所示，帶孔軸承的內(nèi)壁與機(jī)器人的清洗軸與廢液回收盤相連接，實(shí)現(xiàn)清洗軸與廢液回收盤的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，外壁與廢液回收艙相連保證了機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)部分與靜止部分的動(dòng)靜隔離，并且可通過孔將廢液從外部輸送管輸送到回收艙。中間的回收艙可暫時(shí)存放廢液，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了清洗液與廢液的分別輸送。在廢液回收艙的尾部，軸承的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)清洗液輸送管的空間分離，軸承把清洗液輸送管分成靜與動(dòng)兩部分，同時(shí)對(duì)清洗液的輸送沒有任何阻擋。

圖8 清洗液與廢液分離結(jié)構(gòu)圖

圖9 帶孔軸承圖

3 結(jié)語

利用TRIZ工具創(chuàng)新設(shè)計(jì)了管道清潔機(jī)器人的清洗方式、行進(jìn)方式、動(dòng)力傳輸方式和控制方式。清洗軸的設(shè)計(jì)達(dá)到了節(jié)能環(huán)保、高速高效的目的。采用的螺旋清洗方式突破了單層清洗的限制，達(dá)到了徹底清潔的目的；吸盤式履帶的使用將機(jī)器人從二維水平提高到三維可垂直清潔。由此可知，TRIZ工具的使用，為該類機(jī)器人的創(chuàng)新發(fā)展提供了方案與思路。