基于TRIZ 理論的煤礦井下巡檢機器人導向輪設計及分析

羅 寅 王子懿 王智慧

（安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南232001）

煤礦井下巡檢機器人廣泛應用于礦井下的安全、測量、排爆以及救援。關于煤礦井下巡檢機器人有許多的研究[1-2]，周明靜等[3]研制了一種軌道式的礦用井下巡檢機器人。TRIZ理論可以幫助人們突破思維定式，啟發創造潛能，極大地縮短發明周期[4]。楊培等[5]利用TRIZ 理論對快遞電動車進行分析，優化了電動車的車廂，解決了車廂空間利用率不高的問題，劉曉雯[6]利用TRIZ 理論設計了一種新型長生果柔性去殼機，提高了長生果設備的剝凈率，降低了破損率。楊友勝等[7]利用TRIZ理論設計了一種深海液壓電磁閥，為深海機械設備研發提供了新思路。

1 問題分析

近年來越來越多人開始研究煤礦井下巡檢機器人，因其可以提供巡檢、救援、排爆等功能，在煤礦井下作業中得到了廣泛的應用?，F有的巡檢機器人面對井下復雜的路況，存在行走困難，易受起伏地形的影響等問題。隨著井下巡檢機器人的搭載的儀器越來越精密，現有的巡檢機器人行走機構很難滿足人們日益增長的工作需求。而且現有研究已經到達瓶頸，人們需要突破思維定式，激發創新思維，設計出一種具有越障能力的巡檢機器人行走機構。

2 系統分析

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行分析，不斷細化矛盾，最終發現問題產生的根本原因的方法，通過魚骨圖來對巡檢機器人進行非定量分析，分析結果如圖1 所示。由以上分析可以得出，巡檢機器人越障能力不足的根本原因是缺乏越障輔助設備。

圖1 煤礦井下巡檢機器人魚骨分析圖

2.2 九屏幕法

九屏幕法不僅僅要考慮到當前系統，也要以空間為軸考慮到它的子系統和超系統。同時以時間為軸線考慮到各個系統的當前、過去和未來。針對原有的巡檢機器人缺乏越障輔助設備的問題，使用九屏幕法對其進行分析，分析結果如圖2 所示，由以上分析可得解決這一問題的方法是設計一種有越障能力的巡檢機器人。

圖2 煤礦井下巡檢機器人九屏幕分析圖

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的各個部分能否可以組成一個完備的技術方案。運用完備性法則分析的系統必須包含動力裝置、傳輸裝置、執行裝置和控制裝置。分析結果如圖3所示。由以上分析可以得出，設計出的有導向輪的煤礦井下巡檢機器人滿足完備性法則，可以組成一個完整的系統。

圖3 系統完備性法則

3 基于物- 場分析的導向輪設計

因為導向輪有較大的高度調節范圍，可以適應不同地形，所以在原有的煤礦井下巡檢機器人底盤上增添了導向輪，其物- 場分析模型如圖4 所示，原先的巡檢機器人的底盤在行走的過程中容易受到地形的影響，遇到障礙物時，容易與障礙物產生磕碰，通過增加導向輪，避免了底盤直接與障礙物接觸，從而提高了巡檢機器人的越障能力，導向輪機構如圖5 所示。

圖4 行走機構的物- 場模型

圖5 導向輪機構圖

4 導向輪支架靜力學分析

ANSYS 是一種被普遍運用在機械零件分析的軟件。應用ANSYS/Workbench 對導向輪支架進行分析，導向輪支架材料選用結構鋼，結構劃分實體單元4216 個，網格節點數量為8774。對導向輪支架頂部進行固定約束，并且對工作部位工作載荷，得到的結果如圖6 所示。其最大變形量為0.00082384mm，最大應力為3.9547MPa，遠遠小于材料強度極限。

圖6 支架仿真分析結果圖

5 結論

由于現有的煤礦井下巡檢機器人結構設計存在缺陷，造成其越障能力不足等問題。通過使用TRIZ 理論將工程技術問題轉化為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生的原因是缺乏越障輔助機構，通過物- 場分析模型，在原有的煤礦井下巡檢機器人底盤上增添了導向輪，提高了其越障能力，為以后的科研提供了新的思路。最后，對導向輪支架進行了靜力學分析，由仿真結果可得，該導向輪結構完全符合設計要求，在正常工況下使用是安全可靠的。