基于TRIZ理論的清潔機器人創新設計

黃巍嶺張振宇趙東鳴唐巨新

(山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南250101)

0 引言

隨著工業化的發展，管道在石油、天然氣、污水廢水廢氣等輸送方面的應用越來越多。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，管道機器人由此誕生。管道機器人是一種可沿細小管道內部或外部自動行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列管道作業的機、電、儀一體化系統[2]。按照運動方式，當前的管道機器人主要有輪式、蠕動式、履帶式、腳式等4種[3-4]。如(株)百斯特環境產業發明設計的由輪子驅動、運用高壓空氣清潔管道的機器人[5]；王文月等[6]發明設計的由圓刷旋轉清潔管道內壁，同時運動機構接觸管道內壁實現往復運動的一種往復式管道清潔機器人。然而，無論是輪式還是履帶式在管道內只能水平行進，清潔管道的范圍大大降低，且現有的機器人多數為物理清洗，對于同一個地方的清潔方式比較單一，容易出現清潔不徹底的現象；往復式機器人的應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、解決發明問題的基本方法，多適用于新出現的發明問題，可以幫助人們獲得發明問題的最有效解[7]。陳瀟磊[8]運用TRIZ成功地解決了履帶式行走機構攀爬階梯沖角不足以及攀爬階梯時機身后傾的問題。國海芝等[9]等應用TRIZ理論提供的方法分析問題，借助定義得出其最終理想解，應用因果分析得出現有問題的根本原因，提出了解決方案，研制了海參捕撈機器人。為解決物流行業普遍存在的勞動力大且費工費時等問題，程浩杰等[10]研制了一種混聯式搬運機器人，并基于TRIZ理論結合系統功能分析和因果分析優化設計了機器人。為解決目前鑄件抓手在搬運中、大型鑄件和表面結構復雜鑄件過程中存在的穩定性差、適應性不足和工作效率低等問題，王成軍等[11]基于TRIZ理論，結合因果軸分析、物場分析和技術矛盾分析等方法，設計了一種鑄造機器人用全向多指異步抓手。近年來，越來越多的人使用TRIZ理論解決一些實際問題，然而應用TRIZ方法設計的管道類機器人仍然較少。

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

1 基于TRIZ理論的管道機器人創新設計

1.1 問題定義

管道油污使管道的清洗工作變得異常艱難。主要原因是管道內環境復雜、油污附著力強、機器人自動化程度不夠、行進裝置易受干擾等。應用TRIZ方法設計油污清理徹底、環保經濟、高效率的機器人，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，理想的狀況為管道能夠不附著油污，從而實現油污的自動清理。然而油污的粘性大、附著能力強，顯然無法實現管道的自清理。因此，根據理想程度的不同，將問題的理想解定義為設計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器人。

1.3 機器人的結構設計

針對上述問題定義，利用TRIZ中的矛盾矩陣對問題進行矛盾分析，以尋求解決方案。

1.3.1 機器人外形的設計

實現機器人自動清洗管道，即提高自動化程度，將機器人控制算法比較復雜這一問題轉化為對可靠性、系統復雜性和安全性的分析。在矛盾矩陣中找到改善的特征，自動化程度特征對應的編號為43，在惡化的特征中找到可靠性、安全性、系統復雜性的對應編號分別為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為動態化原理、23為反饋原理、24為中介物原理、28為機械系統替代原理。

表1 外形設計的矛盾矩陣表

用編號24 和28所對應的發明原理對管道機器人外部構造進行創新設計，以解決機器人在自動化程度與可靠性、系統復雜性和安全性所形成的矛盾。運用探針、攝像頭重力感應等方式，將探測算法輸入到單片機中，并發出指令，實現了機器人在管道內的行進、轉彎、攀爬、下降等自動操作。將管道結構特性的分析數據輸入到機器人的控制算法中，利用管道的結構特性和形狀特性，引導機器人在管道內自動行進，同時實現清洗液的自動噴灑，從而減少人為干涉，提高機器人的自動化程度。

針對上述對矛盾矩陣的分析，將機器人外形設計成與管道相匹配的圓柱狀，在有限的空間內增大機器人內部的容量，以放置更多的元器件，提高有效載荷。同時，使機器人能夠依靠管道內壁引導無障礙地運行，而不受其他因素的影響。

1.3.2 機器人整體的設計

機器人需要深入到管道內部進行作業，機器人的結構和形狀要適應多數管道。而為了高效地清洗，不能降低機器人的運動和清洗速度，這就需要電機輸出的功率能夠完成機器人動作的運行。分析上述問題，可以轉化為機器人體積與速度、功率、能量的矛盾。將上述矛盾轉化為48個工程參數。改善的特征為運動物體的體積，編號為7，惡化的特征為速度、運行功率和能量損失，對應編號分別為14、24和27。此改進過程中，矛盾雙方組成沖突矩陣見表2。其中，01為分割原理、04為不對稱原理、05為組合原理、10為預先作用原理、13為反向作用原理、14為曲面化原理、15為動態性原理、19為周期性原理。

表2 機器人體積與速度、功率、能量的矛盾矩陣表

油污的主要化學成分是高級脂肪酸甘油酯。其黏性較大，惡化了管道環境，這就對機器人結構的強度和穩定性提出更高的要求。然而，增大機器人結構的強度與穩定性，會導致行進重量增加、速度下降、能量損失嚴重等問題。因此將技術矛盾分解成48個工程參數，改善的參數為強度、結構穩定性，編號為20 和21，惡化的參數為運動物體的重量、速度、能量損失，對應編號分別為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為拋棄與修復原理、40為復合材料原理。

表3 機器人強度、穩定性與重量、速度、能量的矛盾矩陣表

(1)系統構成的設計

由編號01、04 和05所對應的發明原理對管道機器人進行創新設計。在控制體積的前提下，為使機器人能夠獲得合理的速度和功率，將機器人工作部分分離、重新組合成新的整體的方案設計。將機器人分割成不同的工作單元，機器人的各個系統及其作用如圖1所示。利用不對稱原理對行進系統、廢液回收系統、清洗系統、動力系統的位置布局進行平衡調節，將機器人的能量利用達到最大化，提高了電動機的效率。

圖1 機器人的系統組成圖

(2)清洗裝置的設計

由編號10、19、05和40所對應的發明原理創新設計管道機器人的清潔系統。目前，大部分清潔類機器人多為單層圓形毛刷[12-14]。依據螺旋輸送機的螺旋裝置持續對貨物輸送的原理，改變單層清潔毛刷的設計。將原來單層的結構設計成多層螺旋狀清潔毛刷，可以使機器人在行進速度一定的情況下實現毛刷對同一位置油污的多次清洗，達到對同一位置進行多次清洗的目的。采用金屬螺旋片，提高了其剛度和強度，避免了遇到強硬的阻擋物而使整個清洗裝置報廢的可能性。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境中進行清洗。同時，螺旋狀的清潔裝置能夠很好的適應管道，增加了機器人清潔管道的效率。結合上述方案的設計提出了螺旋清洗軸，其裝置的結構如圖2 所示。

圖2 螺旋清洗軸示意圖

噴頭采用與淋頭相似的結構設計，可以使清洗液噴灑均勻且不造成浪費，同時可增大清洗液的壓力。通過噴頭噴灑出的高壓清洗液，清洗管道的內壁。

螺旋片上安裝毛刷，在機器人工作時，螺旋軸的轉動帶動螺旋片轉動，同時毛刷清洗管道內壁。螺旋片的使用，可以將管道的清洗由單一的點接觸，變為面接觸，極大地提高了清洗的效率。

(3)行進裝置的設計

根據編號13和15所對應的發明原理對管道機器人的行進系統進行創新設計。為讓機器人能夠在體積一定的情況下，實現對管道的徹底、高效清洗，可以使機器人清洗部分動，而其他部分不動。將機器人的不動部分借助管道實現靜止，而可動部分清洗管道油污。對于機器人的行進部分，通過在其四周安裝行進裝置，改變了與管道單維度的接觸方式，實現機器人與管道的多維度接觸。與此同時改變原有機器人與管壁接觸的靜態特性，使之變成動態。在管內行走，必須滿足機器人移動載體對管壁的附著力Ff≥移動載體的牽引力Fq。載體牽引力包括負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；N為行走機構與管壁接觸的正壓力，N。

結合自適應功能管道機器人設計及仿真研究[15]，通過改善原來的履帶，提出一種新型履帶行進裝置，結構如圖3所示。

圖3 行進履帶結構圖

該設計將吸盤與彈簧安裝于機器人的行進裝置，在其進入管道內部以后，吸盤會吸附于管道內壁，在彈簧彈力的作用下增加了二次保障，避免因為吸盤吸附力不夠而出現無法攀爬的現象。將這兩種裝置結合，會使機器人的只有水平運動變成了既可以水平運動又可以豎直運動。鑒于油污管道的口徑不同(小的約為10 cm，大的可達100 cm)，將彈簧安裝于機器人履帶的固定處，使之具有良好的彈性伸縮功能，以實現其適用范圍的最大化，同時還不會影響其動力輸出。

(4)廢液回收裝置的設計

根據編號06和34 所對應的發明原理創新設計管道機器人廢液回收系統。機器人在噴灑清洗液后，需要及時地回收。回收過快將造成清洗不徹底，回收慢將會對機器人甚至與管道相連接的設備造成損害。因此廢液的回收變得尤為重要。編號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緊裝置，能夠根據主軸轉速的變化自動設置軸承的預緊力。而文章基于充分利用離心力的考慮，將廢液的回收系統設計成螺旋盤，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，當機器人離心盤的轉動角速度達到一定的速度時，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動，達到回收的目的。通過運用多用性原理，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上對廢液進行回收。

(5)中央控制系統的設計

以小型管道機器人為研究對象，采用模塊化設計思路，將控制系統分為多個獨立的功能模塊。以單片機為下位機控制平臺，通過驅動直流齒輪電機實現管道機器人的前進、后退、左轉、右轉、停止、加速、減速等運動，其速度由脈沖寬度調制波控制[17]。機器人的控制系統多是以電力線通信PLC或單片機為控制核心[18-19]，可以運用80C51單片機對機器人的控制系統進行設計，實現對機器人運動和清洗液噴灑、廢液回收等活動的控制。機器人的控制系統安裝在機器人的內部，實現了機器人的全自動化。運用多片單片機實現對機器人各個系統的模塊化控制，減少了某個裝置損壞造成整個裝置癱瘓的發生。模塊化的程序設計，提高了整個系統控制的穩定性、平穩性、可靠性。

(6)動力系統的設計

將屏蔽技術與永磁耦合技術相結合，形成屏蔽式永磁耦合器，構建水下機器人動力靜密封傳輸裝置，實現水下機器人在水下正常工作的可行性。機器人在管道內運行，采用動力靜密封傳輸的永磁耦合，可以避免清洗液噴灑后以及管道本身內部的水分對機器人造成的損傷。

行進裝置采用單動力供給系統，其動力傳輸系統結構如圖6所示。電動機轉動，帶動齒輪轉動，軸承的存在會使清洗裝置與機器人機體的摩擦變小，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機器人機體隔離。而在電動機與齒輪之間采用永磁耦合，避免了廢液對電動機造成的損壞。同時，機器人清洗裝置和廢液回收裝置與機器人本體采用永磁耦合，避免損壞中心控制單元。

圖6 動力傳輸系統結構示意圖

2 清潔機器人的最終方案設計

基于TRIZ理論的清潔機器人最終整體外觀如圖7所示。機器人在吸盤式履帶的帶動下，進入管道內部，在單片機總控制系統下，主電機開始工作帶動螺旋片、噴頭、螺旋盤轉動。噴頭噴灑高壓清洗液，對管道內的油污進行初步清潔，部分油污脫落與清洗液混合變成游離態，毛刷在螺旋片的轉動下不斷對管道內壁進行清掃，將油污剝落。與此同時，螺旋片的轉動將會起到攪拌的作用，會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、機體之前。清洗裝置轉動的同時，螺旋盤隨之轉動，廢液在離心力的作用下通過廢液回收槽對廢液進行回收。

圖7 機器人整體外觀圖

考慮到機器人內部空間較小，對機器人清洗液與廢液輸送管進行了創新設計。清洗液的噴灑與廢液的回收都需要輸送管，因此將機器人的清洗液輸送管與廢液輸送管嵌套將會節省大量的空間。如圖8所示，清洗液與廢液分離結構為清洗液輸送管與廢液回收管的嵌套部分。對軸承進行改造升級達到了清洗液與廢液隔離同步輸送的目的。如圖9所示，帶孔軸承的內壁與機器人的清洗軸與廢液回收盤相連接，實現清洗軸與廢液回收盤的同步轉動，外壁與廢液回收艙相連保證了機器人轉動部分與靜止部分的動靜隔離，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存放廢液，同時實現了清洗液與廢液的分別輸送。在廢液回收艙的尾部，軸承的創新設計實現了對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兩部分，同時對清洗液的輸送沒有任何阻擋。

圖8 清洗液與廢液分離結構圖

圖9 帶孔軸承圖

3 結語

利用TRIZ工具創新設計了管道清潔機器人的清洗方式、行進方式、動力傳輸方式和控制方式。清洗軸的設計達到了節能環保、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，達到了徹底清潔的目的；吸盤式履帶的使用將機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，為該類機器人的創新發展提供了方案與思路。