利用TRIZ創新方法提高軌道巡檢機器人礦山應用的適應性

張偉，徐鋒，劉永睿，于福龍

（1.丹東東方測控技術股份有限公司，遼寧丹東 118000；2.遼寧省科學技術館，遼寧沈陽 110167）

1 應用場景及研發背景

軌道式智能巡檢機器人可替代人工，實現遠程例行巡查，在事故和特殊情況下可實現特殊巡檢和定制性巡檢任務，實現遠程在線監測，在減少人工的同時，大大提升運維的范圍和頻率，改變傳統巡檢方式，實現巡檢智能化。智能巡檢機器人定制化攜帶攝像頭，定制化多種檢測傳感器，通過測溫熱成像儀，采用視覺識別技術，可自主完成智能巡檢及分析。目前礦山運輸中普遍存在皮帶生產線較多、距離特別長、傳統人工巡檢工作風險性高且精度不足等問題。安裝紅外攝像頭、熱成像儀、光學攝像機、拾音傳感器、煙霧報警器、危險氣體探測器的智能巡檢機器人可有效采集生產場地周圍的圖像、聲頻、溫度環境、煙霧、不明氣體等信息，并將信息及時反饋給指揮調度中心，提升事故隱患的預警和檢測效率，同時完成了巡檢工作的“去人工化”，減少了該項工作的人工成本投入，提高了礦山運輸安全與生產安全[1,2]。

2 項目問題及分析

2.1 當前系統功能及組成

功能：輪系驅動機器人在軌道行走。組成：主動輪、從動輪、承重輪、導向輪、頂輪、支撐框架。

2.2 當前系統工作原理

主動輪提供驅動力，從動輪提供壓緊力，承重輪承載巡檢機器人重量，導向輪為機器人作方向導引，頂輪減少機器人行走過程中的上下振動，支撐框架用于整套輪系連接。

2.3 當前系統的主要問題

機器人越障性差，在高粉塵環境中運行效果差。

3 使用TRIZ工具分析

3.1 功能分析

通過功能分析，明確功能對象，掌握組成部分的各種功能，明確各項功能之間的相互作用關系[3,4]。

a)功能分析——組件分析。技術系統：主動輪、從動輪、承重輪、導向輪、頂輪、支撐框架，超系統：粉塵、溫度、濕度、廠房，作用對象：軌道。圖1 所示為功能模型分析圖。

圖1 功能模型分析圖

b)功能分析——相互作用分析表，見表1。通過相互作用分析表掌握各組件之間的相互作用關系。

表1 相互作用分析表

c)功能分析——功能模型表，見表2。通過功能模型表，對各組件的功能進行分析，并劃分等級，予以評分。

表2 功能模型表

d) 功能分析——功能模型分析。對巡檢系統進行分析，建立行走機構模型，定義組件和超系統組件，在輪系行走時頂輪會有與運動方向相反的摩擦力。

通過裁剪法，得到方案（1）：去除頂輪，依靠導向輪提供壓緊力，減小摩擦力，提升輪系越障性[5,6]。

3.2 最終理想解

見表3 最終理想解分析表，通過最終理想解，得到方案如下：

表3 最終理想解分析表

方案（2）設計快捷調整夾塊，適應溫差變化大等特殊情況。

方案（3）采用磁懸浮技術，實現機器人智能巡檢。

方案（4）在落料口安裝除塵器，對粉塵進行收集、處理[7]。

3.3 九屏幕法[8,9]

通過系統過去、現在、未來利用九屏幕法分析系統，如圖2 所示。通過對系統資源進行查找，得到如下解決方案。

圖2 九屏分析圖

方案（5）：增加機械密封、迷宮密封等防灰效果好的防灰措施。

方案（6）：選用先進、輕便、加工性好的碳纖維材料，降低輪系重量。

方案（7）：應用無人機進行特定環境巡檢。

3.4 因果分析[10]

因果分析是TRIZ 方法中尋找工程問題根本原因的主要工具。通過深入工程問題，層層分析，最終找到關鍵原因。從組件功能模型分析建立因果鏈，造成煤矸的主要原因如圖3 因果鏈分析圖所示。

圖3 因果鏈分析圖

4 運用TRIZ工具解決

4.1 矛盾分析[11,12]

a) 技術矛盾一，根據因果鏈分析中的2.3.1，解決頂輪夾緊力不足問題，如果要提升頂輪夾緊力，就要增加頂輪的預緊壓力，但輪系整體能耗增加。將問題模型標準化為對應的39 個通用工程參數： 改善的是NO.11 壓力，惡化的參數NO.19 動物能耗。通過查矛盾矩陣表得出可使用的發明原理有：NO.14 曲面化原理、NO.24 中介物原理、NO.10 預操作原理、NO.37 熱膨脹原理。根據矛盾分析，可使用NO.14 曲面化原理，將物體的直線部分用曲線或球面代替。

方案（8）：將圓柱形頂輪更改為曲面頂輪，降低輪系整體阻力及能耗，同時解決機器人行駛晃動問題。

b) 運用物理矛盾一，頂輪夾緊力既要小又要大。頂輪夾緊力不足，會出現機器人在運行過程中打滑、晃動，夾緊力特別大會出現摩擦增大、電機負載、能耗增加問題。采用條件分離得到如下方案。

方案（9）：在頂輪安裝拉力傳感器，保證夾緊力穩定、可靠。

c) 技術矛盾二，根據因果鏈分析中的2.2.3，解決機器人轉向時承重輪摩擦阻力大的問題，可以增加回轉機構，降低輪系阻力，但裝置復雜性增加。將問題模型標準化為對應的39 個通用工程參數：

改善的是NO.10 力，惡化的參數為NO.36 裝置復雜性，通過查矛盾矩陣表得出可使用的發明原理有：NO.26 復制、NO.35 參數變化、NO.10 預操作、NO.18 振動 ，根據矛盾分析，可使用NO.10 預先作用，預置必要的動作、機能，得到如下方案。

方案（10）將導向輪組件增加回轉機構，當輪系沿軌道轉向時，可預先轉動，降低輪系阻力。

d) 運用物理矛盾二，回轉機構內的導向輪距離軌道既要近又要遠。由于增加回轉機構，機器人在轉彎行駛時，導向輪要根據轉彎半徑的不同，提供不同的壓緊力 ，彈簧鋼材質可根據軌道形狀自適應壓緊軌道。采用條件分離原理，得到如下方案。

方案（11）選擇板簧作為導向輪支撐件，可以使導向輪在轉彎時以合適的壓緊力與軌道接觸，既不增加額外的摩擦力，節約能耗，又保證輪系行駛狀態平穩。

4.2 物-場分析[13,14]

用物-場分析法對當前系統進行分析，并改進當前技術系統的功能。

當前系統物-場模型的技術系統是，機器人在行駛過程中，主動輪提供驅動力，使輪系沿軌道前進，但皮帶廊內粉塵嚴重，導致主動輪打滑，越障性變差，當前的物S1 是軌道，物S2 是輪系，場F 是機械場。輪系S2 利用機械場F 作用于軌道S1。因為輪系S2 無法利用機械場F 在軌道S1 順暢行駛，所以輪系S2 作用于軌道S1 是一個效應不足的完整模型。

利用76 個標準解引入場S2.1 向符合物場模型進化中的S2.1.1 引入物質，向串聯式物場模型進化。增加新的動力場F2 和新物質水S3,利用水清除粉塵，減少行駛阻力，得到如下方案。

方案（12）增加新物質，高壓水清除軌道粉塵。

方案（13）使用風機，大風量氣體清除軌道粉塵。

方案（14）使用高壓空氣炮清除軌道粉塵。

5 方案評估

綜合節約成本、適應性、可維護性、易加工性、創新性等因素，上述技術方案中最優方案為8、9、10、14，較優方案為2、5、11，方案較差的是1、3、4、6、7、12、13，因此本創新創意最終方案確定為方案2、5、8、9、10、11、14 相結合的方式。

6 解決方案實施情況

（1）實現智慧工廠，提升整體管理水平。

（2）規范設備操作流程，加強安全管理。

（3）打造行業標桿，提升企業社會形象。

（4）解決巡檢人員在高原、高空、高危、高塵等惡劣環境下作業難的問題。

軌道巡檢系統已遠銷俄羅斯、巴西等地，在我國西藏、新疆、內蒙古等10 余個省（自治區），已成功運行。

年產50 余套，每套系統平均200 萬（含軟件、軌道鋪設）。

7 結語

本文應用TRIZ 方法對智能巡檢機器人進行改進升級，能夠使機器人更好地適應礦山皮帶廊等惡劣環境。滿足現場的巡檢要求，優化巡檢質量，提升選廠智能化水平、提高經濟效益。