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TRIZ理论基础上煤矿井下巡检机器人导向轮设计研究

2020-11-27 211 上传者：管理员

摘要：为了解决煤矿井下巡检机器人越障能力不足的问题，运用TRIZ理论设计了一种带有导向轮的煤矿井下巡检机器人，不仅仅提升了传统巡检机器人的越障能力，还为新型煤矿井下巡检机器人的研发提供了新的思路。最后使用ANSYS/Workbench对导向轮支架进行等效应力和变形分析，得出此导向轮符合设计要求。

关键词：
TRIZ
导向轮
巡检机器人
液压电磁阀
煤矿井
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煤矿井下巡检机器人广泛应用于矿井下的安全、测量、排爆以及救援。关于煤矿井下巡检机器人有许多的研究[1,2]，周明静等[3]研制了一种轨道式的矿用井下巡检机器人。TRIZ理论可以帮助人们突破思维定式，启发创造潜能，极大地缩短发明周期[4]。杨培等[5]利用TRIZ理论对快递电动车进行分析，优化了电动车的车厢，解决了车厢空间利用率不高的问题，刘晓雯[6]利用TRIZ理论设计了一种新型长生果柔性去壳机，提高了长生果设备的剥净率，降低了破损率。杨友胜等[7]利用TRIZ理论设计了一种深海液压电磁阀，为深海机械设备研发提供了新思路。

1、问题分析

近年来越来越多人开始研究煤矿井下巡检机器人，因其可以提供巡检、救援、排爆等功能，在煤矿井下作业中得到了广泛的应用。现有的巡检机器人面对井下复杂的路况，存在行走困难，易受起伏地形的影响等问题。随着井下巡检机器人的搭载的仪器越来越精密，现有的巡检机器人行走机构很难满足人们日益增长的工作需求。而且现有研究已经到达瓶颈，人们需要突破思维定式，激发创新思维，设计出一种具有越障能力的巡检机器人行走机构。

2、系统分析

2.1鱼骨图分析法

鱼骨图分析法是一种利用类似鱼骨的图形进行分析，不断细化矛盾，最终发现问题产生的根本原因的方法，通过鱼骨图来对巡检机器人进行非定量分析，分析结果如图1所示。由以上分析可以得出，巡检机器人越障能力不足的根本原因是缺乏越障辅助设备。

图1煤矿井下巡检机器人鱼骨分析图

2.2九屏幕法

九屏幕法不仅仅要考虑到当前系统，也要以空间为轴考虑到它的子系统和超系统。同时以时间为轴线考虑到各个系统的当前、过去和未来。针对原有的巡检机器人缺乏越障辅助设备的问题，使用九屏幕法对其进行分析，分析结果如图2所示，由以上分析可得解决这一问题的方法是设计一种有越障能力的巡检机器人。

图2煤矿井下巡检机器人九屏幕分析图

2.3完备性法则

完备性法则是一种可以帮助我们分析系统的各个部分能否可以组成一个完备的技术方案。运用完备性法则分析的系统必须包含动力装置、传输装置、执行装置和控制装置。分析结果如图3所示。由以上分析可以得出，设计出的有导向轮的煤矿井下巡检机器人满足完备性法则，可以组成一个完整的系统。

图3系统完备性法则

3、基于物-场分析的导向轮设计

因为导向轮有较大的高度调节范围，可以适应不同地形，所以在原有的煤矿井下巡检机器人底盘上增添了导向轮，其物-场分析模型如图4所示，原先的巡检机器人的底盘在行走的过程中容易受到地形的影响，遇到障碍物时，容易与障碍物产生磕碰，通过增加导向轮，避免了底盘直接与障碍物接触，从而提高了巡检机器人的越障能力，导向轮机构如图5所示。

图4行走机构的物-场模型

图5导向轮机构图

4、导向轮支架静力学分析

ANSYS是一种被普遍运用在机械零件分析的软件。应用ANSYS/Workbench对导向轮支架进行分析，导向轮支架材料选用结构钢，结构划分实体单元4216个，网格节点数量为8774。对导向轮支架顶部进行固定约束，并且对工作部位工作载荷，得到的结果如图6所示。其最大变形量为0.00082384mm，最大应力为3.9547MPa，远远小于材料强度极限。

图6支架仿真分析结果图

5、结论

由于现有的煤矿井下巡检机器人结构设计存在缺陷，造成其越障能力不足等问题。通过使用TRIZ理论将工程技术问题转化为TRIZ问题，再使用鱼骨图分析法、九屏幕法等TRIZ理论思维方法找出问题发生的原因是缺乏越障辅助机构，通过物-场分析模型，在原有的煤矿井下巡检机器人底盘上增添了导向轮，提高了其越障能力，为以后的科研提供了新的思路。最后，对导向轮支架进行了静力学分析，由仿真结果可得，该导向轮结构完全符合设计要求，在正常工况下使用是安全可靠的。

参考文献：

[1]崔鑫.煤矿井下泵房智能巡检机器人的研究[J].煤矿机械,2016,37(11):178-179.

[2]宣鹏程,孙稚媛,等.煤矿轨道式带式输送机巡检机器人系统设计[J].煤矿机械,2020,41(5):1-3.

[3]周明静,裴文良,岑强.一种煤矿轨道巡检机器人的研制[J].制造业自动化,2018,40(4):107-108+114.

[4]谢尔盖·伊克万科.TRIZ打开创新之门的金钥匙[M].孙永伟,译.北京:科学出版社,2015.

[5]杨培,曹国忠,等.基于TRIZ理论的快递电动车创新设计[J].包装工程,2019,40(14):135-143.

[6]刘晓雯.基于TRIZ的新型长生果柔性去壳机设计[J].包装工程,2019,40(15):189-193.

[7]杨友胜,唐顺军,等.基于TRIZ理论的深海水液压电磁阀[J].机械工程学报,2019,55(16):205-212.

罗寅,王子懿,王智慧.基于TRIZ理论的煤矿井下巡检机器人导向轮设计及分析[J].科学技术创新,2020(34):10-11.