大连理工大学机械工程与材料能源学部辽宁大连116000
摘要：随着科学技术的进步，机器人在现代化国家工业生产和日常生活中，应用越来越广泛，运用现代设计理论指导各类机器人的研发逐渐受到重视。攀爬机器人主要应用于城市设施的清洗和维护，然而目前拥有的各类攀爬机器人在实际应用中出现了各种问题及应用的局限性，使得设计者必须采用现代的设计方法快速、高效地设计出新型攀爬类机器人，同时对于我国高新技术的创新与发展有着重要意义。
关键词：攀爬机器人：ＴＲＩＺ理论；创新研究
根据对目前国内外所设计各种攀爬机器人分析可知，它们均有一个缺陷：它们在一根杆状物上爬行，迁移性攀爬的功能欠缺，而且任意角度或弯曲的杆状物的适应性也较差，鉴于攀爬机器人的重要性和应用领域的广泛性，文中基于创新设计理论TRIZ设计了一种新型的攀爬机器人。该机器人能够很好地克服适应性差的缺点，而且迁移性攀爬功能较为突出。
1TRIZ理论矛盾分析方法
创造性解决问题方法(TRIZ)是前苏联伟大的发明家根里奇·阿奇舒勒先生总结创造的一套完整的发明创新理论与方法集成,是目前为止世界上最先进而实用的发明创新的方法学,被誉为解决发明问题的神奇点金术,在美日被称为超级发明术。TRIZ是从全世界200多万件高水平的发明专利中总结提炼的一整套解决发明难题的分析方法、分析工具、发明原理、解题模型、标准解法等系统工具与方法,完全改变了过去研发工作中靠千百次的反复试错,或靠专家的突发灵感而解决问题的方式。TRIZ提供给发明者一个清晰的发明创新路线图。根据国内外众多企业学习应用TRIZ的实践结果,一个掌握TRIZ理论的科技人员与未掌握TRIZ的科技人员比较,其发明创新能力将会提高6~10倍。由此可见，TRIZ理论在解决问题的过程中，将理想化与矛盾论有机地进行了结合，从而形成了一种强有力的发明问题解决理论。TRIZ理论认为，发明问题的核心是解决矛盾，未克服矛盾的设计不是创新设计，设计中不断地发现并解决矛盾，是推动产品向理想化方向进化的动力，产品创新的标志是解决或移走设计中的矛盾，从而产生出新的具有竞争力的解。克服矛盾的重要途径之一就是使用TRIZ理论中的40条发明原理。这40个创新原理开启了一道发明问题解决的天窗，将发明从魔术推向科学，使原来认为不可能解决的问题可以获得突破性的解决。当前，40个发明原理已经从传统的工程领域扩展到微电子、医学、管理、文化教育等当今社会的各个领域，40个发明原理的广泛应用，产生了不计其数的专利发明。TRIZ解决问题的一般过程：概括地说，应用TRIZ的第一步是对给定的问题进行分析，如发现存在冲突，则应用“原理”去解决；如果问题明确，但不知道该怎么做，则应用“效应”去解决，在对设计结果进行评价后，如果发现新问题，则要求对问题继续分析，直到不出现新问题为止，最后是执行。2基于TRIZ理论的设计
2．1分析问题
文中所研究的对象是管道等攀爬机器人，根据国内外研究现状，攀爬方式选择范围较广，针对各种攀爬方式进行对比分析，如表1所示。
问题描述：现有的攀爬机器人对工作环境要求较高，机器人的迁移性较差，在相邻杆状物之间不能实现迁移性攀爬．此外，现有的攀爬机器人对弯瞌的杆状物或者T型、L型的杆状物的攀爬效果较差，蠕行式机器人对杆状物的依赖性更大，在分支或者弯曲处，攀爬过程将受阻。
冲突区域：由分析问题及抽象后的结果，依据TRIZ的冲突分析，可以发现攀爬机器人的冲突发生在机器人的适应性及多用性与装置的复杂性，即改善了机器人的适应性及多用性，装置的复杂程度将增大，建立如表2所示的冲突矩阵。
2．2攀爬机器人的矛盾解决创新解
根据由冲突矩阵得出的创新原理，拟定攀爬机器人的创新设计方案。
根据创新原理：15动态化，要使攀爬机器人能够实现迁移性攀爬及越障攀爬，就要使机器人有良好的动态性，由其中的B：把一个物体划分成具有相互关系的元件，元件之间可以改变相对位置；因此，可以将攀爬机器人分成手爪和躯干部分，2个手爪和躯干之间通过一些装置联接起来，在联接部位安装翻转电机，通过翻转电机使手爪和躯干之间发生相对运动，实现攀爬机器人翻转运动．该原理能够很好地解决攀爬机器人的迁移性问题．此外，根据原理15动态化，还可将机械手分为翻转臂、旋转臂和手爪3个部分，通过旋转臂的旋转，可以增强机器人的攀爬适应性，在任意角度的杆状物之间可以实现爬行功能。
29气动与液压机构，根据此原理呵以解决该问题，但是成本会相应上升，37热膨胀，经分析与本问题无关，予以剔除，28机械系统的替代，经分析，该原理不能很好地解决该问题。综上所述，创新原理15动态化能够很好地解决攀爬机器人迁移性问题．根据该原理，文中设计了一种新型的翻转式攀爬机器人，该机器人具有爬行速度高、运动灵活、结构新颖等特点。
3新型攀爬机器人
应用TRIZ理论的动态化原理设计了新型翻转攀爬机器人，其机械系统主要由躯干、安装在躯干上的2个翻转臂、安装在翻转臂上的旋转臂、安装在旋转臂上的夹紧手爪和控制器组成，图1所示为新型翻转攀爬机器人的结构。组成包括：
该结构的运动由控制器控制5个电机的正反转来完成。
图1新型攀爬机器人的整体结构
翻转运动是由翻转电机输出的力矩，经过传动装置传递后输出带动翻转臂和躯干翻转。图2为攀爬机器人采用翻转式攀爬方式完成的一个完整攀爬运动。
图2新型攀爬机器人的攀爬过程
初始状态时，手爪1、2均夹紧在杆状物上，当机器人向上攀爬时，手爪1仍处于夹紧状态，手爪2松开，翻转电机旋转使得整个机器人向卜翻转．当手爪2的传感器信号反馈到控制系统，翻转电机停止转动，手爪2开始夹紧。当手爪2夹紧后，机器人的一个完整的上翻动作完成。
这里所设计的新型翻转式攀爬机器人最大的一个特点就是可以在相邻的杆状物之间实现迁移性攀爬，图3为攀爬机器人的迁移性攀爬过程。
图3新型攀爬机器人的迁移性攀爬过程
当机器人要实现迁移性攀爬时，一个手爪夹紧，另外一个松开，躯干翻转运动，直到松开手爪接收到夹紧信号，躯干停止翻转，手爪开始夹紧。当手爪夹紧后，另一只手爪开始松开，躯干翻转运动，直到2只手爪均迁移到相邻杆状物时，机器人的迁移性攀爬动作完成，此外，如果相邻杆状物不在一个平面时，可以通过旋转手臂调整角度，以完成迁移性攀爬。
4结束语
基于TRIZ理论，通过分析及深入研究攀爬机器人，结合爬行机器人的结构特点及功能需求，设计了新型翻转式攀爬机器人，打破了现有爬行机器人的结构形式，实现了攀爬机器人的越障攀爬及迁移性攀爬，解决了以往杆状物爬行机器人的适应性较差的问题。TRIZ理论打破的传统的设计思维模式，通过多方面的设计原理以及设计工具，解决设计过程中的疑难杂症，使设计过程变得更加高效合理，也为机械优化设计提供更好的设计理念。
参考文献:
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[3]张东生，张璐，孙伟，闫坤.基于TRIZ理论双人脚踏车的创新设计[J].学术交流，2014，（8）.
论文作者:马勇利
论文发表刊物:《科技中国》2016年5期
论文发表时间:2016/7/26
标签：机器人论文; 迁移性论文; 杆状论文; 理论论文; 原理论文; 躯干论文; 手爪论文; 《科技中国》2016年5期论文;