基于TRIZ 理論的新型地下排水管道清污機器人設(shè)計

寧 凡，李民生，田 峰，王志偉，洪學(xué)武，劉海強，趙 堅

（天津城建大學(xué) 控制與機械工程學(xué)院，天津 300384）

隨著我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展，地下排水管道在生活中起著至關(guān)重要的作用，是保障城市運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”.管道由于長時間的超負(fù)荷使用不可避免的會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，可導(dǎo)致大量污水排出形成路面積水甚至造成城市內(nèi)澇，嚴(yán)重影響人民的生活.

目前，國內(nèi)的管道清污方法主要有高壓水清淤法、絞車清淤法以及人工清污等.高壓水清淤法的工作原理是利用高壓水流或者氣體沖開被堵塞的管道，被廣泛應(yīng)用到市政管道疏通工作中.但是該方法會對管道造成一定的損傷，尤其是在管道連接處，強大的沖擊力很可能會沖破連接處，造成液體或者氣體泄漏，使上游管道產(chǎn)生新的淤積.絞車清淤法首先需將竹片穿過管道，然后利用管道兩端井上的絞車往復(fù)絞動鋼絲繩，使淤積物被清通.該方法竹片的放置需人工下井完成，惡劣的工作環(huán)境給工作帶來了極大的不便，還容易引發(fā)安全事故.對于小口徑管道堵塞的疏通，施工人員無法進入管道中進行清污，仍需開挖路面，非常消耗人力和財力，影響社會的生產(chǎn)生活.此外，我國城市排水管道的數(shù)量以及規(guī)模越來越大，分布狀況也越來越復(fù)雜，因此，亟需研制一款可用于地下管道非開挖清淤排污的機器人.

為了提高管道清污機器人的創(chuàng)新設(shè)計水平，加快發(fā)明創(chuàng)造的速度，利用TRIZ 理論對機器人的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計.近年來，基于TRIZ 的創(chuàng)新方法在輕工裝備領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1]. 李金鳳等[2]為了實現(xiàn)豌豆收獲機械化配套作業(yè)，基于TRIZ 理論中的“物-場模型”和“沖突解決原理”分析方法，設(shè)計了一款豌豆割曬機械裝備；高志鵬等[3]提出運用TRIZ 理論對堆垛裝置的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計；萬一品[4]詳細(xì)分析了TRIZ 理論創(chuàng)新設(shè)計方法，并根據(jù)市場需求，將TRIZ理論中的矛盾矩陣與模塊化設(shè)計相結(jié)合設(shè)計了一款道路綜合養(yǎng)護車. 曹衛(wèi)彬等[5]為解決紅花絲采摘在機械化領(lǐng)域的不足，根據(jù)人工手采的方式及過程，針對紅花花球分布層次不齊造成的不能使用機械采摘、采摘效率低等問題，建立了紅花絲采摘的物質(zhì)-場模型，從而確定采摘的最佳方案，設(shè)計了一款專用于紅花絲的盲采裝置. 曾宇露等[6]根據(jù)目前老年人對如廁助力產(chǎn)品的市場需求，通過對如廁過程進行分析，從安全性和穩(wěn)定性出發(fā)，利用TRIZ 設(shè)計了一款相對來說更加安全的、適用于老年人的如廁助力產(chǎn)品.

為實現(xiàn)地下水管道非開挖的清淤排污，本文通過對管道清污機器人的設(shè)計需求進行分析，利用TRIZ理論中的分離原理將機器人的創(chuàng)新設(shè)計劃分為各功能部件的設(shè)計；同時借助發(fā)明原理求解各部件設(shè)計過中遇到的技術(shù)矛盾，成功研制了一款適用于管徑為500～800 mm 的管道清污機器人.

1 基于TRIZ 理論分離原理的管道清污機器人整體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

TRIZ 理論成功地揭示了各技術(shù)創(chuàng)新在發(fā)展過程中所遵循的內(nèi)在規(guī)律和原理，可以幫助工程師快速地解決清污機器人創(chuàng)新設(shè)計過程中存在的矛盾[7].基于TRIZ理論的矛盾問題解決路線如圖1 所示.

圖1 矛盾問題解決路線

由于清污機器人是對兩井口之間堵塞的管道進行疏通清理，要求機器人可以在地下管道中帶水作業(yè).此外，當(dāng)機器人將管道中造成堵塞的淤泥、污物打散之后，還需將打散的污物排除，避免產(chǎn)生新的淤積堵塞.本文所研制的管道清污機器人除了要滿足上述工作要求的同時，還要求整個機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于制造.

上述的設(shè)計問題可進一步轉(zhuǎn)化為TIRZ 理論的沖突問題[8].管道清污機器人所要滿足的功能越多，其結(jié)構(gòu)也會更加復(fù)雜，這與機器人結(jié)構(gòu)簡單、便于制造的設(shè)計要求相沖突.因此，采用TRIZ 的沖突理論分析，得出這對沖突為物理沖突，可直接采用分離原理來解決.分離原理包括空間分離、時間分離、條件分離、整體與部分分離4 類原理[9]，如表1 所示.

表1 分離原理

針對管道清污機器人的沖突矛盾，可以采用整體與部分分離的分離原理將機器人要完成的工作劃分成可以一個個獨立的工作內(nèi)容，從而降低創(chuàng)新設(shè)計的難度[10].

為實現(xiàn)管道清污機器人清淤排污于一體的總功能A，可利用整體與部分分離原理將機器人的總功能進行分割，變成獨立的幾個部件來實現(xiàn)，如圖2 所示.首先，為了滿足機器人可以疏通兩井口之間的50 m管道，要求其在管道中可以自行前進從而確定機器人的一個子功能部件為行走部件A2.對于附著在管道內(nèi)壁上的污物，可以利用旋轉(zhuǎn)的刀具對其進行切削，因此機器人的另一個子功能部件為切削部件A1.為避免切削后的污物再一次造成堵塞，劃分出排污部件A3對污物進行稀釋排出.此外，機器人的工作環(huán)境不同于其他設(shè)備，需要帶水作業(yè)，因此對整個機器人進行防水部件A4的設(shè)計也是必不可少的.利用機械結(jié)構(gòu)和相關(guān)的造型知識設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)各功能的部件，最終得到一套可以滿足需求且可行的解決方案.

圖2 管道清污機器人整體與部分分離原理

2 基于TRIZ 理論發(fā)明原理的管道清污機器人關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

在清污機器人各功能部件的設(shè)計過程中，可能會出現(xiàn)多個因素相互促進、相互制約的情況，即技術(shù)細(xì)節(jié)之間的矛盾沖突[11].因此，本文利用TRIZ 的40 條發(fā)明原理來化解各部件中可能出現(xiàn)的技術(shù)沖突，輔助完成各功能部件的創(chuàng)新設(shè)計.

2.1 切削部件創(chuàng)新設(shè)計

對于管道清污機器人的切削部件而言，在切削過程中切削刀具可能會遇到水泥塊、樹枝等質(zhì)地較硬的物質(zhì)，且要求刀具可以適用于不同管徑的管道，因此需要增強切削部件的適應(yīng)性與多用性.但是，這將會增加切削機構(gòu)的復(fù)雜性，使整個部件可制造性、刀具力度變差.為解決這一問題，基于TRIZ 理論將切削部件的適應(yīng)性與多用性作為改善參數(shù)，刀具的力度、可制造性以及復(fù)雜性作為惡化參數(shù)，建立切削部件的矛盾沖突矩陣，查找出解決問題所對應(yīng)的發(fā)明原理，如表2 所示.

表2 切削部件的矛盾沖突矩陣

根據(jù)上表，可以提取出解決切削部件矛盾問題的發(fā)明原理組成的解決方案共有36 種.根據(jù)切削部件的實際工作情況，選擇了一種最為有效的解決方案.對于切削部件的旋轉(zhuǎn)刀具，可以利用原理1（分割原理）將刀具的刀片分成3 個獨立的葉片，方便葉片的制造與替換；為實現(xiàn)刀具適用于不同管徑的管道清污，利用發(fā)明原理15（動態(tài)化原理）將刀具的3 個刀片與轉(zhuǎn)軸通過曲柄滑塊機構(gòu)進行連接，從而實現(xiàn)刀具的變徑；根據(jù)發(fā)明原理17（維數(shù)變化原則），為滿足刀具在切削過程中切削力的變化，可以通過改變刀片的切削角度來實現(xiàn).因此，本文所設(shè)計的切削部件結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 切削部件結(jié)構(gòu)

2.2 自行走部件創(chuàng)新設(shè)計

目前，我國所用的地下排水管道為圓筒狀，管道清污機器人在圓筒形的管道中如何可靠穩(wěn)定地前進仍是一個難點，因此在對行走部件進行創(chuàng)新設(shè)計時，提高行走的可靠性是重中之重.為實現(xiàn)清污機器人在500～800 mm 管徑的管道中行走，本文所設(shè)計的機器人利用電動推桿來滿足不同管徑的支撐要求.但是，這增加了部件自動化的控制難度，也為機器人的可操作性增加了一定的困難. 根據(jù)自行走部件的技術(shù)矛盾，將該部件行走的可靠性作為改善參數(shù)，裝置自動化程度、可操作性作為惡化參數(shù)，得到部件的矛盾沖突矩陣如表3 所示.

表3 自行走部件的矛盾沖突矩陣

對表3 中的發(fā)明原理進行分析篩選，提取出有價值的發(fā)明原理有：原理11（預(yù)補償原理）、原理27（低成本、不耐用物體替代貴重、耐用物體原理）.在自行走部件中，采用傳動軸與電動推桿相配合的方式來實現(xiàn)機器人整體的前進；為方便機器人的前進，在支撐件電動推桿的末端安裝滾輪.但是，由于電動推桿與管道內(nèi)壁之間的壓力，滾輪容易發(fā)生損壞破裂，若滾輪的硬度較大，則會造成電動推桿的損壞.因此，根據(jù)原理27，選擇硬度較小的柔性滾輪可以減少機器人的損壞失效，提高運行的可靠性.此外，為避免中間安裝在螺母套上的一組電動推桿與其余兩組推桿發(fā)生碰撞，利用原理11 在電動推桿處安裝限位開關(guān)，用于控制電機的轉(zhuǎn)動方向.

管道清污機器人中自行走部件的結(jié)構(gòu)如圖4 所示.自行走部件主要由伺服電機、主傳動軸、螺母套、支撐套、電動推桿等零部件組成.其中，電動推桿通過螺母套及支撐套與轉(zhuǎn)軸連接組成一個穩(wěn)定的三角形，且各推桿之間相互獨立易組裝拆卸、便于替換調(diào)整.機器人自行走部件的工作原理如下：首先，位于中間螺母套上的三個電動推桿伸出頂住排水管道內(nèi)壁，此時電機正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸與螺母套開始相對運動，管道清污機器人相對于排水管道而言向前移動；當(dāng)觸碰到限位開關(guān)時，中間一組推桿收回，其余兩組電動推桿伸出頂住排水管道內(nèi)壁，此時電機反轉(zhuǎn)，管道清污機器人相對于排水管道而言靜止不動，而中間一組的電動推桿向前移動至轉(zhuǎn)軸前端的限位開關(guān)；最后，中間一組的推桿伸出，另兩組的推桿收回，電機正轉(zhuǎn)，機器人開始下一輪的前進運動.

圖4 自行走部件結(jié)構(gòu)

2.3 排污以及防水部件的創(chuàng)新設(shè)計

為實現(xiàn)管道清污機器人的帶水作業(yè)，整個機器人需要做密封防水設(shè)計.但是，由于機器人自行走部件的存在，需要防水的殼體隨著電動推桿的移動而移動.因此，基于發(fā)明原理35（參數(shù)變化原理），將機器人防水的殼體使用波紋管代替，以滿足防水部件的密封性以及可移動性.管道清污機器人的的防水部件如圖5所示.

圖5 防水部件結(jié)構(gòu)

為避免機器人打散的污物形成新的淤積堵塞，需要將污物排除管道.因此，根據(jù)發(fā)明原理10（預(yù)操作原理），在排污管的附近設(shè)計增加兩根給水管，用于稀釋切削部件切削的污物，從而使污物更容易被排除.管道清污機器人的的排污部件如圖6 所示，主要包括給水管、過濾網(wǎng)和排污管以及與后桶下方鏈接的固定板，其中，過濾網(wǎng)放置于排污管中.

圖6 排污部件結(jié)構(gòu)

將利用發(fā)明原理創(chuàng)新設(shè)計的部件進行整合，完成了管道清污機器人的整機結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖7a 所示.并且制作了管道清污機器人的樣機，如圖7b 所示.

圖7 管道清污機器人

選取天津市地下管網(wǎng)兩個井口之間的管道，下放機器人樣機進行試驗.試驗結(jié)果表明：管道清污機器人因其刀具與自行走部件可調(diào)，可以在管徑為500～800 mm 的管道中進行清淤排污；對于管道中堵塞污物，如骨頭、樹枝、水泥塊等，機器人的切削部件可以將其切割成小塊，并利用排污管將污物排除管道；自行走部件完成蠕動前進動作，其行走速度為0.25 m/min，一次清污的最短距離為30 m.為擴大機器人的應(yīng)用領(lǐng)域，機器人切削部件的刀具可以拆卸，若裝載其他機構(gòu)可以將機器人制作成管道檢測機器人、管道穿纜機器人等.

3 結(jié)論

為提高管道清污機器人的創(chuàng)新設(shè)計水平，加快發(fā)明創(chuàng)造的速度，本文利用TRIZ 理論成功研制了一款適用于小口徑管道、集清淤與排污為一體的管道清污機器人.

（1）通過對管道清污機器人的設(shè)計需求進行研究，利用TRIZ 理論的分離原理解決機器人整體設(shè)計過程中的物理沖突，將機器人整體的創(chuàng)新設(shè)計劃分為各功能部件的創(chuàng)新設(shè)計，降低了設(shè)計難度.

（2）基于TRIZ 理論的發(fā)明原理，對機器人各功能部件中遇到的技術(shù)沖突進行分析求解，并選擇最優(yōu)解完成了清污機器人切削部件、行走部件、防水部件以及排污部件的創(chuàng)新設(shè)計.

（3）通過對樣機進行試驗，本文所設(shè)計的管道清污機器人能實現(xiàn)管徑為500～800 mm 的小口徑管道非開挖清污，相對人工清淤，更加高效安全，避免人力物力的浪費，為相關(guān)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計與功能完善提供了新的參考.