【正文】 (35)根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)可知，p=，d=320mm，根據(jù)圖33的吸力與最大負載，當負載為大約500N時應(yīng)取真空度V=，由此可以得到： (36) (37)圖33 吸力與最大負載曲線圖（圖片來自文獻[1]） (38)根據(jù)計算分析出最可能發(fā)生危險的情形是爬墻機從壁面滑落。綜合以上論證，爬壁機器人吸附機構(gòu)的設(shè)計是合理的，是能夠支持爬壁機器人正常工作的。履帶采用橡膠履帶，橡膠履帶是由橡膠主體、芯金、簾線骨架材料，通過模壓硫化而制成。 爬壁機器人行走機構(gòu)的論證表格31所示為橡膠履帶基質(zhì)天然橡膠和順丁橡膠的主要性能，表格32為履帶輪材料聚碳酸酯的主要。 圖34 主動輪的三維造型圖履帶輪驅(qū)動履帶轉(zhuǎn)動時，根據(jù)功率的關(guān)系： (312)式中各符號的意義為：P——驅(qū)動輪傳遞給履帶的功率，單位為W；——主動輪驅(qū)動履帶的扭矩，單位為；——為主動輪轉(zhuǎn)動的角速度，單位rad/s；——安全系數(shù)，是為了保證有一定的功率裕量和功率損耗，一般取2~3；——機器人的總質(zhì)量，單位為；——重力加速度，單位為；——機器人在壁面上運行的速度，單位。機器人的動力源、傳動系統(tǒng)、背倉等都是裝在車體內(nèi)部的，因此車體應(yīng)當做成上下車體組裝的形式；為了擴大零部件安裝的空間車體設(shè)計成上下分層的結(jié)構(gòu)。上車體上面凸出室分為兩個空間分別放置控制系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)，上車體前端預(yù)留有兩個孔一個用于為汽油機加油，一個用于啟動汽油機。因此，車體連接螺栓受到較大的剪。在此，僅進行螺栓受剪強度的校核。履帶與履帶輪的聯(lián)結(jié)經(jīng)過校核最可能出現(xiàn)的不安全事故為履帶輪輪齒的失效，因此對履帶輪的輪齒進行了校核計算。背倉由背倉固定螺栓固定于車體內(nèi)，在上下車體相對于背倉開口處都開有取物口。它由清潔系統(tǒng)支架、清潔電機、清潔頭、電池、開關(guān)等組成，清潔電機由電池供電，清潔口安裝在電機伸出桿上。在設(shè)計傳遞消防水管部件時應(yīng)做到兩點：第一，消防水管能夠安全牢固的固定在部件上；第二，便于固定與卸下。遙控控制系統(tǒng)包括地面遙控器和安裝于機器人上的信號接收器，它的作用分別是用于地面操作人員對機器人的操控和接收操控信號并將相應(yīng)的命令轉(zhuǎn)化為控制信號傳給動作控制系統(tǒng)。a)控制系統(tǒng)部件 b）地面遙控器 圖44 控制系統(tǒng)零部件 本章小結(jié) 本章介紹了履帶吸盤式爬壁機器人的幾個附屬部件的結(jié)構(gòu)與功能。 爬壁機器人的控制系統(tǒng)由遙控控制系統(tǒng)和動作控制系統(tǒng)組成，本章中對兩類控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成進行了簡單的敘述，側(cè)重于功能的定義與分39第5 章 結(jié)論與展望第5章 結(jié)論與展望履帶吸盤式爬壁機器人融合了真空吸盤吸附方式和履帶式行走方式的優(yōu)點，在越障、壁面適應(yīng)性等方面具有突出的優(yōu)點。因此，為了進一步滿足市場對爬壁機器人的要求，應(yīng)當對現(xiàn)有理論做進行更加深入地研究，完善現(xiàn)有設(shè)計。我國的爬壁機器人研究起步較晚但成果還是比較突出，因此我相信在相關(guān)研究人員的共同努力下，我國的爬壁機器人行業(yè)必將會迎來更加燦爛輝煌的明天。（解釋來自：百度百科） 圖注釋1 一對力偶示意圖（圖片來自百度網(wǎng)）②真空發(fā)生器：真空發(fā)生器就是利用正壓氣源產(chǎn)生負壓的一種新型，高效，清潔，經(jīng)濟，小型的真空元器件，這使得在有壓縮空氣的地方，或在一個氣動系統(tǒng)中同時需要正負壓的地方獲得負壓變得十分容易和方便，真空發(fā)生器的傳統(tǒng)用途是吸盤配合進行各種物搬運。圖注釋3 安全測試的裝置 注釋4吸力和安全負載之間的關(guān)系 （圖片來自文獻[1]） （圖片來自文獻[2]）45謝辭謝辭47能量物料信號模型：應(yīng)用于TRIZ理論的工程設(shè)計黑箱模型的改進譯文與原文漢語譯文能量物料信號模型：應(yīng)用于TRIZ理論的工程設(shè)計黑箱模型的改進Madara Ogot（美國賓夕法尼亞州州立大學(xué)，工程設(shè)計綱要及機械與核工程系，大學(xué)園，PA 16802,，美國 madaraogot）摘要：“發(fā)明問題的解決理論”（TRIZ）被廣泛地認為是一種適用于多學(xué)科領(lǐng)域的有效的系統(tǒng)的創(chuàng)新方法。因此，它移除了通向更加廣闊的TRIZ應(yīng)用的障礙而不需要設(shè)計者學(xué)習新的本質(zhì)不同的建模方法；本論文通過許多的實例達到了這種奇妙的功效。盡管TRIZ有如此強大的用途，但是無論是在工業(yè)上還是學(xué)術(shù)上它都沒有在工程設(shè)計方面得到廣泛的運用。在以下的文章中，將由兩個實例講述“能源物質(zhì)信號”模型的發(fā)展與應(yīng)用。這些最初的分析從眾多專利中提取出了眾多的解決模式，這些解決模式可以被成功地用來解決新問題。核心創(chuàng)業(yè)的開拓與突破是一個市場機遇、模式、路線和路線上的企業(yè)的技術(shù)狀態(tài)和企業(yè)的包容能力相融合的過程。TRIZ被認為是一種可以產(chǎn)生解決問題良好方法的原理，該原理運用了先前發(fā)明家濃縮的知識精華。該一般的TRIZ設(shè)計問題指向相應(yīng)的一般TRIZ設(shè)計方案，設(shè)計團隊可以從這些設(shè)計方案中獲得解決他們具體設(shè)計問題的方法。但是成功與有價值的創(chuàng)新應(yīng)該是在數(shù)字技術(shù)環(huán)境下的進行。若沖突矛盾確實存在，我們就可以選擇這些問題解決原理或者標準解去解決沖突、尋求答案。在39個工程參量和一個矛盾解決矩陣中，我們可以由實際問題依據(jù)40個原理選其中有用部分，選擇的前提是這些參量和要解決的矛盾有關(guān)連的。因此一個公式（被稱為物質(zhì)場）可以被定義為具有一個物質(zhì)S1，其被一個場F1作用，因而生成了第二個物質(zhì)S2。參數(shù)S1 、S2也常常被稱為功能載體、功能作用體，功能作用體分別地作用于功能載體以對其產(chǎn)生所需要的影響。s等人的主要工作是研究機械類導(dǎo)向型的專利，近年來許許多多的研究人員開始研究世界范圍內(nèi)涉及各個領(lǐng)域的專利同時不斷更新TRIZ工具。SFA和TOP算法都要求工程設(shè)計人員學(xué)習新的建模技術(shù)、習慣和術(shù)語，因此它將阻礙技術(shù)更新。設(shè)計人員從選定的路線中確定當前產(chǎn)品屬于哪一種情形。每種潛在狀態(tài)同樣也蘊含著蘊含一種或幾種關(guān)于潛在解決技術(shù)矛盾的新想法、新原理，這些新想法及原理可作為當前技術(shù)方案在將來發(fā)展中的改進。因此，對設(shè)計人員而言，作用解的數(shù)據(jù)庫是十分必要的輔助工具。因此，一個工程系統(tǒng)最初可以被建模成一個如圖2所示的“黑箱”，在“黑箱”的兩側(cè)有能源、物料、信號作為輸入或者輸出。下一代技術(shù)方案的概念發(fā)展應(yīng)該在思路產(chǎn)生之后發(fā)生。每個子問題映射到相應(yīng)的子功能則一個小小的設(shè)計形成了，最后整合所有已獲得的子功能就可以得到整體所需要的總功能。企業(yè)產(chǎn)生出的新穎創(chuàng)意可以傳播銷售到其他企業(yè)，這使得企業(yè)自身能夠保持領(lǐng)先優(yōu)勢。人們這些從低級需求到高級需求的轉(zhuǎn)變對于企業(yè)來說則意味著機遇。當安裝于汽車前端的碰撞傳感器感應(yīng)到汽車大速率減速時，安全氣囊展開。整個汽車安全氣囊的“黑箱”模型有一個信號輸入，輸入信號即為由汽車碰撞產(chǎn)生的機械能。要注意司機和氣囊之間的距離以及氣囊與車廂內(nèi)側(cè)之間的距離，因為這兩個距離可以表明機械力的作用是雙向的。在圖中，箭頭表示出了事情發(fā)生的先后順序，始于沖擊的檢測，（傳感器）發(fā)信號給化學(xué)反應(yīng)裝置，化學(xué)反應(yīng)裝置迅速產(chǎn)生填充氣體和機械能給氣囊。通常，安全氣囊可以在碰撞被探測出后1/20秒的時間內(nèi)充分展開(據(jù)Kowalick, 1997年)。“黑箱”建模實例在本論文中舉出了從TRIZ文獻中摘取的兩則實例用以說明“黑箱”模型的使用方法。這其中對于企業(yè)來說蘊含巨大商機：例如，相關(guān)企業(yè)去生產(chǎn)所需鋼管，大口徑閥門；創(chuàng)新思路與設(shè)計產(chǎn)品，把他們的產(chǎn)品賣給這些工程管理者。另一方面，“黑箱”建?？梢赃M行對現(xiàn)存系統(tǒng)的重新設(shè)計：將現(xiàn)存系統(tǒng)分解為對應(yīng)子功能的子系統(tǒng)，然后將子系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的子功能，如此下去就可以實現(xiàn)對現(xiàn)存系統(tǒng)的重新設(shè)計。通過問題分解，我們可以將對一個大的復(fù)雜的工程問題的解決轉(zhuǎn)化尋找一個個簡單的的子問題解決辦法的問題。因此這種工程系統(tǒng)可以表示出輸入和輸出之間的功能關(guān)系。接下來討論的黑箱建模是基于Pahl和Beitz (1996)的工作。系列5則被用來對預(yù)先解做最后的修正并得到終解。通過運用以上檢索方法，一種或幾種技術(shù)矛盾解決原理就被選定出來。在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中，通過檢索進化理論中不同思維模式和問題解決路線可以發(fā)現(xiàn)與我們正在研究的現(xiàn)有產(chǎn)品的相關(guān)聯(lián)的解決問題的方法。在TOP分析方法中有四個元素：功能載體、功能作用體、場和作用功效，其中作用功效可以被定義為有益的功效（簡稱UP）或是有害的功效（簡稱HP）。另外，如果功能作用體對功能載體具有損害性的影響，這時直的場線將會被彎曲成波浪線以表示將會有損害發(fā)生。值得注意的是在眾多的TRIZ文獻中，對物質(zhì)場的圖表描述有很大的不同。TRIZ理論中共有75個標準解，根據(jù)問題解決方式的不同，它們被劃分成五個大類。如果有一個或兩個概念被接受與認可，它們就可以被融入到接下來的設(shè)計與制造環(huán)節(jié)中去；如果概念沒有被接受或認可，就只能再次返回到創(chuàng)新評估階段去尋找新的解決方法。發(fā)明的原理、標準解和作用解這些TRIZ原理的基本工具在這些情形下非常有用和有效的。如何將解決實際問題與創(chuàng)新結(jié)合起來呢？創(chuàng)新的核心是找到困難與矛盾所在，諸如解決沖突問題和尋求快速解決的辦法。從圖1可以看出，一個設(shè)計團隊運用TRIZ原理將一個具體的設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為一個一般的TRIZ設(shè)計問題。構(gòu)造與加工的設(shè)計融合有賴于環(huán)境的支持。而核心是基于TRIZ的用于產(chǎn)品開發(fā)的程序模型。TRIZ是俄文中“發(fā)明問題的解決理論”的字頭，最早由以Genrich Altshuller為首的原蘇聯(lián)科研人員開始研究，現(xiàn)已被全世界所推廣運用。該目的的實現(xiàn)是通過將黑箱建模技術(shù)這一廣泛運用于工程設(shè)計問題描述和分析的方法進行改進以使其能夠應(yīng)用于TRIZ。為了獲得更多的讀者，大多數(shù)的TRIZ文章均使用已為TRIZ協(xié)會開發(fā)了很多年的普通建模方法和術(shù)語。例如，黑箱建模技術(shù)，一種在工程設(shè)計中較為普遍的問題表達分析方法，被修改以應(yīng)用于TRIZ原理。在試驗中發(fā)現(xiàn),安全負載會隨著吸盤真空度的增加而增加，但是并不是線性增加的。力偶對物體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)。從本文的研究結(jié)果可以看出，爬壁機器人在工業(yè)、民生、國防等眾多領(lǐng)域有著極為重要而積極的作用。本文對履帶吸盤式爬壁機人的研究與開發(fā)正是本著這樣的宗旨，因此本結(jié)構(gòu)原理的研究與探討嘗試對啟發(fā)引導(dǎo)相關(guān)設(shè)計人員注重將現(xiàn)有爬壁機器人結(jié)構(gòu)原理相互融合并在此基礎(chǔ)上對其進行推陳出新具有重要的作用。電動式清潔壁面組件能夠隨爬壁機器人進行壁面的清潔，而且具有清潔面積大，工作可靠等優(yōu)點。本課題對控制系統(tǒng)部分沒有做較為詳細的設(shè)計，僅做了相應(yīng)零部件的三維造型。水管卡頭用于卡住消防水管的頭部，使其固定；壓水管板用以壓住頭部以下水管，避免水管頭部拉力過于集中而造成對水管的損壞。圖42（a）所示為壁面清潔系統(tǒng)的三維裝配圖，（b）為裝配圖的爆炸視圖。圖41（a）所示為背倉的裝配體，圖41（b）為可轉(zhuǎn)位鎖柱組件在滑板上的裝配體。37第4章 履帶吸盤式爬壁機器人附屬部件開發(fā)與設(shè)計第4章 履帶吸盤式爬壁機器人附屬部件開發(fā)與設(shè)計為完成特定的的功能，僅僅有機器人本體還是不夠的，在本章內(nèi)將對與機器人本體相配合的附屬部件進行簡單地研究與設(shè)計。 本章小結(jié)為了將對履帶吸盤式爬壁機器人的結(jié)構(gòu)原理的研究與實踐相結(jié)合，本章對履帶吸盤式爬壁機器人進行了開發(fā)設(shè)計，針對可能出現(xiàn)的安全可靠性問題進行了分析與驗證。聯(lián)結(jié)損壞可能的形式有：螺栓被剪斷，孔壁被壓潰等。圖35為車體的裝配圖。 爬壁機器人車體的設(shè)計爬壁機器人車體長為900mm，寬為400mm，硬質(zhì)合金鑄件壁厚8mm，為提高車體強度，上下車體的內(nèi)側(cè)均有加強肋板。對主動輪中心取矩，由平衡方程，可得： (314)式中，——主動輪工作中一個齒上的剪力為；——主動輪的直徑，單位為mm；——同時處于工作狀態(tài)的齒輪數(shù)；對于主動輪的轉(zhuǎn)動有： (315)式中，r——主動輪的半徑，單位m；聯(lián)立式312，313，314，315可以得到，主動輪輪齒底部受到的切應(yīng)力： (316)式中，機器人的總重量m為45Kg，主動輪輪齒底部寬l為30mm，將以上數(shù)據(jù)代入式（316），可以得到： (317)對于主動輪的聚碳酸酯材料可以由其抗拉強度參考其抗切應(yīng)力的強度，故有： (318)由式318可知，爬壁機器人的主動輪強度滿足要求，綜合以上討論證明可知爬壁機器人的行走機構(gòu)滿足強度要求，能夠保證機器人安全可靠地完成工作任務(wù)。但是履帶是由橡膠主體、芯金、簾線骨架材料組成，碳素彈簧鋼絲（）抗拉強度為2059~2452MPa，因此履帶輪出現(xiàn)危險的可能性大，下面對履帶輪進行校核。履帶輪采用的材料為聚碳酸酯注塑而成。本課題主要研究機器人的結(jié)構(gòu)原理，故重點進行前三部分的設(shè)計與論證?？紤]到機器人在越障時第一組吸盤可能發(fā)生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，應(yīng)當另外增加安全系數(shù)，在設(shè)計時，考慮只有下面4 組吸盤組工作時機器人仍能夠安全吸附。避免機器人從墻面上滑落。a) 吸盤結(jié)構(gòu)簡圖 b) 吸盤三維造型圖