【正文】 。根據(jù)較為公認(rèn)的爬壁機(jī)器人技術(shù)劃分方法壁面吸附功能的實(shí)現(xiàn)有三種方式即真空吸附、磁吸附和推力吸附。庫特科斯基帶領(lǐng)的研究小組開發(fā)了一種稱為“粘蟲”( Stickybot )的“壁虎機(jī)器人”，這種機(jī)器人的足底長著人造毛(由人造橡膠制成)。機(jī)器人靠磁性車輪對壁面產(chǎn)生吸附力吸附在各種大型構(gòu)造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進(jìn)行檢查或修理等作業(yè)。履帶吸盤式爬壁機(jī)的外形簡圖如圖14所示，上面為俯視圖，下面為左視圖。履帶吸盤式的結(jié)構(gòu)原理提高了爬壁機(jī)器人對不同壁面的適應(yīng)能力，提高了機(jī)器人工作可靠性，必將帶來很高的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。保證機(jī)器人能夠按照地面操作人員的遙控進(jìn)行工作。為了防止吸盤的尾部與履帶輪發(fā)生碰撞干涉，履帶輪中間部位有深45mm的槽；履帶上的孔用于裝配吸盤組件和導(dǎo)氣管通過，履帶上的凸起部分與配氣盤相聯(lián)結(jié)用以為吸盤供氣。本課題要求機(jī)器人有足夠的吸附力，以保證工作安全可靠，高層建筑壁面凹凸不平不太明顯，玻璃壁面為非導(dǎo)磁材料，綜合考慮以上問題，在本設(shè)計(jì)中選擇吸盤式真空吸附的方式，多吸盤的結(jié)構(gòu)形式。(2)避免機(jī)器人從玻璃幕墻上傾翻下來。該回路由真空發(fā)生器真空供給閥真空破壞閥節(jié)流閥真空開關(guān)真空過濾器配氣接口7組成的真空控制回路。 爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與論證爬壁機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)主要由16組吸盤、配氣盤組件、氣動(dòng)回路等構(gòu)成。因此，保證機(jī)器人的安全，要確保： (39) ，根據(jù)爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，總重量M=45kg，故： (310) G (311)由式（311）可知，爬墻機(jī)不會(huì)發(fā)生滑落的危險(xiǎn)，由知其也不會(huì)從壁面傾翻。 爬壁機(jī)器人車體的設(shè)計(jì)與論證爬墻機(jī)器人的車體是支撐爬壁機(jī)器人所有部件的基礎(chǔ)，因此機(jī)器人車體的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡潔工作可靠。吸附機(jī)構(gòu)采用的是吸盤吸附方式，該吸附方式容易出現(xiàn)的不安全事故包括機(jī)器人滑落與傾翻，經(jīng)過一系列的分析計(jì)算確定最可能的事故為滑落，對滑落危險(xiǎn)進(jìn)行了計(jì)算校核。a) 傳遞消防水管部件裝配圖 b）傳遞消防水管部件裝配體爆炸視圖 圖43 傳遞消防水管部件結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)部件開發(fā)與設(shè)計(jì)履帶吸盤式爬壁機(jī)器人采用地面遙控的操作方式，這就要求控制系統(tǒng)包括兩部分，即遙控控制系統(tǒng)和動(dòng)作控制系統(tǒng)。但是，相對于日本、德國等一些發(fā)達(dá)國家而言，我們國家在這些領(lǐng)域的成果還不凸出，因此需要我們進(jìn)一步努力研究與實(shí)踐，在該領(lǐng)域取得更大的成就。然而，這種陳述也會(huì)在將文章中討論的經(jīng)典的TRIZ理論與個(gè)人特定的學(xué)科銜接時(shí)產(chǎn)生困難，從而阻礙TRIZ原理的廣泛運(yùn)用。若有沖突，就要應(yīng)用到TRIZ原理來解決。兩種發(fā)明原理可以用來解決技術(shù)矛盾和物理矛盾。一個(gè)完整系統(tǒng)的TOP分析可以用如下的方程式表示：F 1T O UP (2)方程式（2）表示功能作用體通過場對功能載體產(chǎn)生一個(gè)有用的作用功效。對工程系統(tǒng)的分析表明，其實(shí)質(zhì)是引入或轉(zhuǎn)化能源、物料或者是信號(hào)來獲得所需要的輸出，其中能源可以是多種形式的比如光能、原子核能、機(jī)械能、電能等等；物料是物質(zhì)的表征；信號(hào)則代表著信息傳遞的外觀形態(tài)，例如儲(chǔ)存在硬盤上的數(shù)據(jù)信息可以通過電信號(hào)傳遞到電腦內(nèi)存中。人類需求是不斷從低級(jí)向高級(jí)轉(zhuǎn)變的：從生理需求、安全需求、社會(huì)需求、被尊重的需求，到自我現(xiàn)實(shí)化的需求。然后司機(jī)猛然沖進(jìn)氣囊，隨后發(fā)生與車廂內(nèi)側(cè)的碰撞。新的創(chuàng)意可以直接來源于國際市場上的其他企業(yè)。TRIZ的作用解在模糊的設(shè)計(jì)工作開始階段有助于綜合利用物理學(xué)和問題解決原理實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意催發(fā)一般來講，一個(gè)普通工程人員僅能掌握大約100個(gè)作用解。 注釋1：Altshuller39。正如圖8所示，首先分析問題，尋找解決問題的新思路，然后做出有效甚至正確的決策。支持的該核心數(shù)字技術(shù)是CAI系統(tǒng)。新技術(shù)比如能量、物料、系統(tǒng)建模將不僅僅作為物質(zhì)場建模（原方法）的替代品，而是被吸收入工程設(shè)計(jì)家族現(xiàn)有的知識(shí)中。同時(shí)，履帶吸盤式的結(jié)構(gòu)原理也有缺點(diǎn)，例如轉(zhuǎn)向能力差、吸盤吸附性能不夠穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。 a）壁面清潔部件三維裝配圖 b）壁面清潔部件爆炸視圖 圖42 壁面清潔部件結(jié)構(gòu) 傳遞消防水管部件開發(fā)與設(shè)計(jì)當(dāng)高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，安全通道用于建筑內(nèi)人員疏散，消防水管可直接由爬壁機(jī)器人沿壁面垂直送到發(fā)生火災(zāi)的樓層，交由消防人員或被困群眾滅火。為防止硬質(zhì)合金的車體螺栓孔壁被壓潰，在安裝螺栓時(shí)采用襯套，因此孔壁被壓潰的可能性相對于螺栓被剪斷低。圖34為主動(dòng)輪的三維造型圖。根據(jù)摩擦力的特性，同樣工況下，最大靜摩擦力要大于滑動(dòng)摩擦力，所以有：G min(，) = = Nμ (31)式中：μ———最小摩擦因數(shù)；N ———兩接觸表面間的正壓力。第3 章 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的開發(fā)與設(shè)計(jì)第3章 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的開發(fā)與論證在履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理研究的基礎(chǔ)上，為了將理論更好的與實(shí)踐相結(jié)合，本課題進(jìn)行了爬墻機(jī)器人結(jié)構(gòu)的開發(fā)與設(shè)計(jì)。圖27為履帶與配氣盤的聯(lián)結(jié)示意圖，履帶的突起部恰好裝配于配氣盤和密封氈的凹槽內(nèi)；當(dāng)機(jī)器人工作時(shí)，履帶處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)相應(yīng)的吸盤進(jìn)入或退出工作狀態(tài)時(shí)，由配氣孔完成它們的抽氣、進(jìn)氣工作。當(dāng)機(jī)器人吸附在玻璃壁面上時(shí)，受力情況如圖26，各符號(hào)意義如下:———墻壁對第i組吸盤的法向支撐力(垂直于墻面) ，i = 1，…，4；———作用在第i組吸盤上的真空吸力，i = 1，…，4 ；———墻壁作用在第i吸盤上的摩擦力， i = 1，…，4 ；G ———作用在機(jī)器人上的重力(包括外設(shè)) ；p ———相鄰兩組吸盤之間的距離；d ———機(jī)器人的等效重心到玻璃壁面的距離； 圖26 爬壁機(jī)器人受力示意圖 機(jī)器人在工作時(shí)，當(dāng)其在玻璃壁面上移動(dòng)時(shí)有兩種危險(xiǎn)的情況可能發(fā)生：一種情況是它從墻面上滑落；另一種情況是由于最上方接觸的吸盤由于受傾翻力矩太大脫離墻面，引起機(jī)器人的傾翻。圖23 機(jī)器人工作時(shí)的靜力學(xué)分析 爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對壁面的吸附有三種方式即真空吸附、磁吸附和推力吸附。圖21 c）中驅(qū)動(dòng)輪（主動(dòng)輪）置中，導(dǎo)向輪（從動(dòng)輪）對稱分布，驅(qū)動(dòng)輪及導(dǎo)向輪兼做支撐輪，可增大接觸面積且使履帶上受力集中處遠(yuǎn)離履帶彎曲處，減少了對履帶的損害。本課題對機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求如下：根據(jù)玻璃壁面特點(diǎn)和清洗機(jī)器人爬行、清洗作業(yè)要求，機(jī)器人需要達(dá)到如下性能：①壁面移動(dòng)速度：11~15 m/ min ；②越障高度：50 mm；③本體重量：30 Kg ；④負(fù)載能力：15 Kg ；⑤作業(yè)高度：0～100 m；⑥作業(yè)功能：可進(jìn)行8 mm 以上厚度的玻璃幕墻的清洗作業(yè)；⑦吸附方式：真空吸附方式；⑧控制方式：用PLC可編程控制器，完成順序控制，地面遙控操作。 本章介紹了爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理研究與開發(fā)的價(jià)值，指出爬壁機(jī)器人在建筑業(yè)、核工業(yè)等領(lǐng)域的重要作用，以及研究更加可靠實(shí)用的爬壁機(jī)器人社會(huì)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理的研究特色與價(jià)值本文所研究與開發(fā)的履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理是將吸盤的真空吸附方式和履帶式移動(dòng)方式相結(jié)合，真空吸盤固定在柔性的履帶上，采用雙履帶對稱結(jié)構(gòu)。這些問題都需要驅(qū)動(dòng)和能源相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，需要將先進(jìn)的、最新的科研成果應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的研究與開發(fā)。范德華力是中性分子彼此距離非常近時(shí)產(chǎn)生的一種微弱電磁引力。國內(nèi)較早發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)，他們已研制成功壁面爬行遙控檢測機(jī)器人，采用真空吸附方式，通過運(yùn)載小車使機(jī)器人在壁面上下左右自由行走。 由此可見，爬壁機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛涉及民生、核工業(yè)、造船工業(yè)等，并在這些領(lǐng)域中擔(dān)任著十分重要的工作，能夠促進(jìn)生產(chǎn)力的提高、改善人民的生活與工作條件。足式機(jī)器人能跨越較小的障礙，但移動(dòng)速度慢；車輪式移動(dòng)速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難，車輪的直徑會(huì)使機(jī)器人相對于壁面的扭矩增大，使機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定型和安全性相應(yīng)降低；履帶式對壁面適應(yīng)性強(qiáng)，著地面積大，機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，但其不易轉(zhuǎn)彎。在移動(dòng)機(jī)器人中廣泛應(yīng)用的是輪式和履帶式移動(dòng)方式，但是足式移動(dòng)方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點(diǎn)。吸附機(jī)構(gòu)由安裝在鏈條上的13組吸盤及真空發(fā)生器等組成。（3）配氣盤式的吸盤抽進(jìn)氣系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地完成吸盤的抽進(jìn)氣工作，有效地解決了在旋轉(zhuǎn)的履帶間通氣管相互纏繞的問題。 爬壁機(jī)器人的基本功能爬壁機(jī)器人要在壁面移動(dòng)，對壁面進(jìn)行清潔或傳遞救援物質(zhì)，就需要具備以下基本的功能：（1） 吸附與行走功能吸附與行走是爬壁機(jī)器人所需具備的兩個(gè)基本功能，因此爬壁機(jī)器人應(yīng)具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力能夠大于機(jī)器人的重力，防止墜落；同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠使機(jī)器人在壁面上自由行走移動(dòng)。本課題研究的爬壁機(jī)器人在高層建筑的垂直壁面上行走并完成清潔及傳遞救援物質(zhì)工作，為了防止機(jī)器人從垂直壁面上滑落，機(jī)器人必須與壁面間保持足夠的吸附力，并具有一定的抗傾覆能力。吸盤系統(tǒng)由16組吸盤及配氣盤裝置組成。由于機(jī)器人重心離壁面距離為h， 與F 形成的力矩將影響到重心上半部分對壁面的有效壓力，同時(shí)，考慮到由于地面有縫隙而減少真正吸附壁面的吸盤個(gè)數(shù)，引入安全系數(shù)，則單個(gè)吸盤的吸附力為： （25）值的大小取決于壁面灰塵、空隙大小、凹凸平度以及行走中遇到障礙物如電線、導(dǎo)氣管等因素，一般取2~3。在保證次危險(xiǎn)安全的情況下，保證最危險(xiǎn)的情況不會(huì)發(fā)生，由此才能保證爬壁機(jī)器人安全地工作。 本章小結(jié)本章描述了清潔壁面爬壁機(jī)器人的工作過程，指出為完成此工作過程爬壁機(jī)器人所需完成的功能，包括基本功能吸附、行走以及一些輔助功能。圖31(b)為單個(gè)吸盤組件的三維造型圖。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。上車體上面凸出室分為兩個(gè)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(gè)孔一個(gè)用于為汽油機(jī)加油，一個(gè)用于啟動(dòng)汽油機(jī)。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。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(jī)器人的幾個(gè)附屬部件的結(jié)構(gòu)與功能。（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(fù)壓的一種新型，高效，清潔，經(jīng)濟(jì)，小型的真空元器件，這使得在有壓縮空氣的地方，或在一個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)中同時(shí)需要正負(fù)壓的地方獲得負(fù)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(jìn)行各種物搬運(yùn)。在以下的文章中，將由兩個(gè)實(shí)例講述“能源物質(zhì)信號(hào)”模型的發(fā)展與應(yīng)用。該一般的TRIZ設(shè)計(jì)問題指向相應(yīng)的一般TRIZ設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以從這些設(shè)計(jì)方案中獲得解決他們具體設(shè)計(jì)問題的方法。因此一個(gè)公式（被稱為物質(zhì)場）可以被定義為具有一個(gè)物質(zhì)S1，其被一個(gè)場F1作用，因而生成了第二個(gè)物質(zhì)S2。設(shè)計(jì)人員從選定的路線中確定當(dāng)前產(chǎn)品屬于哪一種情形。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。當(dāng)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(shí)，安全氣囊展開。通常，安全氣囊可以在碰撞被探測出后1/20秒的時(shí)間內(nèi)充分展開(據(jù)Kowalick, 1997年)。通過問題分解，我們可以將對一個(gè)大的復(fù)雜的工程問題的解決轉(zhuǎn)化尋找一個(gè)個(gè)簡單的的子問題解決辦法的問題。通過運(yùn)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。值得注意的是在眾多的TRIZ文獻(xiàn)中，對物質(zhì)場的圖表描述有很大的不同。如何將解決實(shí)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。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(yùn)用。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),安全負(fù)載會(huì)隨著吸盤真空度的增加而增加，但是并不是線性增加的。電動(dòng)式清潔壁面組件能夠隨爬壁機(jī)器人進(jìn)行壁面的清潔，而且具有清潔面積大，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。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。圖35為車體的裝配圖。履帶輪采用的材料為聚碳酸酯注塑而成。a) 吸盤結(jié)構(gòu)簡圖 b) 吸盤三維造型圖 圖31 吸盤結(jié)構(gòu) 吸盤由軟塑料經(jīng)注塑制成，殼體為鋁合金件，為了防止在機(jī)器人工作過程中吸盤組件殼體折斷發(fā)生危險(xiǎn)，吸盤與履帶結(jié)合部材料較厚。對爬壁機(jī)器人兩個(gè)重要基本功能吸附和移動(dòng)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和分析。因此，保證機(jī)器人的安全，要確保： (221)或表示為： (222)式中：G ———機(jī)器人和負(fù)載總的質(zhì)量；　 ———作用在機(jī)器人吸盤上吸力的總和，= 4V ；　　　λ = 1/ μ；　　　 n ———安全系數(shù)。在忽略氣體摩擦和位置時(shí)，由伯努利方程得： 即 (2