【正文】 要注意司機(jī)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?yàn)檫@兩個距離可以表明機(jī)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(jī)械能給氣囊。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(jī)械能。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)。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，安全氣囊展開?！昂谙洹苯?shí)例在本論文中舉出了從TRIZ文獻(xiàn)中摘取的兩則實(shí)例用以說明“黑箱”模型的使用方法。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(jī)遇。這其中對于企業(yè)來說蘊(yùn)含巨大商機(jī)：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。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。另一方面，“黑箱”建模可以進(jìn)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(shí)現(xiàn)對現(xiàn)存系統(tǒng)的重新設(shè)計。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。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。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。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。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。接下來討論的黑箱建模是基于Pahl和Beitz (1996)的工作。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。系列5則被用來對預(yù)先解做最后的修正并得到終解。每種潛在狀態(tài)同樣也蘊(yùn)含著蘊(yùn)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(dāng)前技術(shù)方案在將來發(fā)展中的改進(jìn)。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。設(shè)計人員從選定的路線中確定當(dāng)前產(chǎn)品屬于哪一種情形。在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，通過檢索進(jìn)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。SFA和TOP算法都要求工程設(shè)計人員學(xué)習(xí)新的建模技術(shù)、習(xí)慣和術(shù)語，因此它將阻礙技術(shù)更新。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）。s等人的主要工作是研究機(jī)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。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。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。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。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。TRIZ理論中共有75個標(biāo)準(zhǔn)解，根據(jù)問題解決方式的不同，它們被劃分成五個大類。在39個工程參量和一個矛盾解決矩陣中，我們可以由實(shí)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。如果有一個或兩個概念被接受與認(rèn)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(rèn)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。若沖突矛盾確實(shí)存在，我們就可以選擇這些問題解決原理或者標(biāo)準(zhǔn)解去解決沖突、尋求答案。發(fā)明的原理、標(biāo)準(zhǔn)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。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(jìn)行。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。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(tuán)隊(duì)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。從圖1可以看出，一個設(shè)計團(tuán)隊(duì)運(yùn)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。TRIZ被認(rèn)為是一種可以產(chǎn)生解決問題良好方法的原理，該原理運(yùn)用了先前發(fā)明家濃縮的知識精華。構(gòu)造與加工的設(shè)計融合有賴于環(huán)境的支持。核心創(chuàng)業(yè)的開拓與突破是一個市場機(jī)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。而核心是基于TRIZ的用于產(chǎn)品開發(fā)的程序模型。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。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。在以下的文章中，將由兩個實(shí)例講述“能源物質(zhì)信號”模型的發(fā)展與應(yīng)用。該目的的實(shí)現(xiàn)是通過將黑箱建模技術(shù)這一廣泛運(yùn)用于工程設(shè)計問題描述和分析的方法進(jìn)行改進(jìn)以使其能夠應(yīng)用于TRIZ。盡管TRIZ有如此強(qiáng)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(yùn)用。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。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(xí)新的本質(zhì)不同的建模方法；本論文通過許多的實(shí)例達(dá)到了這種奇妙的功效。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(dá)分析方法，被修改以應(yīng)用于TRIZ原理。圖注釋3 安全測試的裝置 注釋4吸力和安全負(fù)載之間的關(guān)系 （圖片來自文獻(xiàn)[1]） （圖片來自文獻(xiàn)[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(jìn)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(jìn)Madara Ogot（美國賓夕法尼亞州州立大學(xué)，工程設(shè)計綱要及機(jī)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(rèn)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。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),安全負(fù)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。（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，或在一個氣動系統(tǒng)中同時需要正負(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)。力偶對物體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)。我國的爬壁機(jī)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(jī)器人行業(yè)必將會迎來更加燦爛輝煌的明天。從本文的研究結(jié)果可以看出，爬壁機(jī)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。因此，為了進(jìn)一步滿足市場對爬壁機(jī)器人的要求，應(yīng)當(dāng)對現(xiàn)有理論做進(jìn)行更加深入地研究，完善現(xiàn)有設(shè)計。本文對履帶吸盤式爬壁機(jī)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(jī)器人結(jié)構(gòu)原理相互融合并在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行推陳出新具有重要的作用。 爬壁機(jī)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(jìn)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(jī)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(diǎn)，在越障、壁面適應(yīng)性等方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)。電動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)。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)器人的幾個附屬部件的結(jié)構(gòu)與功能。本課題對控制系統(tǒng)部分沒有做較為詳細(xì)的設(shè)計，僅做了相應(yīng)零部件的三維造型。遙控控制系統(tǒng)包括地面遙控器和安裝于機(jī)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(jī)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)。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。在設(shè)計傳遞消防水管部件時應(yīng)做到兩點(diǎn)：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。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。它由清潔系統(tǒng)支架、清潔電機(jī)、清潔頭、電池、開關(guān)等組成，清潔電機(jī)由電池供電，清潔口安裝在電機(jī)伸出桿上。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。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。37第4章 履帶吸盤式爬壁機(jī)器人附屬部件開發(fā)與設(shè)計第4章 履帶吸盤式爬壁機(jī)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(jī)器人本體還是不夠的，在本章內(nèi)將對與機(jī)器人本體相配合的附屬部件進(jìn)行簡單地研究與設(shè)計。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(jìn)行了校核計算。 本章小結(jié)為了將對履帶吸盤式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理的研究與實(shí)踐相結(jié)合，本章對履帶吸盤式爬壁機(jī)器人進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計，針對可能出現(xiàn)的安全可靠性問題進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。在此，僅進(jìn)行螺栓受剪強(qiáng)度的校核。聯(lián)結(jié)損壞可能的形式有：螺栓被剪斷，孔壁被壓潰等。因此，車體連接螺栓受到較大的剪。圖35為車體的裝配圖。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(jī)加油，一個用于啟動汽油機(jī)。 爬壁機(jī)器人車體的設(shè)計爬壁機(jī)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(qiáng)度，上下車體的內(nèi)側(cè)均有加強(qiáng)肋板。機(jī)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(dāng)做成上下車體組裝的形式；為了擴(kuò)大零部件安裝的空間車體設(shè)計成上下分層的結(jié)構(gòu)。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(jī)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(qiáng)度參考其抗切應(yīng)力的強(qiáng)度，故有： (318)由式318可知，爬壁機(jī)器人的主動輪強(qiáng)度滿足要求，綜合以上討論證明可知爬壁機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，能夠保證機(jī)器人安全可靠地完成工作任務(wù)。 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(jī)器人的總質(zhì)量，單位為；——重力加速度，單位為；——機(jī)器人在壁面上運(yùn)行的速度，單位。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(qiáng)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(jìn)行校核。 爬壁機(jī)器人行走機(jī)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。履帶輪采用的材料為聚碳酸酯注塑而成。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。本課題主要研究機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理，故重點(diǎn)進(jìn)行前三部分的設(shè)計與論證。綜合以上論證，爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計是合理的，是能夠支持爬壁機(jī)器人正常工作的?？紤]到機(jī)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(dāng)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(jī)器人仍能夠安全吸附。 壁面機(jī)器人傾翻從理論上，由式(31) 可知，只要滿足 0 ,則條件(2) 滿足條件，求得： (32)根據(jù)式(31) 和(32) ，機(jī)器人牢靠吸附在工作面上(不從玻璃壁面上滑落或傾翻下來) 的條件應(yīng)該滿足:G min(，) (33)理論上： = 5μV　 (34)= (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(fù)載，當(dāng)負(fù)載為大約500N時應(yīng)取真空度V=，由此可以得到： (36)