基于TRIZ理論的巡檢機(jī)器人移動底盤結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

摘要：【目的】針對搭載精密儀器的巡檢機(jī)器人在凸臺、溝槽等復(fù)雜路面運(yùn)動時(shí)，其作業(yè)平面不能始終保持平穩(wěn)狀態(tài)的問題，基于矛盾分析法、物-場模型對機(jī)器人移動底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)?！痉椒ā刻岢隽艘环N浮動式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對浮動式移動底盤進(jìn)行了凸臺、跨溝等復(fù)雜路況越障分析與行駛平順性分析；運(yùn)用Adams仿真軟件，對改進(jìn)前后的兩種移動底盤進(jìn)行復(fù)雜路況下的運(yùn)動對比仿真；搭建浮動式移動底盤試驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行了復(fù)雜路面的運(yùn)動試驗(yàn)。【結(jié)果】試驗(yàn)結(jié)果表明，浮動式移動底盤自適應(yīng)性能力較強(qiáng)，在越障時(shí)能保持其作業(yè)平面的平穩(wěn)性。

關(guān)鍵詞：TRIZ；浮動式底盤；越障；自適應(yīng)性；平穩(wěn)性

中圖分類號：TH122 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 01. 021

0 引言

巡檢機(jī)器人是集環(huán)境感知、自主導(dǎo)航與定位、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的智能巡檢裝備，被廣泛應(yīng)用于電力、石油、消防、礦用等領(lǐng)域[1-2]。巡檢機(jī)器人的移動底盤是機(jī)器人重要的組成部分之一，主要有輪式[3]、履帶式[4]、腿式[5]、輪履復(fù)合式[6]、輪腿復(fù)合式[7]等結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)的移動底盤對機(jī)器人行駛平順性的影響不同。巡檢機(jī)器人的移動底盤往往會搭載精密儀器、傳感器等各種作業(yè)工具和信息感知組件。在面對各種復(fù)雜未知路況時(shí)，要求機(jī)器人具備較強(qiáng)的地形適應(yīng)性和通過性，因而對巡檢機(jī)器人移動底盤的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

針對以上問題，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。美國的Mule六輪機(jī)器人[8]、北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所研制的六輪機(jī)器人[9]、天津理工大學(xué)研制的六輪救援機(jī)器人[10]，都是通過擺臂式懸架保持驅(qū)動輪與地面的實(shí)時(shí)接觸，具備較強(qiáng)的越障能力。中國礦業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一套輪式巡檢機(jī)器人試驗(yàn)教學(xué)平臺，前置主動輪采用大直徑驅(qū)動輪，后置從動輪選用小直徑無動力萬向輪，通過增大輪徑提高巡檢機(jī)器人的越障能力[11]。魏軍英等[12]提出一種新型變形輪式越障機(jī)器人，通過改變機(jī)器人變形輪的形狀與尺寸，提高機(jī)器人在面對未知環(huán)境下的越障能力。履帶式巡檢機(jī)器人相比于輪式機(jī)器人越障能力高，但因其笨重且無減振機(jī)構(gòu)，在復(fù)雜路面運(yùn)動時(shí)易產(chǎn)生較大的振動。陳松松等[13]提出具有柔性懸架的履帶式移動底盤設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明，柔性懸架的履帶式移動底盤具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)性與通過性。汪步云等[14]提出一種雙叉懸架減振機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，改善機(jī)器人減振效果和越障性能，提高了機(jī)器人在復(fù)雜路面運(yùn)動的性能。

以上機(jī)器人均搭載精密儀器，其移動底盤的設(shè)計(jì)主要是提高機(jī)器人移動底盤的越障能力，未涉及到機(jī)器人在越障時(shí)能否為其搭載的精密儀器提供一個(gè)平穩(wěn)的作業(yè)平臺的問題。對此，本文基于TRIZ理論提出一種浮動式移動底盤的設(shè)計(jì)，通過仿真與試驗(yàn)分析，驗(yàn)證該機(jī)器人移動底盤在復(fù)雜路面上仍能保持其作業(yè)平臺的平穩(wěn)性。

1 基于TRIZ 理論浮動式移動底盤的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）理論是一套系統(tǒng)化的、實(shí)用的解決創(chuàng)造發(fā)明問題的方法[15-16]，包含分析問題、解決問題和提出方案解決3個(gè)流程。TRIZ理論為設(shè)計(jì)者提供不同維度的創(chuàng)新思維模式，以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率。

1. 1 問題描述

目前，巡檢機(jī)器人移動底盤結(jié)構(gòu)類型主要有輪式、履帶式、腿式等，在平坦的路況下，此類機(jī)器人的移動性能及平穩(wěn)性能較好；但是面對凸臺、溝槽等復(fù)雜的路況環(huán)境，巡檢機(jī)器人的移動底盤平穩(wěn)運(yùn)行能力明顯降低。