吸喷嘴设计

1. 问题描述

喷流驱动机器人常用于管状液体流道内的各种探测和清理作业，它主要依靠喷嘴对液体的喷射和吸入来驱动，其中较为常见的是血管机器人。如专利为ZL201010299445.6的“一种射流驱动的血管机器人”（其原理图如图7−1所示），它在狭长的血管内移动，想要调头反向移动几乎是不可能的。因此，设计出既承担吸流作用，又承担喷流作用的喷嘴对提高血管机器人的灵活性有重大意义。

图7−1 射流驱动血管机器人的原理图

1—喷嘴；2—壳体；3—作业装置；4—无线接收控制块；5—变量泵；6—控制单元

根据流体力学的知识，吸流与喷流是两种不同的工况，吸流与喷流时液体与固体壁面之间的相互作用也不同。在吸流时，希望喷嘴的端口变大，以便于液体的聚集，进而提高吸入效率；喷流时，希望喷嘴的端口变小，使液体在流道内增压后喷出。然而，如果通过改变电动机输入或输出的功率来控制液体的进出量，显然会增加额外的成本。

2. 基于基元模型的矛盾分析

根据可拓学的形式化描述，喷嘴最终预实现的目标G可表述为：

G=M 1∧M2

其中，两目标基为元

喷嘴的现状条件L用物元M表述为：

显然，这是一个对立问题模型，即

P=G*L=(M 1∧M2)↑M

从上述对立问题模型的分析中可以看出，该问题的产生是由于目标基元的两个特征间相互制约，又相互依存而导致的矛盾。即喷嘴的形状不能满足它随不同工况条件而改变的矛盾。亦可理解成是物体形状的单一、固定，而导致其适应性的不佳。显然，此问题可以用TRIZ冲突矩阵工具求解。

抽取上述矛盾双方的标准技术参数。待改善的参数为：形状（NO.12）；导致恶化的参数为：适应性（NO.35）。

3. 基于TRIZ创新原理的可行解预测

查询经典的TRIZ矛盾矩阵表，得到推荐的发明原理为：#01分割原理；#15动态化原理；#29利用气动或液压结构原理。这些发明原理的具体内容如下。

分割原理#01 a. 将物体分成独立的部分；b. 使物体成为可拆卸的；c. 增加物体的分割程度。

动态化原理#15 a. 物体（或外部介质）的特性的变化应当在每一工作阶段都是最佳的；b. 将物体分成彼此相对移动的几个部分；c. 使不动的物体成为动的。

利用气动或液压结构原理#29 用气体结构和液体结构代替物体的固体的部分。

根据上述原理得到启示：将喷嘴的喷射和吸入动作分割开来，并将刚性结构的喷嘴用可动结构来替代，使其在喷射时，喷口内大外小；吸入时，喷口内小外大。

4. 可行解的基元变换

根据TRIZ原理解的提示，需先对刚性喷嘴的结构进行分割，增加喷口流道的可动性。

其可用可拓学的分解和置换变换来表述。即，先对条件物元M进行分解：

M//{M 01,M02}={管状壳体,喷口}

再对喷口的结构属性做一置换变换T1，使

其中，

根据物元的发散性（一征多值）知：

其中，

与此同时，该装置还需要一个控制装置来实时控制喷口形状的改变。根据气动或液压结构原理的启示，可以利用流体的压差原理来控制喷口的形状。

其对应的可拓变换可表述为：做增加变换T2，使

T 2 M=M⊕M′

其中，

对控制装置的作用原理进行发散，可得到不同的结构类型。即，由物元的发散性（一征多值）：

其中，

结合喷口的运动形式，得到两种可行的解决方案。

方案一：由电磁控制的铰接式喷口。其原理图如图7−2所示。它通过电磁力的吸附作用来改变金属片喷头的开口方向，且两端由弹性连接材料密封。

图7−2 电磁式喷口原理图

1—弹性连接体；2—壳体；3—弹簧；4—金属片；5—电磁铁；6—弹性连接体

方案二：由流体压差控制的弹性材料喷口。其原理图如图7−3所示。它通过增加一间隔物（滑环）形成两个密闭腔，当滑环两侧存在压差时，会导致滑环的移动，进而改变喷口的形状。

图7−3 压差式喷口原理图

1—通孔；2—滑环；3—壳体；4—弹性管

5. 优度评价

（1）确定衡量条件

选择装置的简便性c1、可靠性c2和装置的质量c3三个因素作为衡量条件，得衡量条件集：

O={(c 1,V1),(c2,V2),(c3,V3)}

其中，Vi为量值域。

（2）确定权系数

采用AHP法，根据各因素在血管机器人中重要程度的差别，确定两两因素之间的相互比率，使用1−9比率标度法。由于装置的可靠性比其他两个因素明显重要，装置的质量比装置的简便性略重要，因此采用AHP法构造出的判别矩阵H为：

采用AHP的和积法求得权系数α为：

α= (0.60700,0.08965,0.30334)

（3）建立关联函数，计算规范关联度

设装置的可靠性、简便性及其质量的量级均为1～5级，则可建立简单的离散型关联函数Ki：

装置的可靠性、简便性及质量的最优值均为5（级）。

比较两方案，由于方案一喷头内设置了小型电磁铁，相对方案二质量较大，因此取Kc3 (O1 )=2，Kc3 (O2 )=4。同时，方案一利用电磁原理控制，还需额外增设电源、控制开关等装置以控制电磁铁的吸合，这样也不可避免地增加了血管机器人内部结构的复杂性。因此，对简便性特征c1取Kc1 (O1 )=2，Kc1 (O2 )=4。方案一的喷头采用电磁控制，也会对血液中的金属离子等产生细微影响。且由于机器人在液体内作业，其装置的可靠性相对于方案二的压差式喷头略低。因此，取Kc2 (O1 )=3，Kc2 (O2 )=4。

综上，两方案关于衡量指标：简便性c1、可靠性c2和装置的质量c3的关联度分别为：

Kc 1=(Kc1 (O1 ),Kc1 (O2 ))=(2,4)

Kc 2=(Kc2 (O1 ),Kc2 (O2 ))=(3,4)

Kc 3=(Kc3 (O1 ),Kc3 (O2 ))=(2,4)

根据规范关联度公式：

则它们的规范关联度分别为：kc1=(0.5,1)，kc2=(0.75,1)，kc3=(0.5,1)。

（4）计算优度

方案一关于衡量条件O的规范关联度为：K(O1 )=(0.5,0.75,0.5)T；方案二关于衡量条件O的规范关联度为：K(O2 )=(1,1,1)T。

因此，两方案的优度分别为：

C(O 1 )=αK(O1 )=0.52241

C(O 2 )=αK(O2 )=1

由于C(O2)＞C(O1)，因此，选择压差控制的弹性喷口方案较优。

6. 最终方案

根据上述分析得到一个较优的解决方案：该喷嘴包括管状壳体1，其内设有滑环2，弹性管3穿过滑环2的中心孔张紧后，两头用螺栓固定于壳体1的两端。弹性管3的外壁与壳体1的内壁间形成一密闭空腔7，所述滑环2的外圆面与壳体1的内壁自动配合，将中间密闭空腔7一分为二。同时，喷嘴的两端分别设有与滑环2两侧的密闭腔7连通的通孔5。这样，只需要改变滑环两侧的压力差，控制滑环的左右移动，便能实现喷嘴吸、喷工况的要求。两头可转换喷嘴的结构示意图如图7−4所示。

图7−4 两头可转换喷嘴的结构示意图

1—管状壳体；2—滑环；3—弹性管；4—端盖；5—通孔；6—螺钉；7—密闭腔