0 引言
TRIZ是“發(fā)明問題解決理論”的俄文簡(jiǎn)稱。它的主要目的是研究人類進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理和法則;它是一種建立在技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化規(guī)律基礎(chǔ)上的問題解決系統(tǒng)。TRIZ表面的意思是強(qiáng)調(diào)解決實(shí)際問題,特別是發(fā)明問題,隱含的意思是由解決發(fā)明問題而最終實(shí)現(xiàn)(技術(shù)和管理)創(chuàng)新。
20世紀(jì)90年代以來,機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用開始從制造領(lǐng)域擴(kuò)充到非制造(比如宇宙探測(cè)、海底探察、管道鋪設(shè)和檢修、醫(yī)療、軍用、娛樂等)領(lǐng)域,因而,人們對(duì)于機(jī)器人的性能提出了更高的要求;從而基于非結(jié)構(gòu)環(huán)境、極限環(huán)境下的先進(jìn)和特種機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用研究已成為機(jī)器人技術(shù)研究和發(fā)展的主要方向。地球生物在35億年的進(jìn)化過程中,發(fā)展出來的靈巧的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)敏的運(yùn)動(dòng)模式,便成為機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的來源。
1 TRIZ理論沖突矩陣
TRIZ提出用39個(gè)通用工程參數(shù)來描述沖突,用40條發(fā)明創(chuàng)造原理來指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。并且將39個(gè)工程參數(shù)與40條發(fā)明原理建立對(duì)應(yīng)關(guān)系,設(shè)計(jì)了沖突矩陣。沖突矩陣第一行是需要改進(jìn)的39個(gè)技術(shù)參數(shù),即惡化參數(shù);矩陣第一列為引起惡化的39個(gè)技術(shù)參數(shù),即優(yōu)化參數(shù)。沖突矩陣的行與列交叉就形成了系統(tǒng)的技術(shù)沖突,在矩陣交叉的方格里,列寫出了TRIZ推薦使用的發(fā)明創(chuàng)造原理序號(hào)。當(dāng)面對(duì)實(shí)際問題時(shí),找出系統(tǒng)的沖突參數(shù),在沖突矩陣中找到它們的交叉點(diǎn),就能得到解決問題的推薦發(fā)明原理。TRIZ中的技術(shù)矛盾解題流程,如圖1所示。
圖1 技術(shù)沖突解題流程
2 TRIZ理論在微型探測(cè)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
用TRIZ的39個(gè)通用工程參數(shù)將上述沖突矩陣抽象成一般問題的描述。
2.1 希望改善的參數(shù)如下
1)微型探測(cè)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該緊湊合理,并且簡(jiǎn)單。過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響系統(tǒng)的完整性以及系統(tǒng)各部分之間的關(guān)系,因此整體結(jié)構(gòu)要具有穩(wěn)定性。
2)微型機(jī)器人能夠通過傳感器探測(cè)障礙物,從而沿著可行進(jìn)的路線前行。系統(tǒng)要在規(guī)定的方法以及狀態(tài)下完成一定的功能,要具有可靠性。
3)由于探測(cè)機(jī)器人工作環(huán)境的不確定性以及多變性,導(dǎo)致系統(tǒng)要有適應(yīng)外部變化的能力,對(duì)于不同的環(huán)境要有應(yīng)變的能力,即適用性及多用性。
2.2 導(dǎo)致惡化的參數(shù)
1)可制造性。微型探測(cè)機(jī)器人或系統(tǒng)制造的過程要簡(jiǎn)單,過于精密的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致制造和維修上的困難。
2)可操作性。對(duì)于規(guī)定的功能,要簡(jiǎn)單易行并且方便操作。
3)系統(tǒng)的復(fù)雜性。過分復(fù)雜的系統(tǒng),雖然能精確地完成各項(xiàng)功能,但是繁多的原件數(shù)目以及工作的多樣性會(huì)導(dǎo)致控制以及制造上的問題出現(xiàn)。
由TRIZ理論列出沖突矩陣,如表1所示。其中對(duì)于此創(chuàng)新設(shè)計(jì)希望改進(jìn)的參數(shù)序號(hào)為13、27、32,導(dǎo)致惡化的參數(shù)序號(hào)為33、35、36。參數(shù)之間相互交叉出現(xiàn)的序號(hào)即為得到的發(fā)明原理。即得到以下需要用發(fā)明原理解決的沖突矩陣,如表2所示。
表1 沖突矩陣表
表2 沖突矩陣
2.3 借用發(fā)明原理
根據(jù)由沖突矩陣得出的創(chuàng)新原理,擬定機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案,通過篩選,發(fā)現(xiàn)可以用到的發(fā)明原理有:
1)分割原理:(1)將物體分成獨(dú)立的部分;(2)使物體成為可拆卸的;(3)增加物體的分割程度。2)動(dòng)態(tài)化:(1)使一個(gè)物體或其環(huán)境在操作的每一個(gè)階段自動(dòng)調(diào)整,以達(dá)到優(yōu)化的性能;(2)把一個(gè)物體劃分成具有相互關(guān)系的元件,元件之間可以改變相對(duì)位置;(3)如果一個(gè)物體是剛性的,使之變?yōu)榭苫顒?dòng)的或可改變的。
探測(cè)機(jī)器人的主要功能是實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下的探測(cè)任務(wù),對(duì)于不同的路面環(huán)境也要做出不同的步行系統(tǒng)與步態(tài)規(guī)劃,因此采用分割原理,可將機(jī)械腿與整體結(jié)構(gòu)分離,同時(shí)將身體結(jié)構(gòu)與探測(cè)器分離。這樣應(yīng)用“局部性質(zhì)”,可使身體結(jié)構(gòu)、機(jī)械腿、探測(cè)器各部分結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化,便于更換和維修,降低成本及制造難度。
探測(cè)機(jī)器人如何躲避障礙物、準(zhǔn)確并能夠達(dá)到前行探測(cè)的任務(wù),與機(jī)械腿的自由程度、探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及信號(hào)反饋快慢有關(guān),這些都是確定探測(cè)機(jī)器人遷移性、靈活性程度高低的主要指標(biāo);同時(shí)對(duì)于不同的探測(cè)任務(wù),需要更換不同的傳感器來實(shí)現(xiàn)不同的探測(cè)功能,探測(cè)器的獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化可以幫助微型探測(cè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多功能的探測(cè)任務(wù)。
3 微型探測(cè)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)
應(yīng)用TRIZ理論的動(dòng)態(tài)化原理設(shè)計(jì)了微型探測(cè)機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu),一般采用具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu):其中根關(guān)節(jié)用于側(cè)擺,髖關(guān)節(jié)用于俯仰,膝關(guān)節(jié)用于屈伸,每個(gè)關(guān)節(jié)都由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于腿部關(guān)節(jié)是鉸接,因而在步行時(shí)即使出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象也具有較強(qiáng)的姿態(tài)恢復(fù)能力。應(yīng)用仿生機(jī)器人目前發(fā)展的情況,可利用仿生六足機(jī)器人機(jī)械腿部設(shè)計(jì)來完成創(chuàng)新,機(jī)構(gòu)示意圖,如圖2所示。
1-身體結(jié)構(gòu);2-側(cè)擺腿;3-髖關(guān)節(jié);4-髖關(guān)節(jié)電機(jī);5-仰俯腿;
6-膝關(guān)節(jié);7-膝關(guān)節(jié)電機(jī);8-伸縮腿;9-伸縮腿電機(jī)
圖2 微型探測(cè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)
腿部與整體結(jié)構(gòu)應(yīng)用分割原理,即對(duì)于不同的環(huán)境狀況,可換用不同的機(jī)械腿,如輪式移動(dòng)方式機(jī)械腿、履帶式等。文中采取六足腿部結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新研究,腿部的三個(gè)獨(dú)立電機(jī)中有兩個(gè)分別控制兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),另外一個(gè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械腿的伸縮功能,便于探測(cè)機(jī)器人的攀爬。六足微型機(jī)器人的步態(tài)以典型的“3+3”行走步態(tài)設(shè)計(jì),將微型機(jī)器人的六條腿分為兩組,以腿1,3,5為一組,命名A組,以2,4,6為一組,命名B組,以A組到B組的擺腿順序,規(guī)劃微型機(jī)器人在一個(gè)步態(tài)周期中的步行,如圖3所示。
圖3 六足步態(tài)規(guī)劃
1)機(jī)器人開始運(yùn)動(dòng),A組準(zhǔn)備向前擺動(dòng),B組處于支撐狀態(tài);2)A組擺起,向前跨步,B組支撐,重心前移;3)B組腿一邊支撐機(jī)器人本體,一邊驅(qū)動(dòng)機(jī)器人使其向前移動(dòng)半個(gè)步長(zhǎng);4)在機(jī)器人移動(dòng)到位時(shí),A組放下,變成支撐態(tài),使機(jī)器人的重心變成在這三腿所構(gòu)成的三角形內(nèi)部,原B組支撐腿抬起,準(zhǔn)備向前擺動(dòng);5)B組擺起,向前跨步,A組支撐,重心前移;6)支撐腿一邊支撐機(jī)器人本體,一邊驅(qū)動(dòng)機(jī)器人使其向前移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)。
每條腿的末端都可以伸長(zhǎng)或者縮短,當(dāng)遇到障礙物時(shí)可以調(diào)節(jié)長(zhǎng)度,便于越過障礙物。當(dāng)障礙物的高度滿足一定的條件時(shí),微型機(jī)器人越障將采用“三角步態(tài)”來越過障礙;若障礙物的高度超過一定范圍,機(jī)器人將采用“多邊形步態(tài)”來進(jìn)行越障,并且采用“多邊形步態(tài)”,機(jī)器人的越障能力明顯會(huì)提高。
微型機(jī)器人的背部可更換不同的傳感器來對(duì)完成不同的探測(cè)任務(wù),采用“局部性質(zhì)”,可以使身體結(jié)構(gòu)與探測(cè)器可分離,有利于探測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化。
4 結(jié)束語
通過分析微型探測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中存在的技術(shù)沖突問題,結(jié)合六足仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)出了一種標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微型探測(cè)機(jī)器人,能夠完成在不同環(huán)境下探測(cè)的任務(wù),同時(shí)具有一定的越障能力,能夠幫助搜救人員在自然災(zāi)害以及意外事故中,準(zhǔn)確探測(cè)到傷者所處的地理位置,方便救援。
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