0 引言
TRIZ是“發(fā)明問題解決理論”的俄文簡稱。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、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)動機(jī)構(gòu)和機(jī)敏的運(yùn)動模式，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個工程參數(shù)與40條發(fā)明原理建立對應(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。當(dāng)面對實(shí)際問題時，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理論在微型探測機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
用TRIZ的39個通用工程參數(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）微型探測機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該緊湊合理，并且簡單。過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會影響系統(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。微型探測機(jī)器人或系統(tǒng)制造的過程要簡單，過于精密的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致制造和維修上的困難。
2）可操作性。對于規(guī)定的功能，要簡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。其中對于此創(chuàng)新設(shè)計(jì)希望改進(jìn)的參數(shù)序號為13、27、32，導(dǎo)致惡化的參數(shù)序號為33、35、36。參數(shù)之間相互交叉出現(xiàn)的序號即為得到的發(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）動態(tài)化：（1）使一個物體或其環(huán)境在操作的每一個階段自動調(diào)整，以達(dá)到優(yōu)化的性能；（2）把一個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位置；（3）如果一個物體是剛性的，使之變?yōu)榭苫顒拥幕蚩筛淖兊摹?/p>
探測機(jī)器人的主要功能是實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下的探測任務(wù)，對于不同的路面環(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，同時將身體結(jié)構(gòu)與探測器分離。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。
探測機(jī)器人如何躲避障礙物、準(zhǔn)確并能夠達(dá)到前行探測的任務(wù)，與機(jī)械腿的自由程度、探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及信號反饋快慢有關(guān)，這些都是確定探測機(jī)器人遷移性、靈活性程度高低的主要指標(biāo)；同時對于不同的探測任務(wù)，需要更換不同的傳感器來實(shí)現(xiàn)不同的探測功能，探測器的獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化可以幫助微型探測機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多功能的探測任務(wù)。
3 微型探測機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)
應(yīng)用TRIZ理論的動態(tài)化原理設(shè)計(jì)了微型探測機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)，一般采用具有三個轉(zhuǎn)動關(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，每個關(guān)節(jié)都由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動。由于腿部關(guān)節(jié)是鉸接，因而在步行時即使出現(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，即對于不同的環(huán)境狀況，可換用不同的機(jī)械腿，如輪式移動方式機(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，腿部的三個獨(dú)立電機(jī)中有兩個分別控制兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，另外一個實(shí)現(xiàn)機(jī)械腿的伸縮功能，便于探測機(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，A組準(zhǔn)備向前擺動，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)動機(jī)器人使其向前移動半個步長；4）在機(jī)器人移動到位時，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；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)動機(jī)器人使其向前移動一個步長。
每條腿的末端都可以伸長或者縮短，當(dāng)遇到障礙物時可以調(diào)節(jié)長度，便于越過障礙物。當(dāng)障礙物的高度滿足一定的條件時，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提高。
微型機(jī)器人的背部可更換不同的傳感器來對完成不同的探測任務(wù)，采用“局部性質(zhì)”，可以使身體結(jié)構(gòu)與探測器可分離，有利于探測器的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化。
4 結(jié)束語
通過分析微型探測機(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、模塊化的微型探測機(jī)器人，能夠完成在不同環(huán)境下探測的任務(wù)，同時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)確探測到傷者所處的地理位置，方便救援。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：基于TRIZ理論的微型探測機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)
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