基于TRIZ理论的蓝莓采摘机器人设计

基于 TRIZ理论的蓝莓采摘机器人设计1)王丽丽?陈广胜?赵?辉(东北林业大学,哈尔滨,150040)?摘?要?介绍了发明问题解决理论(TRIZ)的一些基本原理及应用方法对其中 40个发明原理、冲突解决矩阵、物质?场分析进行说明,并应用到蓝莓采摘机器人进行的具体设计研究提出了蓝莓采摘机器人的总体设计方案,着重对末端执行器和机械手自由度、手腕、手臂的运动形式进行分析设计关键词?TR IZ;蓝莓;采摘机器人;设计分类号?TP242.3Design of Blueberry Picking Robot Based on TRIZ/W ang Lil,i Chen Guangsheng,Zhao Hui(College ofM echanicaland ElectricalEngineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,P.R.China)/JournalofNortheast ForestryUniversity.-2009,37(6).-45 47Basic principles and applications of the theory of inventive proble m solving(TR IZ)are introduced.The 40 inventiveprinciples,techno?conflict and solving matrix,and substance?field analytic theory are illum inated.The integrated designsche me of a blueberry picking robot is put for ward according to TRIZ.M oreover,the end?effector,degree of freedo m formechanical ar m,and the motion ofwrist and ar m of the blueberry picking robot is analysed e mphatically.K eywords?TR IZ;Blueberry;Picking robots;Design1?TRIZ理论的主要内容与方法TR IZ(Theory of Inventive Proble m Solving)是发明问题解决理论的简称,是前苏联阿奇舒勒及其学生自 1946年开始,花费大量的人力物力,分析研究了世界上 250万件专利的基础上提出的 1。

TRIZ不是针对某个具体的研究领域,而是建立了解决问题的通用模型,并指明探索方向,可以广泛应用于各个领域运用 TRIZ解决问题一般过程如图 1所示 2图 1?TRIZ问题求解过程40个发明原理:原理是获得冲突解所应遵循的一般规律如 分割原则、!抽取原则、局部性制原则、#不对称原则、联合原则、%多功能原则等这些原理成为 TRIZ解决技术矛盾的关键,反映了 TRIZ对创新问题的认识和冲突处理过程冲突解决理论:任何技术系统(或称产品)都可分解成若干个子系统,当对系统内某一子系统进行改进时,可能会对另一子系统产生不利影响,这就是设计中的冲突(矛盾)TR IZ将描述技术冲突的 39个通用参数与 40条发明原理建立起对应关系,称之为冲突解决矩阵物质?场分析:物质?场分析是用符号表达技术系统变换的建模技术,是 TRIZ理论中确定技术冲突的重要工具物质?场分析的模型如图 2所示通过对物质?场进行分析,建立起待设计系统的描述模型,从而确定技术冲突,找出问题的症结2?蓝莓采摘机器人方案设计蓝莓,学名笃斯越桔(Vaccinium uliginosuml),多年生落叶或常绿灌木或小灌木,小浆果,果实呈蓝色,近圆形,单果质量0.5 2.5 g,生长于黑龙江大兴安岭、小兴安岭北坡山地及吉林和内蒙古东部海拔 400 1600m的坡段,集中分布于大兴安岭海拔 400 1000m的针叶、阔叶混交林下和林间空地,群落性强。

了解蓝莓生物学特性是研究其采摘机器人的前提和依据2.1?问题的分析运用 TRIZ理论指导设计蓝莓采摘机器人过程,使设计更具创造性但应用 TR IZ理论解决具体问题时的前后处理是十分重要的首先对特定工程问题进行分析,确定该问题的技术冲突,并用问题所处领域的专业术语描述该冲突;进而应用 39个通用工程参数将专业术语描述抽象成一般问题的描述,从而选择标准冲突描述参数;然后应用 40条发明原理及冲突解决矩阵,得到问题的一般解;最后结合特定问题将一般解具体化,产生一个特定解 3针对蓝莓采摘机器人的设计问题,首先需要确定问题的技术冲突采摘机械手应在识别系统下能够很好地分辨出成熟果实,而且蓝莓生长有单个或者成簇等情况,故要求机器人具有更广泛的适应性、柔性及可扩充性另外,采摘时要保证机械手有足够的工作空间,以便能准确接近果实目标,这就增加了机械手的自由度数,机械手的自由度越多,就越接近人手的动作机能,通用性就越好,但机械手的结构将非常复杂再者,蓝莓属于小浆果,果实柔软易损伤,采摘时应减少损伤或者尽量避免直接接触果实,这要求采摘机器人的末端执行装置工作时力的强度不能过大,或者采用一些缓冲装置,用柔软的材料作为末端执行器的材料,保证采摘质量,故增加了整体设计要求,使设备制造困难,成本增加。

用 TRIZ理论的物质?场分析建立采摘机器人的描述模型,以便确定技术冲突如图 2所示,F为机械作用场,物质 S1为采摘机械手,S2为采摘对象蓝莓由此模型可清楚地看出:假设很好地采摘蓝莓(物质S2)的目的可以实现,但同时也得到了有害的效应,使机械手(物质 S1)的结构复杂,制造困难,由此产生了技术冲突用 TRIZ的 39个通用工程参数将上述冲突抽象成一般问题的描述希望改善的参数如下:采摘机器人整体结构设计应紧凑合理并简单用TR IZ理论参数来描述问题,即结构的稳定性(13)(系统的完整性及系统组成部分之间的关系)采摘机器人能够躲避障碍物,准确地接近果实目标用 TR IZ理论参数来描述问题,即可靠性(27)(系统在规定的方法及状态下完成规定功能的能力)机械手采摘时不损伤蓝莓用 TRIZ理论参数来描述问题,即物体产生的有害因素(31)(有害因素将降低物体或系统的效率,或完成功能的质量)采摘机器人的柔性,可适应蓝莓不同的生长状态用TR IZ理论参数来描述问题,即适用性及多用性(35)(物体或系统响应外部变化的能力或应用于不同条件下的能力)同时导致恶化的参数有:可制造性(32)物体或系统制造过程中简单方便的程度。

可操作性(33)完成规定功能时操作简单、方便的程度装置的复杂性(36)系统中元件数目及多样性生产率(39)单位时间内所完成的功能或操作数2.2?用冲突解决矩阵得到可行的发明原理对蓝莓采摘机器人的技术冲突进行详尽的分析,并提出了描述冲突的通用工程参数后,可应用冲突解决矩阵选取合适的发明原理通常对一个问题的解决原理不是唯一的,而所有的解决原理都只是表示了解决问题的可能方向,也不一定都是可行的,这需要我们结合实际情况选定可行的方案应用到设计系统中如果被推荐的发明原理都不符合设计要求,则说明冲突的定义没有反映问题的本质,需重新定义冲突并求解5蓝莓采摘机器人的技术冲突如表 1所示第一列为希望改进的参数,序号为 13、27、31、35,第一行为导致恶化的参数,序号为 32,33,36、39对于一对特征参数 13?39,得到的发明原理为 23(反馈)、35(性能转换)、40(复合材料)、3(局部性质),另一对参数 27?36,得到的发明原理为 13(逆向)、35(性能转换)、1(分离),其余类推对这些原理进行仔细筛选,可得以下可用的发明原理1分离:将物体分成独立的部分,使物体成为可拆卸的,增加物体的分割程度。

3局部性质:从物体或外部介质(外部作用)的一致结构过渡到不一致结构,使物体的不同部分具有不同的功能,物体的每一部分均应具备最适于它工作的条件13逆向:不同常规的解决方法,反其道而行之;使物体或外部介质的活动部分变成为不动的,而使不动的成为可动的;将物体运动部分颠倒23反馈:进行反向联系;如已有反向联系,则改变它35性能转换:改变灵活程度,改变物理状态,改变浓度、密度、温度、体积40复合材料:用复合材料代替一般材料表 1?冲突解决矩阵(部分)矩阵132731323335363913+35,40,27,3935,1932,35,3035,30,34,22,35,22,2623,35,40,327+35,2,40,2627,17,4013,35,8,2413,35,11,35,29,383135,40,27,3924,2,40,39+19,1,3122,35,18,393211,13,1+2,5,13,162,13,1527,26,135,1,10,283332,35,3017,27,8,402,5,12+15,34,1,1632,26,12,1715,1,83535,30,1435,13,8,241,13,3115,34,1,16+15,29,37,2835,28,6,37362,22,17,1913,5,119,127,26,1,1327,9,26,2429,15,28,37+12,17,183935,3,22,391,10,34,2835,22,18,3935,28,2,241,28,7,101,35,28,3712,17,28,24+2.3?一般解的具体化蓝莓采摘机器人设计从仿生学角度出发,遵循选型原则,根据具体作业要求,运用&分离原理,将采摘的主要执行部分?机械手分为手臂和手腕两部分进行设计。

在进行手臂和手腕的设计过程中,同时运用&局部性质原理,使手臂和手腕各部分结构标准化、模块化,便于更换和维修,降低成本和制造难度在采摘时,采用数码摄影和图像识别技术,来识别成熟蓝莓果实的单个或成簇状态,然后将信息&反馈,以便系统更好地控制机械手进行采摘 4机械手如何躲避障碍物、准确并能够到达果实目标的位置,由机械手的自由度决定实际应用中,机械手的自由度取决于机器人使用场合、作业方式和特点,是机械手运动分析和受力分析的原始数据通常机械手在空间的位置和运动范围主要取决于臂部的自由度,为了使机械手能够到达空间任一指定位置,空间机械手的手臂至少应具有 3个自由度运用&反向原理,机械手用一个上下移动自由度、水平方向的移动及回转来实现腕部自由度主要是用来调整末端执行器在空间的姿态,为了使手部在空间能取得任意要求的姿态,在理论上手腕关节应具有 3个自由度,即绕 3个坐标轴转动的球面副最为理想,但球面副无法实现单轴转动的驱动因此,运用 TR I Z的&分离 原理,将球面副分解为采用 3个转动副,即3个转动关节的运动链来代替运用 TR IZ的&性能转换原理,设想这样的结构,是因为蓝莓生长在野外山地,不像人工种植那样具有特定的株距和行距,这种形式的机械手在工作的空间以及效率方面更加灵活,能顺利进行采摘作业,提高了生产效率和可操作性。

其简单示意图如图 3所示图 2物质?场分析模型图 3采摘机械手示意简图蓝莓采摘属于小浆作业,采摘过程中避免损伤果实也是设计过程中我们必须考虑的重要问题运用&复合材料原理,可以采用柔软的复合材料作为末端执行器的材料,这样操作起来比较麻烦为了解决这个问题,可以设计一种装置,在收获时不直接接触果实本体,执行器对果梗进行作业,摘落的果实在装在末端执行器端部的小型抽风机的作用下,回收到回收装置(设想软质袋子),再由人工定时更换回收装置,即可完成采摘经过 TRIZ理论的指导,初步形成了蓝莓采摘机器人的总体设计方案,方案中还存在一些细节问题,将在以后具体设计中逐步完善3?结束语TR IZ的冲突解决理论及发明原理是产品创新的有效工具,为广大科技工作者提供了一把开启创新之门的金钥匙将 TR I Z理论应用到蓝莓采摘机器人是一个典型应用在物?场分析的基础上,确定了技术冲突,用 TR IZ理论的 39个应用参数描述冲突,用冲突解决矩阵确定可用的发明原理,并结合实际情况,确定蓝莓采摘机器人的总体设计方案参?考?文?献 1?Mann D.An I ntroduction to TR I Z:the theory of inventive p roble mSolving J.Creativ ity and InnovationM anagement,2001,10(2):123-125.2?Smith EM.From Russia w ith TRIZ J.M echanical Engineering,2003,125(3):18-20.3?檀润华,张国红,焦建新,等.产品设计中的冲突及解决原理 J.河北工业大学学报,2001,30(3):1-6.4?檀润华.创新设计?TRIZ:发明问题解决理论 M.北京:机械工业出版社,2002.5?井辉,郇志坚.基于 TR I Z的复杂管理问题求解模式研究 J.科学与科学技术管理,2005,26(11):155-159.(上接 41页)但基本显现出纤维质量提高时,热磨机的能耗呈下降的趋势;为此,分别采用三阶多项式和线性关系对热磨机的平均能耗水平进行了回归。

图中曲线为多项式回归所得的能耗平均线,虚线为线性平均线由于两者在绝大的区域内是基本重合的,大致可以采用线性关系代替,对此再次统计了纤维质量与热磨机能耗之间的相关系数,其值为-0.53从该值的大小看,它可以反映出纤维质量与热磨机的能耗之间具有一定程度的线性相关,但相关水平并不高图 3?纤维质量对热磨机能耗的影响汇总纤维质量对热磨机能耗影响的数据分析结果表明,纤维质量对热磨机的能耗也具有一定的影响,这种影响总体呈反比关系,但影响程度较为有限3?纤维产量、质量之间的影响关系及对热磨机运行参数的优化?纤维产量、纤维质量及能耗水平是评价热磨机性能的重要的 3个参数,优化热磨机的运行参数就是要使以上 3个参数均达到一个合理的水平 3,为此,还需了解纤维产量与纤维质量之间的影响关系汇总、统计实验数据之后得出的纤维产量与质量之间的关系如图 4从纤维质量点的分布上大体可以看出两者间呈线性下降的趋势,纤维质量的平均线对质量点的拟合也反映了这一结果经统计,纤维产量与纤维质量之间的相关系数为-0.76,这说明两者之间基本符合线性关系另外,随着纤维产量的提高,纤维质量的变化幅度呈扩大趋势(见图 4中两虚线间距的变化),即纤维产量的提高不仅会降低纤维的质量,还会造成纤维质量的不稳定。

将上述实验结果综合,可见纤维产量、纤维质量和热磨机能耗三者之间的影响关系是相互矛盾的,在此情况下优化热磨机的运行参数,必须从中选择一个基础参数用以优化另外两个这个基础参数显然应该是纤维产量,因为纤维产量是3个参数中唯一可直接进行调节的参数(生产中通过控制热磨机进料螺旋转速及排料阀开度大小来调节);再者,根据之前的实验结果,纤维产量对热磨机能耗及纤维质量的影响最为显著,其控制热磨机能耗和纤维质量的能力也就最强其余的两个被控参数中,对纤维质量的要求应优先得到满足,但实际上满足纤维质量要求与热磨机的节能是并行不悖的根据纤维质量对热磨机能耗的影响关系,提高纤维质量,增加合格纤维的含量是会降低热磨机的能耗的,这也就达到了热磨机的节能效果但须指出的是,这种优化方法是以均衡纤维产量为代价的图 4?纤维产量与纤维质量的关系4?结论纤维产量对热磨机的能耗具有显著的、确定性的影响,两者之间成正比关系,并符合线性规律;纤维产量对纤维质量也有较大的影响,两者之间成反比关系,并基本符合线性规律另外,纤维产量的提高会影响到纤维质量的稳定性纤维质量对热磨机的能耗也有一定程度的影响,两者之间大致成反比关系;但总体上其对热磨机能耗的影响效果并不十分显著。

基于以上 3个参数优化热磨机的运行参数时,将可直接调节参数,即纤维产量作基础参数;因为纤维产量对纤维质量和热磨机能耗两个被控参数具有显著的、确定性的影响关系,因而调节纤维产量能获得纤维质量和热磨机能耗的最佳优化效果参?考?文?献 1?陈宝德,沈隽.木材加工工艺学 M.哈尔滨:东北林业大学出版社,1998.2?马小伍,喻心洲,张双保,等.MDF 备料工段工艺和设备对木材纤维质量的影响 J.人造板通讯,2004(6):8-10.3?李德茂.热磨工段在中纤板生产中应如何节能 J.林产工业,2007 34(4):2122。