基于TRIZ理論的電動式變胞裝載機械手的設(shè)計①

李憲芝， 張 東， 莊 重， 楊錫軍， 李小海

(1.佳木斯大學(xué),黑龍江 佳木斯 154007; 2.歐菲影像技術(shù)(廣州)有限公司，廣東 廣州 510000; 3. 佳木斯電機股份有限公司,黑龍江 佳木斯 154002)

0 引 言

1998年，在機構(gòu)學(xué)與機器人學(xué)雙年會上，變胞機構(gòu)作為一種新型機構(gòu)出現(xiàn)。1999年，戴建生與張啟先將這種新型機構(gòu)的研究引入到中國[1]。變胞機構(gòu)可自我重組和重構(gòu)，機構(gòu)自由度、活動構(gòu)件數(shù)目及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，應(yīng)用于不同場合。經(jīng)國內(nèi)外十多年的研究，變胞機構(gòu)的理論已經(jīng)取得了初步成果，實際應(yīng)用也取得一些成果。Dai等將變胞原理應(yīng)用在機器人設(shè)計中，設(shè)計出新型的多指變胞手，該設(shè)計改變了傳統(tǒng)的機器人仿生手手掌設(shè)計模式。多指機械手以球面五桿機構(gòu)作為手掌，手掌的活動度增加，手指運動空間變大，可以滿足不同任務(wù)要求，在靈巧性方面，該變胞手比現(xiàn)有的機器人手的設(shè)計更具有一定的優(yōu)勢。崔磊等設(shè)計了一種變胞多指靈巧手，能完成3種指尖抓持姿態(tài)，多指靈巧手的變胞功能既可增強機器手的靈巧度又可增大機器手的工作空間[4]。

應(yīng)用Triz理論知識設(shè)計出變胞裝載機械手，所設(shè)計的機械手，能夠在工作過程中通過構(gòu)件的合并固結(jié)成一個變胞構(gòu)件，改變了活動構(gòu)件數(shù)量、從而改變了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)自我重組和重構(gòu)。該機械手僅需一個驅(qū)動電機就能完成貨物裝載任務(wù)，能夠適應(yīng)不同工作階段的任務(wù)需求，靈活地應(yīng)用于不同場合。

1 利用Triz理論體系進(jìn)行問題分析

1.1 系統(tǒng)分析

文中作品為變胞系統(tǒng)。變胞系統(tǒng)組成部分：動力裝置(直流電機)、傳動裝置(連桿機構(gòu))、執(zhí)行元件(機械手)、控制裝置(單片機系統(tǒng))，變胞系統(tǒng)見圖1所示。

圖1 變胞系統(tǒng)

1.2 功能分析

所設(shè)計產(chǎn)品的功能分析表見表1所示。

1.3 九屏分析

運用TRIZ理論九屏法對變胞裝載機械手進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 九屏圖

技術(shù)系統(tǒng)動力系統(tǒng)、變胞系統(tǒng)、運載系統(tǒng)用途運載貨物技術(shù)功能運用變胞機構(gòu),僅需一臺驅(qū)動電機就能完成傳統(tǒng)兩自由度液壓裝載機的裝載任務(wù)主要功能搬運重物,手動將裝載機移動到指定位置、自動抓取貨物并舉升,移動到目標(biāo)地點后下降并釋放,完成裝載工作

1.4 資源分析

系統(tǒng)內(nèi)部資源包括現(xiàn)有資源、派生資源，系統(tǒng)可引用的資源如下：

(1)現(xiàn)有資源：

物質(zhì)資源：該變胞裝載機械手由滑塊、彈簧、電動機、連桿、軸承、單片機系統(tǒng)等組成；

能量資源：電能、電動機產(chǎn)生的機械能；

空間資源：產(chǎn)品采用機械變胞結(jié)構(gòu)，提高了空間利用率；

時間資源：產(chǎn)品電機在單片機控制下可實現(xiàn)循環(huán)往復(fù)運動；

物質(zhì)資源：六桿機構(gòu)通過變胞形成三角形支架。

能量資源：采用電動機驅(qū)動，可將電能轉(zhuǎn)化為機械能。

1.5 生命曲線

生命曲線見圖3所示。目前我國貨物裝載機械手正處于快速發(fā)展階段，隨著對貨物運輸?shù)男屎唾|(zhì)量的重視，貨物裝載工具也越來越受到人們關(guān)注。正處于S曲線的成長期，擁有較大的發(fā)展空間和市場空間。

2 運用TRIZ工具解決問題

2.1 最終理想解

最終理想解分析見表2所示。

表2 最終理想解

2.2 技術(shù)矛盾

傳統(tǒng)裝載機械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多固定在一處使用，可移動的也比較大，不能完成不同階段的工作任務(wù)，不宜應(yīng)用于不同場合，而如果結(jié)構(gòu)簡單，則物體質(zhì)量下降，穩(wěn)定性及可靠性就會隨之下降，構(gòu)成了適應(yīng)性及多用型和靜止物體質(zhì)量之間的技術(shù)矛盾。

優(yōu)化參數(shù)為適應(yīng)性及多用型，惡化參數(shù)為靜止物體的質(zhì)量，見表3所示。由矛盾矩陣表查到發(fā)明原理為：

表3 矛盾矩陣表01

采用15動態(tài)化原理，把物體分成三個部分，運動模塊，驅(qū)動模塊，裝載模塊，采用16部分超越原理，將變胞裝載機械手用人力操控代替。稍微小于期望效果。

傳統(tǒng)機械因為采用電氣控制，導(dǎo)致操作流程復(fù)雜，使用前必須進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，不能方便地供所有的人隨時使用，然而，簡化了結(jié)構(gòu)后，其可靠性又降低了，構(gòu)成了操作可靠性和方便性之間的技術(shù)矛盾。

操作流程方便性為優(yōu)化參數(shù)，可靠性為惡化參數(shù)，見表4所示。查矛盾矩陣表可知其發(fā)明原理為：

表4 矛盾矩陣表02

采用08重量補償/互消，通過運用變胞原理，將其中幾個構(gòu)件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變，提升了可操作性的同時又保持了其可靠性。

圖3 生命曲線圖

2.3 物場分析

方案模型見圖4所示。

經(jīng)過物場分析，貨物的搬運是通過人雙手直接搬運的，費時費力，并對人產(chǎn)生有害作用。需要添加一個場抵消有害作用，用以消除貨物和人直接接觸，將有害作用消除。

圖4 方案模型

經(jīng)過查表分析得到方案模型，引入另一個機械場——變胞裝載機械手避免了人與需要裝載的貨物進(jìn)行直接接觸，從而消除有害作用。

2.4 技術(shù)方案整理與評價

經(jīng)過分析設(shè)計出最終傳動方案。

見圖5所示。該裝載機械手由電動機、主動桿、連桿系、大臂、滑塊、彈簧、抓手等構(gòu)成。電動機為可控電機，通過程序控制主動桿運動，實現(xiàn)機械手在工作空間內(nèi)的裝載工作。

未工作時，在彈簧彈力作用下滑塊處于左極限位置，此時，構(gòu)件4、5、6、8、9、10合并為一個構(gòu)件。主動桿在電機驅(qū)動下順時針轉(zhuǎn)動，總個機構(gòu)繞固定鉸鏈A順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)大臂與貨物接觸處于極限位置時，大臂和車體合并成為一個變胞構(gòu)件，電機驅(qū)動主動桿繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，構(gòu)件4、5、6、8、9、10分開，滑塊向右移動，抓手轉(zhuǎn)動抓緊物品；繼續(xù)轉(zhuǎn)動主動桿，抓手轉(zhuǎn)動抓緊物品，滑塊相應(yīng)處于右極限位置，此時，大臂、連桿系、滑塊和抓手又重新固結(jié)成為一個變胞構(gòu)件，在電動機驅(qū)動下，大臂升起，物品被舉起；推動車體移動，運輸貨物到指定位置；主動桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動一個角度，大臂、連桿系、滑塊和抓手仍固結(jié)為一個變胞構(gòu)件，在大臂及物品的重力作用下，該變胞構(gòu)件繞固定鉸鏈A順時針轉(zhuǎn)動，物品被放下；繼續(xù)轉(zhuǎn)動主動桿，滑塊向左運動，使抓手轉(zhuǎn)動，釋放物品。

1-電動機 2-主動桿 3、4、8、9-連桿 5-大臂 6-滑塊 7-彈簧 10-抓手

采用可控電動機驅(qū)動、連桿傳動的變胞裝載機械手，在裝載過程中，只需一臺電動機進(jìn)行驅(qū)動，能夠按不同階段的工作要求改變機構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適應(yīng)不同場合需要。

3 結(jié) 語

應(yīng)用Triz理論進(jìn)行變胞裝載機械手的方案設(shè)計，根據(jù)進(jìn)化法則和創(chuàng)新原理設(shè)計出電動式變胞裝載機械手總體傳動方案，該方案能夠克服傳統(tǒng)液壓式裝載機械手慣性大、剛性差等缺點，且只需一如電動機就能完成全部裝載任務(wù)。