基于TRIZ理論的服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)研究

毛麗民 劉叔軍 楊海萍 陳勇

摘? 要：針對(duì)我國(guó)高校機(jī)器人教育起步晚，學(xué)生在機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中表現(xiàn)出創(chuàng)新能力不足的問(wèn)題，文章將TRIZ理論應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中。文章以TRIZ理論的發(fā)明問(wèn)題解決過(guò)程模型為依據(jù)，針對(duì)服務(wù)機(jī)器人得出了一套比較完整地創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案進(jìn)行了實(shí)施及相關(guān)計(jì)算，并將分割原理、局部特性原理及動(dòng)態(tài)性原理等創(chuàng)新原理應(yīng)用于改進(jìn)設(shè)計(jì)中，使改進(jìn)后的服務(wù)機(jī)器人在自動(dòng)化程度及穩(wěn)定性上有了一定的提升。實(shí)踐證明TRIZ理論的在創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論;服務(wù)機(jī)器人;創(chuàng)新實(shí)踐;教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）05-0039-03

Abstract： In view of the late start of robot education in colleges and universities in China， students show insufficient in innovation ability in the practice of robot innovation practice. TRIZ theory is applied to the innovative practice teaching of service robots. In this paper a set of relatively complete innovative design solutions for service robots is obtained based on the TRIZ theory's invention problem solving process model， the scheme was implemented and related calculations， and the innovative principles such as the principle of segmentation， the principle of local characteristics and the principle of dynamics were applied to the improved design， had a certain improvement in the degree of automation and stability. Practice has proved that TRIZ theory has broad application prospects in innovative practice teaching.

Keywords： TRIZ theory; service robot; innovation practice; teaching

一、概述

隨著科技及經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人將越來(lái)越多地應(yīng)用于服務(wù)領(lǐng)域。在智能家居、社會(huì)治安、醫(yī)療陪護(hù)等方面中發(fā)揮了巨大的作用。

機(jī)器人教育逐漸成為國(guó)內(nèi)外教育各界關(guān)注的熱點(diǎn)。但總體而言，機(jī)器人教育在全球范圍內(nèi)都處于起步階段。因此，在機(jī)器人課程資源開(kāi)發(fā)方面缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，導(dǎo)致機(jī)器人課程參差不齊，教學(xué)目標(biāo)不明確[1，2]。

目前國(guó)內(nèi)有很多高校新開(kāi)設(shè)了機(jī)器人相關(guān)專業(yè)，進(jìn)行機(jī)器人相關(guān)的教學(xué)，取得了很好的成果，但在機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方面有待提高。針對(duì)該情況，本文提出了將TRIZ理論應(yīng)用到服務(wù)機(jī)器人的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中，利用該方法，開(kāi)闊學(xué)生的設(shè)計(jì)思路，豐富教師的課堂教學(xué)。

二、TRIZ 理論分析

TRIZ作為一種不斷發(fā)展的創(chuàng)新理論，為人們提供了一套完整的創(chuàng)新原理和解決技術(shù)難題的方法體系[3]。

TRIZ理論將產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題抽象為發(fā)現(xiàn)和消除產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程出現(xiàn)的矛盾，產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)以滿足人的需求為目標(biāo)，這個(gè)矛盾自然而然地就成為了科技進(jìn)步與人類需求的矛盾，通過(guò)準(zhǔn)確定義矛盾問(wèn)題，借助TRIZ理論消除矛盾來(lái)獲得產(chǎn)品創(chuàng)新，進(jìn)而滿足社會(huì)的需求[4]。解決路線見(jiàn)圖1。

三、服務(wù)機(jī)器人項(xiàng)目分析

本文以服務(wù)機(jī)器人為教學(xué)案例，對(duì)目前的機(jī)器人進(jìn)行功能分解。首先是該機(jī)器人的工作環(huán)境（需集成溫度、煙霧等傳感器）;然后該機(jī)器人的服務(wù)對(duì)象（醫(yī)護(hù)人員與病人）;最后機(jī)器人的功能要求（將工作環(huán)境通過(guò)攝像頭發(fā)送到上位機(jī)，機(jī)器人能識(shí)別人體動(dòng)作，根據(jù)識(shí)別到的動(dòng)作，機(jī)器人能自主的運(yùn)動(dòng)）。具體功能分解如表1所示。

該服務(wù)機(jī)器人Kinect采用全新空間定位技術(shù)的3D體感攝像頭，利用即時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉、影像辨識(shí)等功能，系統(tǒng)通過(guò)手勢(shì)向機(jī)器人下達(dá)指令，傳感器實(shí)時(shí)捕捉使用者的動(dòng)作達(dá)到輸入功能，擺脫了傳統(tǒng)輸入設(shè)備的束縛。上位機(jī)利用LabVIEW處理數(shù)據(jù)，下位機(jī)執(zhí)行命令。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

目前存在的主要問(wèn)題：1. 隨著人的抖動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致攝像頭的手勢(shì)識(shí)別出現(xiàn)誤差和錯(cuò)誤，輸出的骨骼圖將會(huì)發(fā)生偏折，造成不穩(wěn)定的問(wèn)題;2. 自動(dòng)化的程度較低，整個(gè)操作過(guò)程還不太流暢。

解決方案：1. 與RGB圖像相比，深度圖像具有物體三維特征信息。由于深度圖像不受物體表面的發(fā)射特性及光源照射的影響，識(shí)別手勢(shì)更加準(zhǔn)確穩(wěn)定。2. 為了盡量避免、減輕骨骼圖成像錯(cuò)亂的問(wèn)題，該設(shè)計(jì)在Kinect程序初始化階段就為其加入了骨骼平滑算法，該算法將會(huì)互相約束骨骼點(diǎn)的間距，根據(jù)現(xiàn)有的骨骼點(diǎn)推算其余骨骼點(diǎn)的位置，保持骨架呈現(xiàn)的比較完整。3. 系統(tǒng)控制器采用STC單片機(jī)，具有高速、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、串口控制、GPIB、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)顯示等功能，提高醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的自動(dòng)化程度。

四、基于TRIZ理論的服務(wù)機(jī)器人改進(jìn)研究

在整個(gè)的教學(xué)研究過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人更多的功能及應(yīng)用，充分的利用了TRIZ理論創(chuàng)新辦法，在教學(xué)中設(shè)計(jì)出了一份創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案[5]。

（一）基于分割原理的改進(jìn)

分割原理是使物體成為可組合的（易于拆卸和組裝）的部分。在一個(gè)完整的系統(tǒng)中，當(dāng)其中一部分存在問(wèn)題的時(shí)候，需要將整個(gè)系統(tǒng)分割成若干的部分，將其中有害或有益的部分抽取。為了使醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)功能框架更加的完善，將其分割成控制器最小系統(tǒng)、電源電路系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、模擬舵機(jī)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和穩(wěn)壓系統(tǒng)。系統(tǒng)模塊分割如圖3所示。同樣的，當(dāng)模塊的某一部分出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，需要將其單獨(dú)拿出，具體分析并且完備功能。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)攝像頭的手勢(shì)識(shí)別出現(xiàn)誤差和錯(cuò)誤，輸出的骨骼圖將會(huì)發(fā)生偏折，造成不穩(wěn)定的問(wèn)題，在解決問(wèn)題的時(shí)候需將其單獨(dú)抽出。

（二）基于局部特性原理的改進(jìn)

局部特性原理是將物體或外部環(huán)境的同類（均勻）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成異類（非均勻）結(jié)構(gòu)。在方案的設(shè)計(jì)中，使系統(tǒng)各個(gè)模塊部分充分的展現(xiàn)其功能，需要將其中的一些部分另行加工處理。在方案的考慮中手勢(shì)識(shí)別是一個(gè)關(guān)鍵的部分，如果手勢(shì)識(shí)別出現(xiàn)了問(wèn)題，就會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人判斷失誤，最終做出錯(cuò)誤的路徑運(yùn)動(dòng)，致使機(jī)器人出現(xiàn)人機(jī)交互問(wèn)題，導(dǎo)致其的決定動(dòng)作與醫(yī)患的目的不相同。因此基于TRIZ理論中的“局部特性原理”創(chuàng)新辦法，利用Kinect體感設(shè)備，其采用全新空間定位技術(shù)的3D體感攝像頭，利用即時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉、影像辨識(shí)等功能，實(shí)時(shí)捕捉使用者的動(dòng)作達(dá)到輸入功能，擺脫了傳統(tǒng)輸入設(shè)備的束縛，最終完善了系統(tǒng)，提高了穩(wěn)定性。

（三）基于動(dòng)態(tài)性原理的改進(jìn)

動(dòng)態(tài)性原理是使物體或其環(huán)境自動(dòng)調(diào)整，以使其在每個(gè)動(dòng)作階段的性能達(dá)到最佳。為了增加醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人操作流程的方便性，在靠背和抬腳部分通過(guò)舵機(jī)控制其狀態(tài)設(shè)計(jì)了輪椅與病床自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，僅需一個(gè)簡(jiǎn)單的手勢(shì)指令便可使其間進(jìn)行自由的轉(zhuǎn)換。為了展示明顯的實(shí)驗(yàn)效果，狀態(tài)切換沒(méi)有加入過(guò)渡過(guò)程，當(dāng)輪椅接收到指令后，輪椅靠背及腿部托板在舵機(jī)的帶動(dòng)下直接翻轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)了整個(gè)裝置的操作的流暢性，提升了自動(dòng)化程度。機(jī)器人座椅模式和病床模式切換過(guò)程如圖4所示。

（四）基于物理矛盾原理的改進(jìn)

物理矛盾是在一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)中對(duì)同一個(gè)參數(shù)提出了相反的或是不同的要求時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)機(jī)器人識(shí)別手勢(shì)和執(zhí)行命令時(shí)，為了更加精確的完成工作，必定會(huì)希望其的運(yùn)行速度慢下來(lái)，是一個(gè)低速的過(guò)程。而當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行命令時(shí)，會(huì)對(duì)其的反應(yīng)速度和執(zhí)行速度做出一定的要求，是一個(gè)高速的過(guò)程。因此從中可提取出速度的快與慢構(gòu)成了一組物理沖突。經(jīng)過(guò)分析，問(wèn)題被轉(zhuǎn)化為TRIZ理論中的物理沖突問(wèn)題。

TRIZ矛盾矩陣表：用來(lái)解決技術(shù)矛盾，即不同參數(shù)之間有矛盾。將發(fā)明原理與技術(shù)矛盾之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系描述出來(lái)，就可以直接使用那些對(duì)解決所遇問(wèn)題的技術(shù)矛盾最有效的發(fā)明原理[6]。對(duì)于表2中的矛盾參數(shù)，其所用的發(fā)明原理分別為第1、2、3、8、11、12、13、15、16、18、21、24、27、28、30、33、34、35條發(fā)明原理。

本教學(xué)案例很好的解決了以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：1. 穩(wěn)定性有了較高的提升;2. 速度得到了更有效的控制;3. 自動(dòng)化的程度有了明顯的提高;4. 操作流程的方便性得到了改觀。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文將TRIZ理論創(chuàng)新工具引入到教學(xué)中，為醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新的思路，該作品在中國(guó)機(jī)器人大賽中獲得醫(yī)療創(chuàng)新組的冠軍，驗(yàn)證了相應(yīng)的技術(shù)方案的可行性。目前高校致力于對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，而TRIZ 理論是一種能有效改進(jìn)高校創(chuàng)新教育的方法，有助于推動(dòng)高校創(chuàng)新教育的建設(shè)，完善高校創(chuàng)新教育體制[8]。

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