基于TRIZ理論的采摘執(zhí)行器創(chuàng)新設(shè)計*

左斌，陳艷軍

(1. 蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州，215104； 2. 江蘇省3C產(chǎn)品智能制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇蘇州，215104)

0 引言

隨著我國人民生活水平不斷提高，以及果類培植技術(shù)的提升，水果需求量和產(chǎn)量近年來穩(wěn)步增長[1]，如2019年國內(nèi)水果總產(chǎn)量已達(dá)25 000萬t以上[2-3]，采收工作時間緊急且量大。為提高適宜采收期內(nèi)的采摘效率，各種類型的水果輔助采摘機(jī)械應(yīng)運而生[4-6]，而這些采摘機(jī)械中的核心部件是末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器是水果采摘機(jī)械中完成水果抓取功能的組件，具體包括定位、抓取、采摘和復(fù)位等動作的執(zhí)行，但市面上常用的簡易型采摘器所配置的末端執(zhí)行器多是靠人力控制以實現(xiàn)功能，其自動化程度低，采摘耗時耗力。

蘇聯(lián)發(fā)明家Altshuller及團(tuán)隊成員在對各國近250萬件專利分析的基礎(chǔ)上提出了一套問題解決理論，即創(chuàng)造性問題解決理論TRIZ[7-8]。創(chuàng)造性問題解決理論TRIZ中常用的解決原理有技術(shù)沖突理論和物場模型分析問題工具，例如，夏文涵等[9]結(jié)合物場模型分析工具和矛盾沖突理論對管道機(jī)器人檢測模塊提出了創(chuàng)新設(shè)計方案，于菲等[10]提出基于知識的多層次裁剪理論，并應(yīng)用該理論對架橋機(jī)進(jìn)行了創(chuàng)新驗證，蘇開遠(yuǎn)等[11]對鼠標(biāo)再制造裝置應(yīng)用矛盾矩陣和物場模型分析工具進(jìn)行可拆卸設(shè)計。上述學(xué)者均利用TRIZ理論工具進(jìn)行了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計并取得了技術(shù)創(chuàng)新，故針對現(xiàn)有采摘執(zhí)行器在采摘過程因無法控制水果采摘壓力導(dǎo)致水果易損傷的問題，應(yīng)用TRIZ矛盾沖突理論和物場模型分析方法進(jìn)行采摘執(zhí)行器的創(chuàng)新設(shè)計。

1 基于TRIZ的采摘執(zhí)行器求解流程

在產(chǎn)品設(shè)計和使用過程中常會出現(xiàn)各種沖突問題，而TRIZ中的矛盾沖突理論是一種常用的解決沖突問題的求解方法。根據(jù)矛盾沖突問題的類型可分為技術(shù)矛盾和物理矛盾[12]。技術(shù)矛盾是運用TRIZ的40個發(fā)明原理求解；物理矛盾是運用4大分離原理將矛盾體分離求解。TRIZ理論中的功能分析工具——物場模型，可用于解決工程系統(tǒng)中存在的功能問題。本文在綜合矛盾沖突理論和物場模型兩種問題求解方案的基礎(chǔ)上，提出了基于TRIZ的采摘執(zhí)行器的求解流程，如圖1所示。

圖1 基于TRIZ的采摘執(zhí)行器的求解流程Fig. 1 Process of problem solving of picking end-effector based on TRIZ

1.1 分析問題

通過TRIZ系統(tǒng)組件方法分析出該系統(tǒng)的功能，并在功能分析基礎(chǔ)上識別出系統(tǒng)組件、子系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件。為進(jìn)一步了解各個系統(tǒng)組件間的相互作用和關(guān)系，運用功能模型分析出該系統(tǒng)中的非正常功能，包括不足功能、過量功能和有害功能。

1.2 解決問題

根據(jù)功能模型分析出的非正常功能的不同類型，應(yīng)用TRIZ工具分別制定合理的求解策略。其中常用的求解工具有矛盾沖突理論和物場模型分析等。而矛盾沖突理論又分為技術(shù)沖突和物理沖突。

1) 技術(shù)沖突理論。技術(shù)沖突是指當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)中的一個參數(shù)或性能被改善時，系統(tǒng)中的另一參數(shù)或性能則出現(xiàn)惡化。解決技術(shù)沖突的方法是將分析問題時所產(chǎn)生的矛盾轉(zhuǎn)化成通用型的TRIZ模型—技術(shù)沖突，然后利用TRIZ中的39×39通用參數(shù)矛盾矩陣，查找到相應(yīng)的發(fā)明原理編號，根據(jù)該編號對應(yīng)的“發(fā)明原理描述”所給的提示內(nèi)容，最終找到合適的沖突問題的求解方法[12]。

2) 物理沖突理論。物理沖突是指技術(shù)系統(tǒng)出現(xiàn)相反要求的矛盾現(xiàn)象，即系統(tǒng)中產(chǎn)生兩個物理要素上的沖突。物理沖突的常用解決方法是運用四大分離原理實現(xiàn)矛盾體分離，其中四大分離原理是從時間、空間、條件以及整體與局部等四方面分類。具體求解步驟為：(1)明確物理沖突參數(shù)；(2)定義物理沖突類型；(3)求解物理沖突。

3) 物場模型分析方法。物場模型是利用場或效應(yīng)建立已知系統(tǒng)之間的關(guān)系模型，用特殊的圖形符號表示系統(tǒng)組件間的功能關(guān)系。典型的物場模型由兩個物質(zhì)(S1、S2)和一個場(F)組成。根據(jù)建立的物場模型分析系統(tǒng)是否完整有效，將非有效的物場模型分為不完整模型、不足模型和有害模型三種[13-14]，并利用第1類標(biāo)準(zhǔn)解對不完整模型和有害模型求解，利用第2類或第3類標(biāo)準(zhǔn)解對不足模型求解。

根據(jù)以上三種TRIZ分析工具得出多種求解方案，綜合各個方案的優(yōu)缺點和實用性，選擇最佳創(chuàng)新方案。

1.3 評價方案

對選擇的創(chuàng)新方案進(jìn)行科學(xué)評價，進(jìn)一步驗證有效性。常見評價方式有仿真驗證或試驗驗證。仿真驗證用于方案的初步可行性評價，若仿真結(jié)果合理，則進(jìn)一步采用試驗驗證方案的有效性；若不合理，則需返回到圖1求解流程二，重新分析系統(tǒng)組件和求解策略。

2 采摘執(zhí)行器的創(chuàng)新設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組件功能分析

通過對市面上現(xiàn)有水果采摘器的調(diào)查以及對水果采摘器相關(guān)專利檢索后發(fā)現(xiàn)，采摘器以簡易型為主，其執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)多數(shù)為爪頭型。這類執(zhí)行器主要由爪頭、爪座、鋼絲繩、彈簧等部件組成，先由爪頭靠近水果，人力作用于鋼絲繩使爪頭將水果抓緊，并在彈簧的作用下保持爪頭的張力，最后人力拉拽爪頭完成采摘；采摘完成后，手動釋放鋼絲繩拉力，從而松開爪頭。

運用TRIZ系統(tǒng)組件分析方法對采摘執(zhí)行器進(jìn)行功能分析，識別出采摘執(zhí)行器的系統(tǒng)組件、子系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件。如表1所示，采摘執(zhí)行器屬于工程技術(shù)系統(tǒng)，其功能為抓取。對執(zhí)行器的系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件間的相互關(guān)系進(jìn)行分析，列出執(zhí)行器的相互關(guān)系矩陣表以便更直觀地了解組件間作用，如表2所示。

依據(jù)上述的系統(tǒng)組件分析以及關(guān)系矩陣表，最終得出采摘執(zhí)行器的功能模型，如圖2所示。從圖2可以看出，采摘執(zhí)行器的主要功能為鋼絲繩收緊爪頭實現(xiàn)水果的抓取。不足功能為：鋼絲繩收緊時力度不穩(wěn)定、爪頭對水果過度擠壓有損傷風(fēng)險。為徹底創(chuàng)新不足功能，采用TRIZ的沖突理論和物場模型來尋找解決方案。

表1 采摘執(zhí)行器組件分析Tab. 1 Component analysis of picking end-effector

表2 采摘執(zhí)行器相互關(guān)系矩陣Tab. 2 Correlation matrix of picking end-effector

圖2 采摘執(zhí)行器的功能模型Fig. 2 Functional model of picking end-effector

2.2 運用TRIZ工具解決問題

1) 技術(shù)沖突分析。根據(jù)技術(shù)沖突理論明確改善和惡化要素，將其要素轉(zhuǎn)化成TRIZ中的39個通用參數(shù)，然后通過通用參數(shù)組成的矛盾矩陣表查找相應(yīng)的發(fā)明原理求解技術(shù)沖突。結(jié)合采摘器的結(jié)構(gòu)，選擇改善采摘執(zhí)行器的力度穩(wěn)定性，即需要增加力度控制模塊提高爪頭抓取動作的穩(wěn)定性，但會使執(zhí)行器整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和裝配變得復(fù)雜，因此產(chǎn)生沖突：改善的是爪頭穩(wěn)定性；惡化的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和裝配變復(fù)雜。將改善和惡化的部分轉(zhuǎn)變成TRIZ技術(shù)矛盾矩陣表中的一般參數(shù)：改善參數(shù)為可靠性；惡化參數(shù)為復(fù)雜性。查閱阿奇舒勒矛盾矩陣表，得出3種發(fā)明原理的解決方法，如表3所示。

2) 物理沖突分析。結(jié)合物理沖突理論分析現(xiàn)有簡易型采摘器的爪頭結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)爪頭尾部只有一根采摘桿情況下，只能完成單一的抓取動作，無法同時完成抓取、拉伸或扭轉(zhuǎn)動作，因此需要設(shè)計一種結(jié)構(gòu)能夠同時實現(xiàn)水果抓取和扭斷果梗的功能。這時，爪頭的尾部需要安裝兩個動力部件，而爪頭尾部只能連接一個動力部件，故而產(chǎn)生空間上的矛盾沖突。利用空間分離原理，進(jìn)行如下改善：保留現(xiàn)有爪頭上控制抓取動作的動力部件，在爪頭尾部增加爪座部件并增設(shè)拉伸或扭轉(zhuǎn)動作的動力部件，通過空間分離，解決物理沖突。

3) 物場模型分析。依據(jù)系統(tǒng)組件功能模型建立爪頭抓取水果的物場模型，由于簡易型爪頭只能實現(xiàn)單一的水果抓取功能，無法對水果抓取時的夾緊力進(jìn)行控制，所以該物場模型為有用但效應(yīng)不足的功能模型，如圖3所示。TRIZ理論中對于該類型可采用第2類或第3類的標(biāo)準(zhǔn)解來替代或補(bǔ)充不足效應(yīng)，針對該模型可采用S2.1轉(zhuǎn)化成合成物場模型，在原模型中引入另一個場F2“力場”和另一個物質(zhì)S3“傳感器”來增強(qiáng)爪頭抓取的物場效應(yīng)，使得爪頭抓取水果的力度可控，如圖4所示。

表3 運用發(fā)明原理得到的解決方案Tab. 3 Solution obtained by applying inventive principles

鋼絲繩對爪頭的作用物場模型如圖5所示，因爪頭的三個爪片連接著鋼絲繩，而每根鋼絲繩的疲勞壽命不同，因此無法確保各個爪片的運動角度相同，加上人力操控低效，所以該物場模型也是有用但效應(yīng)不足的功能模型。對該物場模型進(jìn)行改善：應(yīng)用第3類標(biāo)準(zhǔn)解S3.1雙系統(tǒng)和多系統(tǒng)轉(zhuǎn)化與S2.2更易控制的場來增強(qiáng)物場模型，將鋼絲繩對爪頭的收緊機(jī)械控制改進(jìn)為F1“電場”控制，提高抓取水果的控制性能；引入F3“電場”和S4“旋轉(zhuǎn)電機(jī)”物質(zhì)實現(xiàn)爪頭扭轉(zhuǎn)果梗，增強(qiáng)物場模型，如圖6所示。

圖3 效應(yīng)不足的爪頭物場模型Fig. 3 Insufficient substance-field model of picking head

圖4 有效的爪頭物場模型Fig. 4 Effect substance-field model of picking head

圖5 效應(yīng)不足的鋼絲繩物場模型Fig. 5 Insufficient substance-field model of wire

圖6 有效的鋼絲繩物場模型Fig. 6 Effect substance- field model of wire

2.3 采摘執(zhí)行器創(chuàng)新方案

利用TRIZ技術(shù)沖突“分割”發(fā)明原理以及爪頭抓取水果的物場模型分析可得出相同的解決方案：在爪頭上套設(shè)壓力傳感器，實現(xiàn)爪頭抓取的力度可控。運用物理矛盾沖突“空間分離”原理以及鋼絲繩對爪頭的物場模型分析得出解決方案，在爪座結(jié)構(gòu)上增設(shè)拉伸或扭轉(zhuǎn)的動力部件，增加爪頭扭斷果梗的功能。

綜合上述方案，最終得出基于TRIZ的采摘執(zhí)行器創(chuàng)新方案，新設(shè)計的采摘執(zhí)行器由抓取電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、爪頭、傳感器和爪座等部分組成，其中爪頭上套設(shè)防水果損傷的軟膠以及控制抓取力度的傳感器，爪頭的張開和閉合通過抓取電機(jī)實現(xiàn)，水果的果梗擰斷通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)實現(xiàn)，如圖7所示。

圖7 采摘執(zhí)行器創(chuàng)新方案Fig. 7 Innovative design for picking end-effector1.爪頭 2.傳感器 3.爪座 4.抓取電機(jī) 5.旋轉(zhuǎn)電機(jī)

采摘執(zhí)行器的爪頭運動范圍影響采摘水果的大小，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，其運動簡圖如圖8所示。該執(zhí)行器有4個構(gòu)件和4個低副構(gòu)成，其中爪頭的兩個支撐距離為l1，爪頭旋轉(zhuǎn)點到滑塊的長度為l2，固定鉸鏈到滑塊的距離為h，滑塊移動的距離為S，l1的相位角為θ。

圖8 采摘執(zhí)行器運動簡圖Fig. 8 Motion diagram of picking end-effector

根據(jù)運動簡圖可以得出位移關(guān)系

(1)

進(jìn)一步化簡得

(2)

(3)

設(shè)計時首先給出了h、l1和l2，根據(jù)水果直徑的大小確定了θ的范圍，代入式(3)中計算出S的移動范圍。根據(jù)其移動距離和采摘時間選擇了驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)的功率大小由式(4)確定。

(4)

式中：P——電機(jī)的功率；

T——采摘執(zhí)行器所需的扭矩；

ω——采摘執(zhí)行器的角速度；

J——采摘執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動慣量；

?——采摘執(zhí)行器的角加速度。

為提高采摘執(zhí)行器的采摘效率，選定了采摘時間為2 s，按照采摘執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)確定了轉(zhuǎn)動慣量1.5 kg·m2以及角加速2 rad/s2，所以由式(4)得出采摘執(zhí)行器所需的功率為4 W時可滿足要求。

3 評價方案

3.1 采摘執(zhí)行器的仿真分析

采摘執(zhí)行器的作用是利用爪頭完成水果的抓取和采摘作業(yè)，為驗證創(chuàng)新方案的合理性，有必要對其進(jìn)行運動仿真。將Solidworks建立的采摘執(zhí)行器模型導(dǎo)入其motion環(huán)境下[15]，添加各個構(gòu)件間的運動副類型與電機(jī)驅(qū)動類型。

圖9是采摘執(zhí)行器的角速度隨著時間變化的曲線圖，在采摘執(zhí)行器爪頭夾緊動作過程中，角速度的變化值幾乎不變。圖10是采摘執(zhí)行器的角加速度曲線圖，在抓取的整個過程中，角加速度值變化很小，故說明爪頭在抓取過程中對水果無劇烈擠壓。通過仿真驗證初步說明該創(chuàng)新方案合理。

圖9 采摘執(zhí)行器的角速度曲線Fig. 9 Angular velocity curve of picking end-effector

圖10 采摘執(zhí)行器的角加速度曲線Fig. 10 Angular acceleration curve of picking end-effector

3.2 試驗驗證

根據(jù)采摘執(zhí)行器的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)制作了實物樣機(jī)，該采摘器的爪頭抓取水果大小范圍為40～80mm，試驗圖如圖11所示。

(a) 采摘壓力測試 (b) 室外采摘試驗圖11 采摘執(zhí)行器試驗圖Fig. 11 Experimental figure of picking end-effector

對該樣機(jī)分別進(jìn)行采摘壓力測試和室外采摘試驗，圖11(a)為采摘壓力測試，采摘壓力測試在室內(nèi)進(jìn)行，利用采摘爪頭上的壓力傳感器HX711AD測試爪頭抓取水果的壓力，得出合適的采摘壓力且不損傷水果。設(shè)定抓取力度每隔0.5 N增加，分別設(shè)定抓取壓力0.5 N、1 N、1.5 N、2 N、2.5 N和3 N，經(jīng)過多次測試后，確定了爪頭的抓取壓力值為2.5 N時采摘效果最佳且對水果無擠壓損傷。

圖11(b)為室外采摘試驗，試驗標(biāo)準(zhǔn)按照NY/T 1086—2006中的第5條采收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采摘對象為蘋果，采摘時間為30 min，利用伸縮桿將采摘執(zhí)行器送至水果附近進(jìn)行機(jī)械采摘與人工采摘進(jìn)行對比，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 人機(jī)采摘試驗Tab. 4 Manual and mechanical picking experience

從表3可以看出，創(chuàng)新設(shè)計的機(jī)械采摘執(zhí)行器采摘每個水果時間約為6 s低于人工采摘時間11 s，在相同時間內(nèi)機(jī)械采摘水果的成功率為93%高于人工采摘成功率。因此，創(chuàng)新設(shè)計的機(jī)械采摘執(zhí)行器滿足設(shè)計要求，提高了采摘效率，降低了人工勞動力損耗，為后續(xù)采摘器的研究提供了參考。

4 結(jié)論

1) 綜合應(yīng)用TRIZ矛盾沖突理論和物場分析模型方法，設(shè)計了基于TRIZ理論的新型采摘執(zhí)行器。新型采摘執(zhí)行器主要由爪頭、爪座、傳感器和電機(jī)等組成，且采摘壓力可控。從而實現(xiàn)水果的無損自動抓取和采摘，同時適用于不同果品采摘作業(yè)。

2) 對采摘執(zhí)行器進(jìn)行了運動仿真和試驗驗證，進(jìn)一步證明了采摘執(zhí)行器的穩(wěn)定性和可靠性。試驗結(jié)果表明采摘執(zhí)行器的抓取壓力為2.5 N時采摘效果最佳且水果無擠壓損傷，在30 min的采摘試驗中，平均每個水果的采摘時間約為6 s，采摘成功率為93%。試驗表明，采摘執(zhí)行器的采摘效率和成功率符合采摘創(chuàng)新設(shè)計要求，為后續(xù)采摘器的研究提供了理論參考依據(jù)。