基于TRIZ理論的無(wú)人超市購(gòu)物小車(chē)設(shè)計(jì)

趙 瑋

(承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校，機(jī)械工程系，河北 承德 067000)

傳統(tǒng)的零售店問(wèn)題日趨嚴(yán)重，一方面因?yàn)閭鹘y(tǒng)零售的人力成本逐年增加，另一方面因?yàn)樨浳飿邮蕉?，管理困難大，并且由于新冠疫情的影響，人與人接觸的零售模式受到了很大的沖擊，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)超市的自動(dòng)化、智能化、安全化管理是至關(guān)重要的。本文運(yùn)用TRIZ理論對(duì)無(wú)人超市購(gòu)物小車(chē)進(jìn)行因果分析并建立了功能模型[1-2]，結(jié)合沖突解決理論和進(jìn)化工具進(jìn)行無(wú)人超市購(gòu)物小車(chē)的設(shè)計(jì)。

1 無(wú)人超市購(gòu)物小車(chē)的工作原理及存在的問(wèn)題

1.1 工作原理

如圖1所示的無(wú)人超市自動(dòng)取貨小車(chē)可以根據(jù)采購(gòu)者輸入的貨物編號(hào)，自動(dòng)地定位到該貨物所在的貨架，通過(guò)攝像頭掃描二維碼的方式確定該貨架上的商品是否和采購(gòu)者輸入的貨物一致。如果一致，就通過(guò)機(jī)械手臂將該貨物抓取并放入貨物斗中；如果不一致或貨架已空，則產(chǎn)生報(bào)警音，繼續(xù)去抓取下一個(gè)貨物。當(dāng)所有的貨物采購(gòu)?fù)戤吅?，取貨小?chē)將自動(dòng)返回起始位置，等待采購(gòu)者進(jìn)行打包及付款操作。

1.2 存在的問(wèn)題

無(wú)人超市購(gòu)物小車(chē)在工作的過(guò)程中會(huì)持續(xù)不斷的抓取貨物到貨斗中，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：

1)由于貨物會(huì)增加小車(chē)的不平衡性及小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中的打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致小車(chē)的行駛路線(xiàn)發(fā)生偏差，甚至碰到貨架出現(xiàn)事故，無(wú)法正確取到所有貨物。

2)小車(chē)在識(shí)別貨物時(shí)，由于超市內(nèi)的光線(xiàn)或二維碼的角度問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致識(shí)別失敗從而不能正確抓取貨物。

3)抓取貨物的機(jī)械手在放置貨物時(shí)，相同尺寸的貨物會(huì)越累積越高，在小車(chē)啟動(dòng)時(shí)貨物由于慣性的作用會(huì)倒下并落在貨物斗以外的地面上。

1.3 現(xiàn)有解決方案

針對(duì)上述問(wèn)題，目前有如下改進(jìn)方案，但是可靠性并不高。

1)采用避障裝置，當(dāng)小車(chē)要碰到貨架時(shí)使之向相反方向運(yùn)動(dòng)。該方案只能確保不出現(xiàn)碰撞事故，并不能保證行駛路線(xiàn)完全正確。

2)在掃描二維碼攝像頭處增加閃光燈，并進(jìn)行多次識(shí)別。該方案可以彌補(bǔ)光線(xiàn)不足帶來(lái)的識(shí)別錯(cuò)誤，并不能徹底解決二維碼角度不正帶來(lái)的識(shí)別錯(cuò)誤。

3)人為干預(yù)，即遇到貨物掉落時(shí)，由管理人員撿起地上的貨物放入貨斗內(nèi)。該方案隨可以解決貨物掉落問(wèn)題，但是降低了無(wú)人超市的自動(dòng)化程度。

2 基于TRIZ理論的無(wú)人超市購(gòu)物小車(chē)設(shè)計(jì)

2.1 TRIZ理論

TRIZ理論是前蘇聯(lián)發(fā)明家、教育家G.S.Altshuller和他的研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)分析大量的專(zhuān)利得到的一種解決發(fā)明創(chuàng)造問(wèn)題的理論和工具，它提供了沖突解決理論和進(jìn)化工具等原理及工具，能夠有效解決在設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的矛盾[3]。TRIZ理論拋棄了工程應(yīng)用中常見(jiàn)的試錯(cuò)思想，從待解決的問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)建立系統(tǒng)的功能模型來(lái)進(jìn)行因果分析，從而確定問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)，然后經(jīng)過(guò)對(duì)理想解及可用資源的分析，利用TRIZ工具得到多種解決問(wèn)題的方案。最后通過(guò)對(duì)各種方案的可行性評(píng)估得到最優(yōu)的解?；赥RIZ理論的發(fā)明問(wèn)題解決過(guò)程如圖2所示。

2.2 問(wèn)題分析

運(yùn)用TRIZ理論解決無(wú)人超市購(gòu)物小車(chē)問(wèn)題時(shí)，首先要將系統(tǒng)中的元件按照制品、系統(tǒng)元件和超系統(tǒng)元件進(jìn)行分類(lèi)，如表1 所示。

根據(jù)系統(tǒng)分析中得到的各元件，按照TRIZ理論規(guī)定的功能描述方式繪制出系統(tǒng)的功能模型圖，如圖3所示。系統(tǒng)的功能模型圖展示了系統(tǒng)中所有元件間的功能關(guān)系，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)作用和有害作用來(lái)描述各元件間的相互作用。通過(guò)功能模型，可以找到四個(gè)有害作用：

表1 系統(tǒng)分析

有害作用1：車(chē)輪在地面上行駛時(shí)會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

有害作用2、3：空氣和光照條件會(huì)影響攝像頭的二維碼識(shí)別成功率。

有害作用4：貨物會(huì)從貨斗中掉落。

通過(guò)系統(tǒng)的功能模型中的有害作用來(lái)進(jìn)行因果分析，如圖4所示。

通過(guò)對(duì)有害作用進(jìn)行因果分析得到了解決問(wèn)題的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)一：行駛時(shí)小車(chē)行駛路線(xiàn)產(chǎn)生偏差。

問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)二：攝像頭不能正確識(shí)別貨物。

問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)三：貨物超出貨物斗邊緣。

2.3 問(wèn)題解決

針對(duì)因果分析得到的三個(gè)問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)，利用適合的TRIZ工具來(lái)解決問(wèn)題。

1)問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)一：行駛時(shí)小車(chē)行駛路線(xiàn)產(chǎn)生偏差。

TRIZ工具：沖突解決理論。

為了修正行駛時(shí)小車(chē)的位置偏差，就需要在系統(tǒng)中增加糾偏裝置，但是增加糾偏裝置后會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。將糾偏裝置和增加系統(tǒng)的復(fù)雜性轉(zhuǎn)化成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突后，通過(guò)查找沖突矩陣可以得到如下發(fā)明原理。

表2 問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)一的矛盾分析

方案一：依據(jù)No.10(預(yù)操作)發(fā)明原理，得到解如下：

定義為軌道方案，在無(wú)人超市內(nèi)部預(yù)先安裝有取貨車(chē)行走的軌道，使取貨車(chē)每次轉(zhuǎn)彎時(shí)都按照軌道的路線(xiàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。

方案二：根據(jù)No.10(預(yù)操作)發(fā)明原理，得到解如下：

定義為磁導(dǎo)航方案，在無(wú)人超市的地面下，提前放置磁條；在小車(chē)內(nèi)放置磁導(dǎo)航傳感器，通過(guò)磁力的作用，修正小車(chē)的位置，使小車(chē)始終行駛在有磁條的地方。

2)問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)二：攝像頭不能正確識(shí)別貨物。

TRIZ工具：進(jìn)化分析。

步驟①：通過(guò)對(duì)先有的技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化過(guò)程進(jìn)行分析[4]，選擇技術(shù)進(jìn)化定律“向復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)化”。

無(wú)人超市采貨小車(chē)經(jīng)歷了如下三個(gè)階段：

固定采購(gòu)車(chē)(自動(dòng)販賣(mài)機(jī))—推車(chē)進(jìn)行采貨(大型無(wú)人超市)—自動(dòng)采貨(大型智能化無(wú)人超市)

步驟②：依據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化發(fā)展過(guò)程，選擇技術(shù)進(jìn)化路線(xiàn)“增加部件的多樣性”。

固定采貨車(chē)(自動(dòng)販賣(mài)機(jī))—推車(chē)進(jìn)行采貨(大型無(wú)人超市)—自動(dòng)采貨(大型智能化無(wú)人超市)—人工智能自動(dòng)采貨車(chē)(人工智能無(wú)人超市)

步驟③：按照選定的技術(shù)進(jìn)化路線(xiàn)，判斷現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)在進(jìn)化路線(xiàn)上的位置，進(jìn)而確定潛力狀態(tài)。

按照潛力狀態(tài)，得到解決方案三：定義為圖片識(shí)別方案，增加帶有圖片識(shí)別功能的攝像頭，可以在進(jìn)行掃碼失敗時(shí)自動(dòng)啟用，通過(guò)圖片比對(duì)的方式對(duì)貨物進(jìn)行識(shí)別，如圖6所示。

3)問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)三：貨物超出貨物斗邊緣。

TRIZ工具：沖突解決理論。

為了使貨物能夠在貨物斗內(nèi)穩(wěn)定的存放，我們需要一個(gè)很大的貨物斗，使貨物不超過(guò)貨物斗的邊緣，但是這樣會(huì)增加貨物斗的尺寸。將穩(wěn)定的存放和增加貨物斗的尺寸轉(zhuǎn)化成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突后，通過(guò)查找沖突矩陣可以得到如下發(fā)明原理。

表3 問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)三的矛盾分析

方案四：依據(jù)No.14(曲面化)發(fā)明原理，得到解如下：

定義為圓形貨斗方案，將貨物斗的底面做成球面，當(dāng)貨物被放到貨物斗內(nèi)會(huì)自動(dòng)尋找平衡點(diǎn)，使多個(gè)相同的貨物在同一點(diǎn)被放下時(shí)，不會(huì)再進(jìn)行高度上的累加，如圖7所示。

方案五：依據(jù)No.24(中介物)發(fā)明原理，得到解如下：

定義為振動(dòng)方案，在貨物斗內(nèi)安裝振動(dòng)裝置，在每次放置貨物后啟動(dòng)振動(dòng)裝置，使貨物斗內(nèi)的貨物進(jìn)行重新布局，防止高度累加。

2.4 最優(yōu)解確定

對(duì)上述四個(gè)方案從技術(shù)難度、操作難度和成本三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]，得到方案評(píng)價(jià)表，如表4所示。

表4 方案評(píng)價(jià)與可用性分析

根據(jù)表4中對(duì)所有解決方案的評(píng)價(jià)與可用性分析，結(jié)合購(gòu)物小車(chē)及無(wú)人超市內(nèi)部的具體環(huán)境要求，得到的最優(yōu)解為：

在無(wú)人超市內(nèi)安裝磁條，在取貨車(chē)上安裝磁導(dǎo)航，使小車(chē)可以無(wú)偏離行駛，使機(jī)械手能夠正常抓取到貨物；在小車(chē)上增加帶有圖像識(shí)別的攝像頭，當(dāng)掃碼失敗時(shí)利用圖像識(shí)別進(jìn)行貨物確認(rèn)；將貨物斗的底面做成球面，使貨物在貨物斗內(nèi)擺放時(shí)高度降低，防止掉落貨物斗外。

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)無(wú)人超市購(gòu)物小車(chē)現(xiàn)存的問(wèn)題運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行了創(chuàng)新方案的設(shè)計(jì)：對(duì)小車(chē)進(jìn)行系統(tǒng)分析、建立功能模型及因果分析，并在因果分析的基礎(chǔ)上得到了解決問(wèn)題的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)沖突解決理論與進(jìn)化工具得到了五種解決方案，最后通過(guò)對(duì)五種解決方案進(jìn)行評(píng)價(jià)與可用性分析，得到了最優(yōu)解。TRIZ理論提供的工具可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)并解決出現(xiàn)的矛盾，是一種科學(xué)有效的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。