TRIZ理論在機器人履帶式行走機構設計中的應用

陳瀟磊

（燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

隨著社會發展和科學技術的進步，機器人在許多領域都得到了應用，許多高校的相關專業都開設了機器人學方面的有關課程。在課堂上，機器人可用于教學示范和實驗教學，還可用于輔助教學，傳遞和展示教具等物品，增加學生近距離接觸教具的機會，有效提高教學資源的利用率，可提高學生課程學習的興趣，加深對教學內容的理解。

但高校的教室普遍面積較大，尤其是階梯教室還有臺階，給教師向每位學生展示教具和教具在師生間的傳遞增加了困難。用于課堂的機器人設計應采用履帶式行走機構，履帶采用橡膠或聚氨酯材料，既不破壞地面，又可實現水平地面平穩快速行走，還可進行原地轉彎，攀爬階梯教室的（標準）臺階。

課堂機器人體積和重量應有一定的限制，不宜過大，即機器人總長度不宜超過單級臺階長度。機器人過高將導致機身重心升高，又會影響其行走和攀爬階梯時的穩定性，由此導致該機器人履帶式行走機構攀爬階梯的沖角不足，攀爬能力低，無法爬越臺階，如圖1所示。

圖1 履帶式行走機構沖角示意圖

TRIZ理論是由前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller）在研究了世界各國250萬份高水平專利的基礎上創立的發明問題的解決理論。它成功地揭示了創造和發明的內在規律和原理，著力澄清和強調系統的內在的矛盾沖突，是基于技術的發展演變規律來研究整個設計與開發過程［1］，以實現技術突破。因此我們提出運用TRIZ理論對該機器人履帶式行走機構進行創新性研究設計，解決機器人體積和重量在限定的范圍內，即在攀爬階梯的沖角不足的情況下，提高攀爬能力，解決爬越階梯的難題。

1 運用技術矛盾與物理矛盾及其轉化解決沖角不足問題

1.1 技術矛盾

課堂機器人長度和高度尺寸（即體積）不宜過大，應有一定的限制，過高則會影響其穩定性，由此導致課堂機器人履帶式行走機構攀爬臺階的沖角不足，攀爬能力低，往往無法爬越教室臺階，攀爬階梯適應差。

依據據TRIZ理論，機器人長度和高度尺寸可轉化為39個通用技術參數中的“4.靜止物體的長度”，為改善的技術特性參數；攀爬階梯能力可轉化為“35.適應性”，為惡化的技術特性參數。系統中的問題是由以上兩個參數導致的，屬于技術矛盾（沖突）。

根據阿奇舒勒矛盾矩陣找到相應的發明原理：“1.分離法”和“35.性能轉換法”，結合該問題研究分析每個原理的適用性和可操作性。其中“1.分離法”的含義是：將一物體分割成獨立的部分，提高物體分離性，雖然有些提示，但并不明確。至此也沒有找到滿意的解決辦法。

1.2 技術矛盾與物理矛盾的轉化

技術矛盾是更顯而易見的矛盾，而物理矛盾是隱藏得更深入、更尖銳的矛盾［2］。由于技術矛盾和物理矛盾是有相互聯系的，嘗試將以上技術矛盾轉化為物理矛盾，有助于發現更理想的解決方法。將課堂機器人履帶式行走機構攀爬階梯的沖角增大，可提高機器人攀爬能力，實現直接爬越教室臺階；但增大沖角會造成機器人長度和高度尺寸增大，增加其體積和重量，影響其行走穩定性。

依據TRIZ理論，系統中的問題是由機器人履帶式行走機構攀爬階梯的沖角大與小一個參數導致的，可理解為物理矛盾幾何類參數“長與短”，為物理矛盾。由于機器人履帶式行走機構攀爬階梯時間段與水平面行走時間段可以分開，因此可將矛盾雙方在不同的時間段分離開來。即當系統或關鍵子系統矛盾雙方在某一時段中只出現一方時，則使用時間分離原理是可能的，因此該物理矛盾可采用時間分離的方法解決。

通過分析，與解決時間分離有關的物理矛盾對應的12個發明原理中的“15.動態化”和“16.部分超越。”可以利用。動態化的含義是：物體或其環境自動調節，以使其在每個動作階段的性能達到最佳，把物體分成彼此相對移動的幾個部分，將不動的物體改變為可動的，或具有自適應性。部分超越的含義是：如果期望難以100%地實現時，則應部分達到或超越理想效果，大大簡化問題。

經這兩個發明原理的提示，將課堂機器人履帶式行走機構前部分設計成具有可向下支出和向上收回的帶滾輪的支桿，當機器人履帶行走機構運動到階梯前，準備攀爬臺階時，將支桿向前下方支出，并與地面作用，使履帶式行走機構前部分抬起，當行走機構前部分轉輪及履帶略微超越臺階上邊沿后，行走機構再前行適當距離，可使其前部分轉輪及履帶輪搭在臺階上邊，再將支桿向上收回，可解決履帶式行走機構攀爬階梯時沖角不足、攀爬能力低的問題，如圖2所示 。

2 運用ARIZ算法解決機器人攀爬階梯機身后傾的問題

ARIZ是基于技術系統進化法則的一套完整的分析問題和解決問題的方法，主要針對問題情境復雜、矛盾及其相關部件不明確的技術系統。它是一個對初始問題進行一系列變形及再定義非計算性的邏輯過程，實現對問題的逐步深入分析和轉化，最終解決問題［3］。

該機器人重心原則上應設計位于機器人長度方向中間（附近）位置，重心高度也盡量減低，以使其在地平面行走及攀爬階梯過程中穩定性好。其體積和重量應有一定的尺寸限制，總長度不宜超過單級臺階的長度。經過試驗：如果機器人重心位于長度方向中間位置會造成機器人攀爬階梯過程中，當履帶式行走機構前部分轉輪及履帶輪搭在臺階上邊后繼續前行，經常出現機器人機體頭部向上后方向運動趨勢，使機體趨近直立，嚴重阻礙機體繼續前行，甚至會造成機器人機體后傾翻的后果。如圖3所示。

以下嘗試按照ARIZ-85的步驟來分析解決該機器人攀爬階梯機身后傾的問題。

2.1 步聚一：分析問題，對其進行分析和簡化

建立一個可以準確描述的極其單一化的問題模型，本步驟見表1。

圖2 履帶式行走機構攀爬臺階前期示意圖

圖3 機器人攀爬階梯后傾示意圖

表1 步驟一分析問題

2.2 步驟二：分析問題模型

主要目的是創建用來解決問題的有效資源的清單（空間、時間、物質和場）。

1）定義操作區域，機器人行走機構履帶與階梯地面接觸的空間。

2）定義操作時間。T1（發生沖突的時間段）為機器人攀爬階梯時的時間；T2（沖突發生前的時間）為攀爬階梯前的時間。

3）查明資源。物質資源：階梯、帶輪、履帶、電動機、空氣。空間資源：機器人履帶與階梯及水平地面接觸的空間。時間資源：攀爬階梯過程及之前的時間。能源資源：電場、機械場、重力場。功能資源：機器人履帶水平地面行走及攀爬階梯時產生的慣性沖力。

2.3 步驟三：陳述IFR和物理矛盾

可獲得最終理想解IFR的未來圖像，也確定了阻礙獲得IFR的物理矛盾，指引出如何獲得理想解的方向［4］。

1）表述IFR-1：引入X-元素，在操作區和操作時間內，不會以任何方式使系統變復雜，也不產生攀爬階梯時機器人后傾翻，不增加自重，穩定性好。

2）強化IFR-1：再一次分析操作區內及其周圍資源，沒有找到任何與X要求接近的資源。

3）宏觀物理矛盾：操作區的操作時間內，為了機器人有效攀爬階梯不后傾翻，應使機體重心前置（配重）；為防止機器人前重后輕，行走不穩定，重心應置于中間位置。

4）微觀物理矛盾：操作區的操作時間內，為了機器人有效攀爬階梯不后傾翻，應使機體重心微粒前置；為防止機器人前重后輕，行走不穩定，重心微粒應置于中間位置。

5）表述IFR-2：操作區的操作時間內，機器人應自我實現在不需配重、行走平穩定條件下，有效攀爬階梯。

6）使用物-場分析（和標準解法）。S1為重心，S2為機器人機身，F為機械場。S1和S2之間存在又不存在沖突，無法建立物-場模型。

2.4 步驟四：利用資源

1）使用小人法：兩種小人分別代替機器人重心和機身：重心—— ；機身（履帶與地面接觸部分）—— 。機器人爬階梯前，如圖4（a）所示。機器人前端小人搭在階梯上邊，如圖4（b）所示。機器人爬階梯過程中機體頭部小人向上后方向運動，使機體趨近直立趨勢，易造成機器人機體后傾翻，如圖4（c）所示。若機器人前端小人在階梯上后，后端小人以前端小人為旋轉中心依次相應逐漸上升抬起，可實現有效攀爬階梯，且不會造成攀爬階梯過程中機體頭部小人向上后方向運動，使機體趨近直立趨勢，避免了造成機器人機體后傾翻后果，如圖4（d）所示。得到解決提示問題是：實現后端以前端為旋轉中心依次相應逐漸上升抬起。

2）從IFR返回，理想解是：課堂機器人重心置于中間位置時，也能實現有效攀爬階梯，不會后傾翻。

3）使用混合物質資源：攀爬階梯階段采用前支撐桿和后推桿配合。

4）使用真空區：找不到到真空區，但是有現成空間資源：課堂機器人與階梯及水平地面接觸的空間。

5）使用派生資源：沒有找到合適的派生資源。

6）使用電場：使用電場和其相互作用不太可能。

7）使用場和場敏物質：考慮使用場和場敏物質，或對場敏感的物質添加劑來解決問題。典型的是磁場和鐵磁材料、紫外線和發光體、熱與形狀記憶合金等。沒有找到合適提示。

問題得到解決：即在該機器人履帶式行走機構后端設計一對電動推桿，推桿下部安裝有小輪子，當電動推桿向下伸長時，使機器人以前端為旋轉中心后端逐漸上升抬起至接近臺階高度，通過履帶行走機構驅動機器人實現整體有效攀爬階梯，在保證機器人重心位于長度方向中間位置狀態下，避免了機體后傾翻現象，如圖5所示。

圖4 課堂機器人攀爬階梯后傾問題小人模型圖

2.5 直接進入ARIZ的步驟七，繼續求解

分析解決物理矛盾的方法，主要目標是檢查解決方案的質量。1）檢查解決方案：解決技術問題時，沒有產生了附加問題。2）解決方案的初步評估：得到的方案能保證完成理想化的最終結果IFR-l的主要需求。攀爬階梯時不產生機器人后傾翻，不增加自重，穩定性好。方案消除了宏觀物理矛盾，在問題實際條件中能解決提出的機器人攀爬階梯的后傾問題。3）通過專利搜索檢查解決方案的新穎性：未見有關專利涉及。4）預估應用方案時產生的子問題：采用已得到的方案，未發現會帶來附加子問題。

圖5 履帶式行走機構攀爬階梯三維建模效果示意圖

圖6 機器人攀爬階梯試驗

3 結論

課堂機器人設計為人重心居長度方向中間位置，重心高度盡量減低，攀爬階梯階段采用前支桿和后推桿配合，即先以前支桿支撐履帶行式走機構前部分轉輪及履帶搭在臺階上邊，后端推桿推動機器人以前端為旋轉中心依次相應逐漸上升抬起機身至接近臺階高度。通過履帶式行走機構驅動機器人實現整體有效攀爬階梯。即避免了機器人機體后傾翻現象，可使重心居長度方向中間位置，無需使其重心前置而增加配重，行走穩定性好。圖6為該機器人攀爬階梯試驗照片。

通過對TRIZ理論的學習和初步應用實踐體會到：在創新研究設計中，主觀、有意識地應用這一發明問題解決理論方法，可有助于突破思維障礙，快速發現問題的本質，確定探索方向，少走或不走彎路，加快創新研究和設計發明的進程。

［1］ 劉訓濤，曹賀，陳國晶.TRIZ理論及應用［M］.北京：北京大學出版社，2011：2.

［2］ 成思源，周金平，郭鐘寧.技術創新方法—TRIZ理論及應用［M］.北京：清華大學出版社，2014：126.

［3］ 曹俊強.TRIZ理論基礎教程與創新實例［M］.哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，2013：205.

［4］ 曹福全.創新思維與方法概論—TRIZ理論及應用［M］.哈爾濱：黑龍江教育出版社，2009：288.