基于 TRIZ 理論的夾抱式 AGV創新設計

文/潘 軍 鄒揚波 李占江

在現代制造業的先進工廠中，AGV成為一種普遍應用的搬運工具。尤其在煙草工業生產過程中，AGV 的使用非常廣泛，車型與搬運方式也多種多樣。在卷煙生產工藝中，箱式儲絲工藝以其獨特的優勢已經成為一種技術發展的方向和趨勢。應用箱式儲絲工藝需要解決煙絲箱的搬運和存儲問題。如果采用非托盤式底部結構的煙絲箱，不用投資貨架而是直接進行煙絲箱間疊放堆垛的方式進行煙絲箱的存儲，就要用到夾抱式AGV。夾抱式 AGV ，由于工作場景特殊，對 AGV 的運行和煙絲箱的定位均有較高要求，屬于 AGV 中的高端車型。該裝備的技術含量高，開發難度大，市場一直為國外 AGV 廠商把持。為了開發出國內自主知識產權的夾抱式AGV 產品，不但需要開發人員有豐富的AGV 系統規劃設計能力、機械設計能力和電控設計能力，更需要在研發管理和創新手段、方法上有一定的章法可循，它穩定高效地保證了產品開發項目的成功。本項目就是基于這一理念，在國內首次將 TRIZ 理論方法應用到新型高端AGV 產品的開發中，實現了創新方法的升級和質變。

圖1 夾抱式 AGV 外形

一、TRIZ 理論與創新方法

TRIZ 理論由前蘇聯發明專家G.S.Altshuller 提出，其英文名字為“theory of inventive problem solving”，“TRIZ”是將原俄文字母轉化成拉丁文后的字母縮寫，在國內也有人譯為“萃智”理論。Altshuller 在前蘇聯的海軍專利局工作，他的團隊從250 萬個專利樣本空間中，篩選出 50 萬個發明質量高的專利，然后再對這 50 萬個專利按創新性高低進行分級研究，最后從中抽象概括出一種發明問題解決的理論。該理論的基本理念是解決發明問題的基本原理是客觀存在的，這些客觀存在可以整理成一套應用工具，掌握該工具的人可以提高發明效率，縮短開發周期。相對于傳統的創新方法如頭腦風暴法、試錯法、形態分析法、和田十二法等，TRIZ 創新方法有諸多優勢。首先，TRIZ 創新方法是一種主動式的、方向明確的創新方法。TRIZ 理論有嚴謹的方法論步驟可遵循，給創新提供明確的思路和方向。其次，TRIZ 理論能夠提供跨領域、跨專業的解決問題的思路和建議。最后，TRIZ 理論能夠預測技術的發展，跟蹤產品的進化過程，為企業的戰略決策提供測算模型和理論依據。

解決任何問題的過程都包含兩部分：問題分析和問題求解。TRIZ 理論進行創新性的解決工程問題的基本流程和求解過程如圖2。

從圖2中可以看出，TRIZ 理論在解決具體工程問題時首先將問題抽象成TRIZ 理論的通用模型。TRIZ理論的通用模型包括功能模型、物-場模型等，而且 TRIZ 理論對描述模型的符號體系、建模的概念均有明確定義。工程人員將實際的工程問題用 TRIZ 理論進行建模后，就可以使用 TRIZ 理論對不同性質的模型提供的不同通用解法。按模型的性質劃分，模型主要有技術矛盾模型、物理矛盾模型和物-場模型等。TRIZ 理論首先把問題看作是多個子系統組成的系統或超系統。技術矛盾指的是一個系統中兩個子系統之間的矛盾。比如在某系統中，一個子系統有一個有益的功能，卻對另一個子系統產生了有害的功能，這在工程中經常遇到。物理矛盾的定義是一個產品或性能同時有兩種相反的狀態存在，即對同一參數特性的需求相矛盾。物-場模型是以物質和場的形式表示的工程系統中任意子系統的模型。對于技術矛盾模型，TRIZ 理論提供一種由 39 個參數組成的 39x39 的“矛盾矩陣”和 40 個發明原理的組合工具來提供TRIZ 理論通用解。對于物理矛盾模型，TRIZ 理論提供了四種分離方法來找到TRIZ 理論通用解，即空間分離、時間分離、條件分離、整體與局部分離。每種分離下對應的 40 個發明原理中的部分發明原理為該模型的通用解。對于物-場模型，TRIZ 理論提供分成 5 類的 76 個標注解為該模型的通用解。對于更復雜的系統和模型，TRIZ 理論提供 ARIZ 算法作為尋找 TRIZ 理論通用解的工具。有了TRIZ 理論提供的通用解，再通過類比聯想的方法，結合自身的專業知識，就可以找到具體工程問題的針對解法，得出具體問題的解決方案。經典 TRIZ 理論的體系結構如圖3。

圖2 TRIZ 理論解決工程問題的基本流程

圖3 經典 TRIZ 理論的體系結構

圖4 AGV 系統的流量要求

圖5 煙絲箱的外形

二、夾抱式 AGV 項目的開發

本項目開發的夾抱式 AGV 用于國內某省卷煙廠的煙絲庫技改項目。夾抱式AGV 搬運的對象為煙絲箱，AGV 系統的搬運流量要求如圖4。煙絲庫煙絲箱的儲存形式為地面碼放、四箱疊放，總儲位數為 372 箱。存儲的物料為成品煙絲。煙絲箱的外形尺寸為

1284mm(L)×1284mm(W)

×1280mm(H)，

圖6 夾抱式 AGV 的功能結構

實箱重量小于400kg。要求夾抱式AGV 能夠搬運單箱或搬運雙箱疊放的箱垛，能夠取放到 4 層箱垛最高一層的單箱，或取放雙箱疊放的箱垛。煙絲箱的外形規格如圖5。

該項目煙絲庫系統的基本要求包括：系統要適應柔性生產、批次管理、按訂單生產、質量跟蹤、信息跟蹤不斷線、減少造碎等需求。采用先進柜再裝箱的模式，設置人工裝箱外發煙絲功能。具備批次先進先出功能。箱子倒料后有自動檢測余料功能及自動清除余料功能。正常儲絲 5 批次煙絲，進入存儲區的煙絲箱需帶蓋。在接受一個批次生產指令時，系統對于不能滿足生產要求的庫存發出預警信息。實現全過程信息采集、批次跟蹤?，F場需配置操作終端，滿足現場使用要求，同時預留與上位系統（MES、ERP 等）接口等。夾抱式 AGV的外形如圖 1。

該夾抱式 AGV 采用平衡重式叉車的基本原理，自主設計車體機械結構，將原叉車前端的貨叉改為夾抱式的叉車屬具?；?NDC 的平臺采用“激光+磁點”復合導引技術，既有激光導引系統穩定性高，AGV 運行速度快的優點，又能適應當夾抱式 AGV 進入煙絲箱垛的存儲區后，無法有效接收反射回的激光定位信號的問題。AGV 在其運行區域內，通過其車載通信裝置與系統控制計算機通信，報告其位置及狀態，并接受調度和工作指令。其工作過程為：當接收到貨物搬運指令后，AGV 小車控制器根據所存儲的運行地圖和 AGV 當前位置及行駛方向進行計算、分析，選擇最佳的行駛路線，自動控制 AGV 的行駛和轉向，到達裝載貨物目標點準確定位后，夾抱式屬具動作，完成取箱過程或反之完成放箱過程。AGV系統接受并執行 WMS呼叫的在上貨站臺和庫內貨位之間的輸送指令；AGV 系統如果同時接到多個輸送指令，系統會依次存儲多個指令，并且按照“先進先出”的原則執行這些指令。AGV 的空閑等待位置（充電區）設在倉庫出庫站臺的附近，因為這里是物流量主要來源。為了保證運行安全，夾抱式 AGV 設置多重安全保護機制。不僅在 AGV 前進、后退時分別設計激光掃描安全器件，同時也設計了機械接觸式的安全觸邊器件，外加觸手可及的急停開關共 3 重安全機制。為確保AGV 工作可靠，該夾抱式 AGV 還設計有檢測在位或占位的功能。

三、TRIZ 理論在項目的應用

在應用 TRIZ 理論指導夾抱式 AGV開發時，首先從系統和子系統的角度認識夾抱式 AGV 的功能。應用 TRIZ 理論描述夾抱式 AGV 的功能組成時使用標準的設計語言，夾抱式 AGV 的每一個功能組成單元的表達包含兩類術語，即功能與流。

前者用“動詞+名詞”的固定結構詞組來描述，后者用帶箭頭的實線或虛線描述能量、物料或信號的輸入或輸出。根據 TRIZ 理論分析夾抱式 AGV 的功能結構如圖 6。從該功能結構圖認識夾抱式 AGV 應具備的功能，不僅使夾抱式 AGV的開發方向變得明確、清晰，機械和電氣設計人員的工作目標溝通與配合也更加容易，也使得夾抱式 AGV 功能的細化設計方向變得清晰。比如對夾抱煙絲箱的叉車屬具功能加以細化，從圖上分析得出屬具不僅要具備夾緊或松開煙絲箱的功能，同時屬具還要有移動煙絲箱的功能。在屬具移動煙絲箱的過程中要測量移動的距離以保證煙絲箱疊垛時能夠位置恰當；在屬具夾緊煙絲箱時測量夾持力，要能夠保證屬具既能提供所需的屬具夾爪與煙絲箱間產生足夠大靜摩擦力時的正壓力，又不至于發生夾持力過大而對煙絲箱造成損傷。

安全設計是 AGV 設計工作的一個重要方面。由于夾抱式 AGV 后退進入煙絲箱存儲區時，左右兩邊和后退方向上往往有落地存放的 4 箱疊放的煙絲箱垛，如果夾抱式 AGV 或被搬運的煙絲箱與這些煙絲箱發生碰撞，就會發生嚴重的安全生產質量事故。這使得夾抱式AGV 的安全設計比普通 AGV 的安全設計要求更高。通常 AGV 在后退駛向貨位時，會在 AGV 上加裝一個激光障礙物掃描器件，或者采用接觸式機構設計提供安全檢測機制。但由于夾抱式 AGV 搬運著疊放的雙煙絲箱時，煙絲箱比車身還高出許多，解決這個高出的部分在夾抱式 AGV 后退過程中的安全無碰撞問題就成為一個實際的工程難題。應用 TRIZ理論的技術矛盾模型求解方法可以幫助解決此問題。前文提及該模型是通過矛盾矩陣和 40 個發明原理來幫助解決具體問題。矛盾矩陣的行是實際問題可能涉及到被改善的39 個工程參數，矛盾矩陣的列是實際問題可能涉及到的被惡化的39 個工程參數。而行列在矩陣中對應的位置上的幾個數字，代表 40 個發明原理中的某幾個發明原理的序號。夾抱車后退駛向貨位安全問題，可以抽象為改善了第 30、35號工程參數，它們分別代表“影響物體的有害因素”、“適應性及多用性”，也可以抽象為惡化了第 25、36 號工程參數，它們分別代表了“時間損失”、“裝置的負雜性”。查找 TRIZ理論提供的矛盾矩陣表可以得知，第35、18、34、22、19、29、40、28、15、37 號發明原理是該技術矛盾模型的通用解法。進一步查表了解各發明原理的含義，發現第 18 號發明原理為“振動”，使物體處于振動狀態的發明原理對于解決夾抱車后退駛向貨位安全問題有極強的啟發作用。最終，將傳感器設計在屬具夾爪的末端，使夾抱式 AGV 在駛入貨位巷道前往復運動一個區間，以確認后退方向在高位空間上沒有障礙物存在，為夾抱式 AGV 安全駛入巷道提供了可靠的安全機制。

四、結論與展望

本項目在解決夾抱式 AGV 產品開發過程中遇到的各種工程問題時，TRIZ理論提供了極大的幫助。比如對屬具夾爪夾緊力的設計問題便是一個典型的物理矛盾模型，既希望力量大能夠夾緊煙絲箱以實現夾抱可靠，又希望夾緊力小以減少對煙絲箱抵抗變形能力的要求。應用 TRIZ 理論提供的空間分離原理下對應的通用解中的第 17 號發明原理“維數變化”即是解決問題的完美思路。近年來 TRIZ 理論已經發展成為我國創新工作的重要組成部分。有研究文獻指出，從 2008 年到2018 年這 10 年間，發表 TRIZ 理論相關的論文約 3700 多篇，且發文量呈遞增的趨勢。TRIZ 理論的應用也從解決工程技術問題拓展到了解決企業管理問題。比如通過集成 TRIZ和精益管理模式來有效提高精益管理的水平，并在煙草公司物流動作改善的實際案例中得到驗證。部分高校也已經開始在校內設立 TRIZ 理論相關課程。在學術界和企業內部，我國 TRIZ 理論的研究和應用水平正在逐年提高。但同時也不得不承認，盡管 TRIZ 理論已經發展了幾十年，國內的技術人員總體上對于該理論還是比較陌生的。在我國推進“中國制造 2025”的偉大歷史進程中，不僅要發揮創新精神，也要對創新方法進行升級和創新，本項目夾抱式 AGV 的開發，為應用 TRIZ 理論創新解決工程問題提供了又一實際參考案例。