陳瀟磊

（燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人在許多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，許多高校的相關(guān)專業(yè)都開(kāi)設(shè)了機(jī)器人學(xué)方面的有關(guān)課程。在課堂上，機(jī)器人可用于教學(xué)示范和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可用于輔助教學(xué)，傳遞和展示教具等物品，增加學(xué)生近距離接觸教具的機(jī)會(huì)，有效提高教學(xué)資源的利用率，可提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)的興趣，加深對(duì)教學(xué)內(nèi)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(tái)階，給教師向每位學(xué)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(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，履帶采用橡膠或聚氨酯材料，既不破壞地面，又可實(shí)現(xiàn)水平地面平穩(wěn)快速行走，還可進(jìn)行原地轉(zhuǎn)彎，攀爬階梯教室的（標(biāo)準(zhǔn)）臺(tái)階。

課堂機(jī)器人體積和重量應(yīng)有一定的限制，不宜過(guò)大，即機(jī)器人總長(zhǎng)度不宜超過(guò)單級(jí)臺(tái)階長(zhǎng)度。機(jī)器人過(guò)高將導(dǎo)致機(jī)身重心升高，又會(huì)影響其行走和攀爬階梯時(shí)的穩(wěn)定性，由此導(dǎo)致該機(jī)器人履帶式行走機(jī)構(gòu)攀爬階梯的沖角不足，攀爬能力低，無(wú)法爬越臺(tái)階，如圖1所示。

圖1 履帶式行走機(jī)構(gòu)沖角示意圖

TRIZ理論是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller）在研究了世界各國(guó)250萬(wàn)份高水平專利的基礎(chǔ)上創(chuàng)立的發(fā)明問(wèn)題的解決理論。它成功地揭示了創(chuàng)造和發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的內(nèi)在的矛盾沖突，是基于技術(shù)的發(fā)展演變規(guī)律來(lái)研究整個(gè)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程［1］，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。因此我們提出運(yùn)用TRIZ理論對(duì)該機(jī)器人履帶式行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性研究設(shè)計(jì)，解決機(jī)器人體積和重量在限定的范圍內(nèi)，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(yùn)用技術(shù)矛盾與物理矛盾及其轉(zhuǎn)化解決沖角不足問(wèn)題

1.1 技術(shù)矛盾

課堂機(jī)器人長(zhǎng)度和高度尺寸（即體積）不宜過(guò)大，應(yīng)有一定的限制，過(guò)高則會(huì)影響其穩(wěn)定性，由此導(dǎo)致課堂機(jī)器人履帶式行走機(jī)構(gòu)攀爬臺(tái)階的沖角不足，攀爬能力低，往往無(wú)法爬越教室臺(tái)階，攀爬階梯適應(yīng)差。

依據(jù)據(jù)TRIZ理論，機(jī)器人長(zhǎng)度和高度尺寸可轉(zhuǎn)化為39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)中的“4.靜止物體的長(zhǎng)度”，為改善的技術(shù)特性參數(shù)；攀爬階梯能力可轉(zhuǎn)化為“35.適應(yīng)性”，為惡化的技術(shù)特性參數(shù)。系統(tǒng)中的問(wèn)題是由以上兩個(gè)參數(shù)導(dǎo)致的，屬于技術(shù)矛盾（沖突）。

根據(jù)阿奇舒勒矛盾矩陣找到相應(yīng)的發(fā)明原理：“1.分離法”和“35.性能轉(zhuǎn)換法”，結(jié)合該問(wèn)題研究分析每個(gè)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(dú)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(méi)有找到滿意的解決辦法。

1.2 技術(shù)矛盾與物理矛盾的轉(zhuǎn)化

技術(shù)矛盾是更顯而易見(jiàn)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(shù)矛盾和物理矛盾是有相互聯(lián)系的，嘗試將以上技術(shù)矛盾轉(zhuǎn)化為物理矛盾，有助于發(fā)現(xiàn)更理想的解決方法。將課堂機(jī)器人履帶式行走機(jī)構(gòu)攀爬階梯的沖角增大，可提高機(jī)器人攀爬能力，實(shí)現(xiàn)直接爬越教室臺(tái)階；但增大沖角會(huì)造成機(jī)器人長(zhǎng)度和高度尺寸增大，增加其體積和重量，影響其行走穩(wěn)定性。

依據(jù)TRIZ理論，系統(tǒng)中的問(wèn)題是由機(jī)器人履帶式行走機(jī)構(gòu)攀爬階梯的沖角大與小一個(gè)參數(shù)導(dǎo)致的，可理解為物理矛盾幾何類參數(shù)“長(zhǎng)與短”，為物理矛盾。由于機(jī)器人履帶式行走機(jī)構(gòu)攀爬階梯時(shí)間段與水平面行走時(shí)間段可以分開(kāi)，因此可將矛盾雙方在不同的時(shí)間段分離開(kāi)來(lái)。即當(dāng)系統(tǒng)或關(guān)鍵子系統(tǒng)矛盾雙方在某一時(shí)段中只出現(xiàn)一方時(shí)，則使用時(shí)間分離原理是可能的，因此該物理矛盾可采用時(shí)間分離的方法解決。

通過(guò)分析，與解決時(shí)間分離有關(guān)的物理矛盾對(duì)應(yīng)的12個(gè)發(fā)明原理中的“15.動(dòng)態(tài)化”和“16.部分超越?！笨梢岳?。動(dòng)態(tài)化的含義是：物體或其環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)，以使其在每個(gè)動(dòng)作階段的性能達(dá)到最佳，把物體分成彼此相對(duì)移動(dòng)的幾個(gè)部分，將不動(dòng)的物體改變?yōu)榭蓜?dòng)的，或具有自適應(yīng)性。部分超越的含義是：如果期望難以100%地實(shí)現(xiàn)時(shí)，則應(yīng)部分達(dá)到或超越理想效果，大大簡(jiǎn)化問(wèn)題。

經(jīng)這兩個(gè)發(fā)明原理的提示，將課堂機(jī)器人履帶式行走機(jī)構(gòu)前部分設(shè)計(jì)成具有可向下支出和向上收回的帶滾輪的支桿，當(dāng)機(jī)器人履帶行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到階梯前，準(zhǔn)備攀爬臺(tái)階時(shí)，將支桿向前下方支出，并與地面作用，使履帶式行走機(jī)構(gòu)前部分抬起，當(dāng)行走機(jī)構(gòu)前部分轉(zhuǎn)輪及履帶略微超越臺(tái)階上邊沿后，行走機(jī)構(gòu)再前行適當(dāng)距離，可使其前部分轉(zhuǎn)輪及履帶輪搭在臺(tái)階上邊，再將支桿向上收回，可解決履帶式行走機(jī)構(gòu)攀爬階梯時(shí)沖角不足、攀爬能力低的問(wèn)題，如圖2所示 。

2 運(yùn)用ARIZ算法解決機(jī)器人攀爬階梯機(jī)身后傾的問(wèn)題

ARIZ是基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則的一套完整的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法，主要針對(duì)問(wèn)題情境復(fù)雜、矛盾及其相關(guān)部件不明確的技術(shù)系統(tǒng)。它是一個(gè)對(duì)初始問(wèn)題進(jìn)行一系列變形及再定義非計(jì)算性的邏輯過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題的逐步深入分析和轉(zhuǎn)化，最終解決問(wèn)題［3］。

該機(jī)器人重心原則上應(yīng)設(shè)計(jì)位于機(jī)器人長(zhǎng)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(guò)程中穩(wěn)定性好。其體積和重量應(yīng)有一定的尺寸限制，總長(zhǎng)度不宜超過(guò)單級(jí)臺(tái)階的長(zhǎng)度。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)：如果機(jī)器人重心位于長(zhǎng)度方向中間位置會(huì)造成機(jī)器人攀爬階梯過(guò)程中，當(dāng)履帶式行走機(jī)構(gòu)前部分轉(zhuǎn)輪及履帶輪搭在臺(tái)階上邊后繼續(xù)前行，經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)器人機(jī)體頭部向上后方向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，使機(jī)體趨近直立，嚴(yán)重阻礙機(jī)體繼續(xù)前行，甚至?xí)斐蓹C(jī)器人機(jī)體后傾翻的后果。如圖3所示。

以下嘗試按照ARIZ-85的步驟來(lái)分析解決該機(jī)器人攀爬階梯機(jī)身后傾的問(wèn)題。

2.1 步聚一：分析問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行分析和簡(jiǎn)化

建立一個(gè)可以準(zhǔn)確描述的極其單一化的問(wèn)題模型，本步驟見(jiàn)表1。

圖2 履帶式行走機(jī)構(gòu)攀爬臺(tái)階前期示意圖

圖3 機(jī)器人攀爬階梯后傾示意圖

表1 步驟一分析問(wèn)題

2.2 步驟二：分析問(wèn)題模型

主要目的是創(chuàng)建用來(lái)解決問(wèn)題的有效資源的清單（空間、時(shí)間、物質(zhì)和場(chǎng)）。

1）定義操作區(qū)域，機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)履帶與階梯地面接觸的空間。

2）定義操作時(shí)間。T1（發(fā)生沖突的時(shí)間段）為機(jī)器人攀爬階梯時(shí)的時(shí)間；T2（沖突發(fā)生前的時(shí)間）為攀爬階梯前的時(shí)間。

3）查明資源。物質(zhì)資源：階梯、帶輪、履帶、電動(dòng)機(jī)、空氣?？臻g資源：機(jī)器人履帶與階梯及水平地面接觸的空間。時(shí)間資源：攀爬階梯過(guò)程及之前的時(shí)間。能源資源：電場(chǎng)、機(jī)械場(chǎng)、重力場(chǎng)。功能資源：機(jī)器人履帶水平地面行走及攀爬階梯時(shí)產(chǎn)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(lái)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(qū)和操作時(shí)間內(nèi)，不會(huì)以任何方式使系統(tǒng)變復(fù)雜，也不產(chǎn)生攀爬階梯時(shí)機(jī)器人后傾翻，不增加自重，穩(wěn)定性好。

2）強(qiáng)化IFR-1：再一次分析操作區(qū)內(nèi)及其周圍資源，沒(méi)有找到任何與X要求接近的資源。

3）宏觀物理矛盾：操作區(qū)的操作時(shí)間內(nèi)，為了機(jī)器人有效攀爬階梯不后傾翻，應(yīng)使機(jī)體重心前置（配重）；為防止機(jī)器人前重后輕，行走不穩(wěn)定，重心應(yīng)置于中間位置。

4）微觀物理矛盾：操作區(qū)的操作時(shí)間內(nèi)，為了機(jī)器人有效攀爬階梯不后傾翻，應(yīng)使機(jī)體重心微粒前置；為防止機(jī)器人前重后輕，行走不穩(wěn)定，重心微粒應(yīng)置于中間位置。

5）表述IFR-2：操作區(qū)的操作時(shí)間內(nèi)，機(jī)器人應(yīng)自我實(shí)現(xiàn)在不需配重、行走平穩(wěn)定條件下，有效攀爬階梯。

6）使用物-場(chǎng)分析（和標(biāo)準(zhǔn)解法）。S1為重心，S2為機(jī)器人機(jī)身，F(xiàn)為機(jī)械場(chǎng)。S1和S2之間存在又不存在沖突，無(wú)法建立物-場(chǎng)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(jī)器人重心和機(jī)身：重心—— ；機(jī)身（履帶與地面接觸部分）—— 。機(jī)器人爬階梯前，如圖4（a）所示。機(jī)器人前端小人搭在階梯上邊，如圖4（b）所示。機(jī)器人爬階梯過(guò)程中機(jī)體頭部小人向上后方向運(yùn)動(dòng)，使機(jī)體趨近直立趨勢(shì)，易造成機(jī)器人機(jī)體后傾翻，如圖4（c）所示。若機(jī)器人前端小人在階梯上后，后端小人以前端小人為旋轉(zhuǎn)中心依次相應(yīng)逐漸上升抬起，可實(shí)現(xiàn)有效攀爬階梯，且不會(huì)造成攀爬階梯過(guò)程中機(jī)體頭部小人向上后方向運(yùn)動(dòng)，使機(jī)體趨近直立趨勢(shì)，避免了造成機(jī)器人機(jī)體后傾翻后果，如圖4（d）所示。得到解決提示問(wèn)題是：實(shí)現(xiàn)后端以前端為旋轉(zhuǎn)中心依次相應(yīng)逐漸上升抬起。

2）從IFR返回，理想解是：課堂機(jī)器人重心置于中間位置時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)有效攀爬階梯，不會(huì)后傾翻。

3）使用混合物質(zhì)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(qū)：找不到到真空區(qū)，但是有現(xiàn)成空間資源：課堂機(jī)器人與階梯及水平地面接觸的空間。

5）使用派生資源：沒(méi)有找到合適的派生資源。

6）使用電場(chǎng)：使用電場(chǎng)和其相互作用不太可能。

7）使用場(chǎng)和場(chǎng)敏物質(zhì)：考慮使用場(chǎng)和場(chǎng)敏物質(zhì)，或?qū)?chǎng)敏感的物質(zhì)添加劑來(lái)解決問(wèn)題。典型的是磁場(chǎng)和鐵磁材料、紫外線和發(fā)光體、熱與形狀記憶合金等。沒(méi)有找到合適提示。

問(wèn)題得到解決：即在該機(jī)器人履帶式行走機(jī)構(gòu)后端設(shè)計(jì)一對(duì)電動(dòng)推桿，推桿下部安裝有小輪子，當(dāng)電動(dòng)推桿向下伸長(zhǎng)時(shí)，使機(jī)器人以前端為旋轉(zhuǎn)中心后端逐漸上升抬起至接近臺(tái)階高度，通過(guò)履帶行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)整體有效攀爬階梯，在保證機(jī)器人重心位于長(zhǎng)度方向中間位置狀態(tài)下，避免了機(jī)體后傾翻現(xiàn)象，如圖5所示。

圖4 課堂機(jī)器人攀爬階梯后傾問(wèn)題小人模型圖

2.5 直接進(jìn)入ARIZ的步驟七，繼續(xù)求解

分析解決物理矛盾的方法，主要目標(biāo)是檢查解決方案的質(zhì)量。1）檢查解決方案：解決技術(shù)問(wèn)題時(shí)，沒(méi)有產(chǎn)生了附加問(wèn)題。2）解決方案的初步評(píng)估：得到的方案能保證完成理想化的最終結(jié)果IFR-l的主要需求。攀爬階梯時(shí)不產(chǎn)生機(jī)器人后傾翻，不增加自重，穩(wěn)定性好。方案消除了宏觀物理矛盾，在問(wèn)題實(shí)際條件中能解決提出的機(jī)器人攀爬階梯的后傾問(wèn)題。3）通過(guò)專利搜索檢查解決方案的新穎性：未見(jiàn)有關(guān)專利涉及。4）預(yù)估應(yīng)用方案時(shí)產(chǎn)生的子問(wèn)題：采用已得到的方案，未發(fā)現(xiàn)會(huì)帶來(lái)附加子問(wèn)題。

圖5 履帶式行走機(jī)構(gòu)攀爬階梯三維建模效果示意圖

圖6 機(jī)器人攀爬階梯試驗(yàn)

3 結(jié)論

課堂機(jī)器人設(shè)計(jì)為人重心居長(zhǎng)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(jī)構(gòu)前部分轉(zhuǎn)輪及履帶搭在臺(tái)階上邊，后端推桿推動(dòng)機(jī)器人以前端為旋轉(zhuǎn)中心依次相應(yīng)逐漸上升抬起機(jī)身至接近臺(tái)階高度。通過(guò)履帶式行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)整體有效攀爬階梯。即避免了機(jī)器人機(jī)體后傾翻現(xiàn)象，可使重心居長(zhǎng)度方向中間位置，無(wú)需使其重心前置而增加配重，行走穩(wěn)定性好。圖6為該機(jī)器人攀爬階梯試驗(yàn)照片。

通過(guò)對(duì)TRIZ理論的學(xué)習(xí)和初步應(yīng)用實(shí)踐體會(huì)到：在創(chuàng)新研究設(shè)計(jì)中，主觀、有意識(shí)地應(yīng)用這一發(fā)明問(wèn)題解決理論方法，可有助于突破思維障礙，快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的本質(zhì)，確定探索方向，少走或不走彎路，加快創(chuàng)新研究和設(shè)計(jì)發(fā)明的進(jìn)程。

［1］ 劉訓(xùn)濤，曹賀，陳國(guó)晶.TRIZ理論及應(yīng)用［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2011：2.

［2］ 成思源，周金平，郭鐘寧.技術(shù)創(chuàng)新方法—TRIZ理論及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2014：126.

［3］ 曹俊強(qiáng).TRIZ理論基礎(chǔ)教程與創(chuàng)新實(shí)例［M］.哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，2013：205.

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