基于TRIZ理論的掃地機(jī)器人打掃中止問題求解

王晶晶， 張換高

（1.江蘇財(cái)會(huì)職業(yè)學(xué)院，江蘇 連云港222061；2.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津300401）

0 引 言

現(xiàn)代社會(huì)，具備人工智能、操控靈活且簡單便捷的智能化家居受到越來越多的人青睞[1]。掃地機(jī)器人作為智能家居的一種，具有較好的發(fā)展前景[2]。配備人工智能的掃地機(jī)器人在工作過程中可以減少人為操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃地、拖地。掃地機(jī)器人的主要工作模塊包含刷掃和真空吸塵兩種，工作原理為先通過刷掃將地面雜物清掃，隨后采用真空吸塵方式將雜物吸納進(jìn)入自身的垃圾收納盒（通稱集塵盒）內(nèi)，再配合組件拖布，從而完成地面清理的功能。

機(jī)器人的行走路徑計(jì)算一直是研究的熱點(diǎn)[3-5]。較多學(xué)者將研究重點(diǎn)放在掃地機(jī)器人的路徑、定位等方面，因?yàn)閽叩貦C(jī)器人的行走路徑不僅涉及到清掃的覆蓋面[6]，也關(guān)乎自動(dòng)回充[7]、回避障礙物等功能實(shí)現(xiàn)[8]。許多學(xué)者通過各種計(jì)算公式，研究設(shè)計(jì)各種傳感器、機(jī)械結(jié)構(gòu)等[9]規(guī)劃掃地機(jī)器人的行走路線，實(shí)現(xiàn)邊角縫隙打掃、自助回充等功能。李夢(mèng)、徐佳璇等[10]結(jié)合DHT11和LCD1602液晶顯示器、ADC0804電壓采集芯片及制冷芯片TEC1-12706來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的溫濕度感應(yīng)，從而設(shè)計(jì)了智能除濕掃地機(jī)器人。對(duì)于掃地機(jī)器人的故障研究，主要的重點(diǎn)放在了充電故障的原因分析，其中包括了因路徑規(guī)劃原因無法到達(dá)充電底座的情況[11-12]。

某公司某型號(hào)的掃地機(jī)器人在工作過程中，雖然能滿足客戶的各種打掃需求，如隨機(jī)式自動(dòng)打掃、邊角打掃、弓形打掃等，但是在打掃過程中，經(jīng)常出現(xiàn)車體停止，并伴隨微塵感知燈高頻率閃爍、發(fā)出異常提示音等現(xiàn)象，需要用戶仔細(xì)清潔V形長滾刷、微塵感知器、吸氣通路、集塵盒等硬件，才能使掃地機(jī)器人恢復(fù)正常。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，在使用時(shí)，造成這些異常的直接原因主要有：1）日常生活室內(nèi)地面垃圾不僅有灰塵，也包括了長發(fā)和較大的紙屑紙團(tuán)。長發(fā)經(jīng)常纏住長滾刷，導(dǎo)致其卡住無法正常滾動(dòng)；紙團(tuán)紙屑堵住吸氣通路，無法正常進(jìn)入集塵盒內(nèi)。2）打掃時(shí)，刷子的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生靜電，使得灰塵吸附在微塵感知器，導(dǎo)致微塵感知器誤觸發(fā)。3）柜子、沙發(fā)、床具之間距離地面的縫隙高度、寬度有限，機(jī)器人無法進(jìn)入打掃甚至被縫隙卡住。4）集塵盒內(nèi)還有足夠的容量，但灰塵懸浮的特殊性導(dǎo)致集塵盒已裝滿。基于以上原因，本文通過TRIZ理論方法[13]提出解決方案，提高掃地機(jī)器人在無人狀態(tài)下的工作效率。

1 系統(tǒng)的組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)的組成

某公司某型號(hào)掃地機(jī)器人由本體、感應(yīng)器部、操作部和附屬組件4個(gè)部分組成。其中，本體為打掃的主體，由車體、小邊刷、V形長滾刷、車輪、集塵盒、過濾網(wǎng)、鋰電池等硬件組成。感應(yīng)部分的紅外線感應(yīng)主要感知障礙物，能自動(dòng)避開障礙物；微塵感知器主要用于感知灰塵，便于車體自動(dòng)來回行走反復(fù)打掃，也用于提示集塵盒滿載時(shí)及時(shí)清理；信號(hào)接收窗主要起接收充電座、遙控器發(fā)射的信號(hào)作用；防跌落感應(yīng)器則位于車體底部，主要防止高度差過大時(shí)造成的車體跌落。操作部分由開關(guān)、開始/停止鍵、微塵感知燈、狀態(tài)指示燈和預(yù)約燈組成。主要附件有拖布組件和遙控器。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

該款掃地機(jī)器人在電能的驅(qū)動(dòng)下工作時(shí)，外在表現(xiàn)主要為：內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)車輪、邊刷、V形長滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)，車體來往于房間中，開始打掃衛(wèi)生，紅外線感應(yīng)和防跌落感應(yīng)作用于整個(gè)工作過程中，防止與障礙物碰撞或跌落。同時(shí)內(nèi)部的吸塵模塊開始運(yùn)作，利用真空吸塵的方式，垃圾通過邊刷清掃后，經(jīng)過V形刷，被微塵感知器感應(yīng)（同時(shí)微塵感應(yīng)燈閃亮，閃爍頻率與微塵量成正比），然后被吸入集塵盒內(nèi)，最后拖布組件進(jìn)行最后的清掃。根據(jù)不同的打掃需求，打掃模式分為自動(dòng)打掃模式、周密打掃模式、邊角打掃模式、螺旋打掃模式以及弓形打掃模式。

2 基于TRIZ的功能模型、沖突區(qū)域確定和可用資源分析

2.1 基于TRIZ的功能模型

根據(jù)掃地機(jī)器人的系統(tǒng)組成和工作原理，由于感知部分的紅外線感應(yīng)及防跌落感應(yīng)不會(huì)造成掃地機(jī)器人工作中止，因此將車體、邊刷、V形長刷、集塵盒、濾網(wǎng)、車輪、驅(qū)動(dòng)模塊、微塵感知器、吸塵模塊劃分為系統(tǒng)元件；地面的灰塵、毛發(fā)、紙屑等垃圾則為系統(tǒng)的制品；超系統(tǒng)元件則包括地面、墻角、柜腳等。由此畫出某公司某型號(hào)掃地機(jī)器人的功能模型圖如圖1所示。

圖1 某公司某型號(hào)掃地機(jī)器人的功能模型圖

2.2 問題沖突區(qū)域確定

通過分析圖1得出導(dǎo)致打掃中止的沖突區(qū)域主要有：1）集塵盒對(duì)垃圾收納不足作用；2）毛發(fā)對(duì)邊刷、V形長刷的纏繞作用；3）柜腳對(duì)車體阻擋的有害作用；4）較大垃圾對(duì)吸氣通路阻塞的有害作用；5）微塵靜電吸附在微塵感知器上，造成感知器對(duì)微塵感知的不足作用。由此分析出導(dǎo)致掃地機(jī)器人打掃中止問題的根原因?yàn)椋篤形長刷直徑小、車身較厚較寬、集塵盒體積小、靜電吸附（如圖2所示）。

圖2 打掃中止的根原因分析

2.3 可用資源分析

可用資源首先考慮系統(tǒng)內(nèi)部資源，再考慮系統(tǒng)的外部資源[13]。根據(jù)掃地機(jī)器人系統(tǒng)元件組成、根原因的分析結(jié)果，建立資源列表如表1所示。

表1 可用資源分析表

3 基于TRIZ理論的問題求解

3.1 以“集塵盒容積較小”為入手點(diǎn)解決問題

1）沖突解決理論。為了增加集塵盒灰塵容納量，需要擴(kuò)大集塵盒的體積，但是會(huì)導(dǎo)致車體體積增大，車體行走受外界影響大。將此沖突描述轉(zhuǎn)變?yōu)門RIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突為：a.改善的參數(shù)：NO.7 運(yùn)動(dòng)物體的體積；b.惡化的參數(shù)：NO.30物體外部有害因素作用的敏感性。

查找沖突矩陣，得到NO.22、NO.21、NO.27、NO.35。依據(jù)NO.35參數(shù)變化中的第二條——改變物體的濃度和黏度，得到方案一：當(dāng)灰塵進(jìn)入集塵盒后，可以噴灑水霧，改變灰塵的黏度，使灰塵凝聚在一起，以此擴(kuò)大集塵盒容量；依據(jù)NO.27低成本、不耐用的物體替代昂貴、耐用的物體，得到方案二：把集塵盒變?yōu)橐淮涡运芰夏?，該膜可通過空氣，但無法通過灰塵等較大顆粒塵埃，一旦薄膜容納的灰塵足夠，新的薄膜形成，擠壓舊的薄膜灰塵袋，幫助其自動(dòng)從集塵盒內(nèi)脫落。

2）物質(zhì)-場分析及76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解。建立問題的物質(zhì)-場模型（如圖3），根據(jù)所建問題的物質(zhì)-場模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解流程得到的一般解法6——“插進(jìn)一個(gè)物質(zhì)S3，并加上另一個(gè)場F2來提高有用效應(yīng)”[13]。由此得到方案三：在感應(yīng)器感應(yīng)到集塵盒內(nèi)灰塵已滿時(shí)，感應(yīng)器自動(dòng)伸入集塵盒內(nèi)擠壓灰塵，同時(shí)可以擠壓阻塞吸氣通路的較大垃圾。擠壓完成后退出集塵盒，以增大集塵盒容量（如圖4）。

3）進(jìn)化路線分析。目前，集塵盒經(jīng)歷了藤條糞箕、塑料糞箕、提手式糞箕、集塵盒4個(gè)階段，通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化過程進(jìn)行分析，選擇技術(shù)進(jìn)化定律“7向復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)化”。依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化發(fā)展過程，選擇技術(shù)進(jìn)化路線為7-2增加部件的多樣性進(jìn)化路線，按照選定的技術(shù)進(jìn)化路線，判斷現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)在進(jìn)化路線上的位置進(jìn)而確定潛力狀態(tài)，如圖5所示。

圖3 集塵盒和灰塵的物質(zhì)-場模型1

圖4 改善后的集塵盒和灰塵物質(zhì)-場模型

圖5 集塵盒進(jìn)化路線圖

按照潛力進(jìn)化狀態(tài)，得到解決方案四：將集塵口前后開兩個(gè)吸入口，每個(gè)吸入口距地面垂直距離不同、開口大小不同：較高、較大開口于前端，吸納較大垃圾；較低、較小開口于后端，吸納灰塵等顆粒。

3.2 以“V形刷直徑過小”為入手點(diǎn)解決問題

1）沖突解決理論。為了不纏繞頭發(fā)，需要V形刷直徑參數(shù)大，但又為了減小車體體積，需要V形刷直徑參數(shù)小，即某個(gè)參數(shù)既要大又要小。參數(shù)為正，可以避免毛發(fā)纏繞；參數(shù)為負(fù)，可以減小車體體積?？紤]到該參數(shù)“V形刷直徑”在不同的空間上具有不同的特性，因此該沖突可以從空間進(jìn)行分離。選用4條分離原理中的空間分離原理[13]，得到解決方案五：將V形長刷的前端直徑變大，后端直徑不變，避免纏繞毛發(fā)。

2）76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解。建立問題的物質(zhì)-場模型（如圖6）。根據(jù)所建問題的物質(zhì)-場模型，有害效應(yīng)的完整模型元素齊全，按照物質(zhì)-場模型標(biāo)準(zhǔn)解流程，運(yùn)用一般解法2：“加入第3種物質(zhì)S3，S3用來阻止有害作用。S3可以通過S1或S2改變而來，或者S1/S2共同改變而來”[13]。得到方案六：在V形長滾刷上鑲嵌鋸齒狀刀片（可根據(jù)需要自主拆卸），及時(shí)切割毛發(fā)或較大垃圾等物品，防止纏繞卡殼，如圖7所示。

3）裁剪。針對(duì)功能模型中的有害作用、不足作用及過剩作用等小問題（如圖8），應(yīng)用4條裁剪規(guī)則直接裁剪中的第三條：主動(dòng)元件的作用由其他元件或超系統(tǒng)代替。得到解決方案七：將V形長滾刷用帶有吸附作用的抹布替代，抹布可制造成魔術(shù)貼式，可通過靜電作用吸附毛發(fā)、灰塵、紙屑等，如圖9所示。

圖6 V形長刷和頭發(fā)的物質(zhì)-場模型

圖7 改善后的V形長刷和頭發(fā)物質(zhì)-場模型

3.3 以“車體較厚較寬”為入手點(diǎn)解決問題

圖8 裁剪前功能模型

圖9 裁剪后功能模型

1）沖突解決理論。為了增大集塵盒的容量，需要車體體積為正，但又為了能清掃柜腳縫隙，需要車體體積為負(fù)，即某個(gè)參數(shù)既要大又要小?？紤]到該參數(shù)體積在不同的時(shí)間點(diǎn)具有不同的特性，因此該沖突可以從時(shí)間上進(jìn)行分離。查找與該分離原理[13]對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理有“No.9, No.10, No.11, No.15, No.16, No.18, No.19, No.20, No.21, No.29, No.34, No.37”。選定No.29氣動(dòng)與液壓結(jié)構(gòu)“物體的固體零件部分可用氣動(dòng)或液壓零部件代替，將氣體或液體用于膨脹或減震”[13]。得到解決方案八：將掃地機(jī)器人車體外殼用充氣式的橡膠代替，在車體受到柜腳等阻礙時(shí)，能夠自動(dòng)改變車體的體積，便于車體進(jìn)入狹窄縫隙。

2）進(jìn)化路線分析。通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化過程進(jìn)行分析，選擇技術(shù)進(jìn)化定律“提高動(dòng)態(tài)性定律”，目前，掃地機(jī)器人經(jīng)歷了碰撞式掃地機(jī)器人、規(guī)劃路線掃地機(jī)器人兩個(gè)階段。依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化發(fā)展過程，選擇技術(shù)進(jìn)化路線“4-4 增強(qiáng)系統(tǒng)可移動(dòng)性進(jìn)化路線”并判斷現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)在進(jìn)化路線上的位置，進(jìn)而確定潛力狀態(tài)（如圖10）。由此得到方案九：掃地機(jī)器人在柜腳間等狹窄區(qū)域卡住時(shí)能及時(shí)感應(yīng)，在被卡死前退出被困區(qū)域并分離自身一部分（高度可移動(dòng)系統(tǒng)），待分離體打掃結(jié)束回到本體，繼續(xù)打掃房間其他區(qū)域。

3.4 以“靜電吸附”為入手點(diǎn)解決問題

1）物質(zhì)-場分析及76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解。問題的物質(zhì)-場模型如圖11所示。有害效應(yīng)的完整模型元素齊全，根據(jù)所建的物質(zhì)-場模型，得到的標(biāo)準(zhǔn)解一般解法3和一般解法6。

圖10 機(jī)器人車體進(jìn)化路線

一般解法3：“增加另外一個(gè)場F2來抵消原來有害場F的效應(yīng)”[13]。據(jù)此得到方案十：在集塵盒與灰塵感應(yīng)器之間增加一個(gè)電場，防止灰塵因靜電作用吸附在灰塵感應(yīng)器上，盡量使其吸附在集塵盒內(nèi)，如圖12所示。

一般解法6：“插進(jìn)一個(gè)物質(zhì)S3，并加上另一個(gè)場F2來提高有用效應(yīng)”[13]。據(jù)此得到方案十一：在集塵盒與灰塵感應(yīng)器之間增加一個(gè)毛刷，毛刷能清理灰塵感應(yīng)器表面，防止灰塵因靜電作用吸附在灰塵感應(yīng)器上，如圖13所示。

圖11 物質(zhì)-場模型圖

圖12 改善后的物質(zhì)-場模型一

圖13 改善后的物質(zhì)-場模二

4 結(jié) 語

針對(duì)掃地機(jī)器人中止的問題進(jìn)行根原因分析，運(yùn)用TRIZ理論中的40條發(fā)明原理、物質(zhì)-場模型76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解、裁剪和進(jìn)化路徑4種問題求解方法，得到共計(jì)11種解決方案。通過對(duì)11種解決方案的評(píng)價(jià)、分析，最終為解決掃地機(jī)器人工作中止問題，提出以下解決方案：將掃地機(jī)器人的主要清掃工具分離主體，每個(gè)個(gè)體能鉆進(jìn)狹縫，單獨(dú)進(jìn)行邊角、柜底的打掃；在微塵感應(yīng)器前安裝小毛刷，及時(shí)清除因靜電粘附的灰塵；可在掃地機(jī)器人前端安裝靜電吸附材質(zhì)抹布，吸附長毛發(fā)、紙屑等垃圾；集塵盒用一次性物品替代，免去洗刷集塵盒的煩惱。