基于 TRIZ 理論的夾抱式 AGV創(chuàng)新設(shè)計(jì)

文/潘 軍 鄒揚(yáng)波 李占江

在現(xiàn)代制造業(yè)的先進(jìn)工廠中，AGV成為一種普遍應(yīng)用的搬運(yùn)工具。尤其在煙草工業(yè)生產(chǎn)過程中，AGV 的使用非常廣泛，車型與搬運(yùn)方式也多種多樣。在卷煙生產(chǎn)工藝中，箱式儲(chǔ)絲工藝以其獨(dú)特的優(yōu)勢已經(jīng)成為一種技術(shù)發(fā)展的方向和趨勢。應(yīng)用箱式儲(chǔ)絲工藝需要解決煙絲箱的搬運(yùn)和存儲(chǔ)問題。如果采用非托盤式底部結(jié)構(gòu)的煙絲箱，不用投資貨架而是直接進(jìn)行煙絲箱間疊放堆垛的方式進(jìn)行煙絲箱的存儲(chǔ)，就要用到夾抱式AGV。夾抱式 AGV ，由于工作場景特殊，對(duì) AGV 的運(yùn)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(shù)含量高，開發(fā)難度大，市場一直為國外 AGV 廠商把持。為了開發(fā)出國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的夾抱式AGV 產(chǎn)品，不但需要開發(fā)人員有豐富的AGV 系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)能力、機(jī)械設(shè)計(jì)能力和電控設(shè)計(jì)能力，更需要在研發(fā)管理和創(chuàng)新手段、方法上有一定的章法可循，它穩(wěn)定高效地保證了產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目的成功。本項(xiàng)目就是基于這一理念，在國內(nèi)首次將 TRIZ 理論方法應(yīng)用到新型高端AGV 產(chǎn)品的開發(fā)中，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新方法的升級(jí)和質(zhì)變。

圖1 夾抱式 AGV 外形

一、TRIZ 理論與創(chuàng)新方法

TRIZ 理論由前蘇聯(lián)發(fā)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(zhuǎn)化成拉丁文后的字母縮寫，在國內(nèi)也有人譯為“萃智”理論。Altshuller 在前蘇聯(lián)的海軍專利局工作，他的團(tuán)隊(duì)從250 萬個(gè)專利樣本空間中，篩選出 50 萬個(gè)發(fā)明質(zhì)量高的專利，然后再對(duì)這 50 萬個(gè)專利按創(chuàng)新性高低進(jìn)行分級(jí)研究，最后從中抽象概括出一種發(fā)明問題解決的理論。該理論的基本理念是解決發(fā)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(yīng)用工具，掌握該工具的人可以提高發(fā)明效率，縮短開發(fā)周期。相對(duì)于傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法如頭腦風(fēng)暴法、試錯(cuò)法、形態(tài)分析法、和田十二法等，TRIZ 創(chuàng)新方法有諸多優(yōu)勢。首先，TRIZ 創(chuàng)新方法是一種主動(dòng)式的、方向明確的創(chuàng)新方法。TRIZ 理論有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄕ摬襟E可遵循，給創(chuàng)新提供明確的思路和方向。其次，TRIZ 理論能夠提供跨領(lǐng)域、跨專業(yè)的解決問題的思路和建議。最后，TRIZ 理論能夠預(yù)測技術(shù)的發(fā)展，跟蹤產(chǎn)品的進(jìn)化過程，為企業(yè)的戰(zhàn)略決策提供測算模型和理論依據(jù)。

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(jìn)行創(chuàng)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(shí)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(duì)描述模型的符號(hào)體系、建模的概念均有明確定義。工程人員將實(shí)際的工程問題用 TRIZ 理論進(jìn)行建模后，就可以使用 TRIZ 理論對(duì)不同性質(zhì)的模型提供的不同通用解法。按模型的性質(zhì)劃分，模型主要有技術(shù)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(gè)子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)或超系統(tǒng)。技術(shù)矛盾指的是一個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)子系統(tǒng)之間的矛盾。比如在某系統(tǒng)中，一個(gè)子系統(tǒng)有一個(gè)有益的功能，卻對(duì)另一個(gè)子系統(tǒng)產(chǎn)生了有害的功能，這在工程中經(jīng)常遇到。物理矛盾的定義是一個(gè)產(chǎn)品或性能同時(shí)有兩種相反的狀態(tài)存在，即對(duì)同一參數(shù)特性的需求相矛盾。物-場模型是以物質(zhì)和場的形式表示的工程系統(tǒng)中任意子系統(tǒng)的模型。對(duì)于技術(shù)矛盾模型，TRIZ 理論提供一種由 39 個(gè)參數(shù)組成的 39x39 的“矛盾矩陣”和 40 個(gè)發(fā)明原理的組合工具來提供TRIZ 理論通用解。對(duì)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(shí)間分離、條件分離、整體與局部分離。每種分離下對(duì)應(yīng)的 40 個(gè)發(fā)明原理中的部分發(fā)明原理為該模型的通用解。對(duì)于物-場模型，TRIZ 理論提供分成 5 類的 76 個(gè)標(biāo)注解為該模型的通用解。對(duì)于更復(fù)雜的系統(tǒng)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(lián)想的方法，結(jié)合自身的專業(yè)知識(shí)，就可以找到具體工程問題的針對(duì)解法，得出具體問題的解決方案。經(jīng)典 TRIZ 理論的體系結(jié)構(gòu)如圖3。

圖2 TRIZ 理論解決工程問題的基本流程

圖3 經(jīng)典 TRIZ 理論的體系結(jié)構(gòu)

圖4 AGV 系統(tǒng)的流量要求

圖5 煙絲箱的外形

二、夾抱式 AGV 項(xiàng)目的開發(fā)

本項(xiàng)目開發(fā)的夾抱式 AGV 用于國內(nèi)某省卷煙廠的煙絲庫技改項(xiàng)目。夾抱式AGV 搬運(yùn)的對(duì)象為煙絲箱，AGV 系統(tǒng)的搬運(yùn)流量要求如圖4。煙絲庫煙絲箱的儲(chǔ)存形式為地面碼放、四箱疊放，總儲(chǔ)位數(shù)為 372 箱。存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)

實(shí)箱重量小于400kg。要求夾抱式AGV 能夠搬運(yùn)單箱或搬運(yùn)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(guī)格如圖5。

該項(xiàng)目煙絲庫系統(tǒng)的基本要求包括：系統(tǒng)要適應(yīng)柔性生產(chǎn)、批次管理、按訂單生產(chǎn)、質(zhì)量跟蹤、信息跟蹤不斷線、減少造碎等需求。采用先進(jìn)柜再裝箱的模式，設(shè)置人工裝箱外發(fā)煙絲功能。具備批次先進(jìn)先出功能。箱子倒料后有自動(dòng)檢測余料功能及自動(dòng)清除余料功能。正常儲(chǔ)絲 5 批次煙絲，進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)的煙絲箱需帶蓋。在接受一個(gè)批次生產(chǎn)指令時(shí)，系統(tǒng)對(duì)于不能滿足生產(chǎn)要求的庫存發(fā)出預(yù)警信息。實(shí)現(xiàn)全過程信息采集、批次跟蹤?，F(xiàn)場需配置操作終端，滿足現(xiàn)場使用要求，同時(shí)預(yù)留與上位系統(tǒng)（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(shè)計(jì)車體機(jī)械結(jié)構(gòu)，將原叉車前端的貨叉改為夾抱式的叉車屬具?；?NDC 的平臺(tái)采用“激光+磁點(diǎn)”復(fù)合導(dǎo)引技術(shù)，既有激光導(dǎo)引系統(tǒng)穩(wěn)定性高，AGV 運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn)，又能適應(yīng)當(dāng)夾抱式 AGV 進(jìn)入煙絲箱垛的存儲(chǔ)區(qū)后，無法有效接收反射回的激光定位信號(hào)的問題。AGV 在其運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，通過其車載通信裝置與系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)通信，報(bào)告其位置及狀態(tài)，并接受調(diào)度和工作指令。其工作過程為：當(dāng)接收到貨物搬運(yùn)指令后，AGV 小車控制器根據(jù)所存儲(chǔ)的運(yùn)行地圖和 AGV 當(dāng)前位置及行駛方向進(jìn)行計(jì)算、分析，選擇最佳的行駛路線，自動(dòng)控制 AGV 的行駛和轉(zhuǎn)向，到達(dá)裝載貨物目標(biāo)點(diǎn)準(zhǔn)確定位后，夾抱式屬具動(dòng)作，完成取箱過程或反之完成放箱過程。AGV系統(tǒng)接受并執(zhí)行 WMS呼叫的在上貨站臺(tái)和庫內(nèi)貨位之間的輸送指令；AGV 系統(tǒng)如果同時(shí)接到多個(gè)輸送指令，系統(tǒng)會(huì)依次存儲(chǔ)多個(gè)指令，并且按照“先進(jìn)先出”的原則執(zhí)行這些指令。AGV 的空閑等待位置（充電區(qū)）設(shè)在倉庫出庫站臺(tái)的附近，因?yàn)檫@里是物流量主要來源。為了保證運(yùn)行安全，夾抱式 AGV 設(shè)置多重安全保護(hù)機(jī)制。不僅在 AGV 前進(jìn)、后退時(shí)分別設(shè)計(jì)激光掃描安全器件，同時(shí)也設(shè)計(jì)了機(jī)械接觸式的安全觸邊器件，外加觸手可及的急停開關(guān)共 3 重安全機(jī)制。為確保AGV 工作可靠，該夾抱式 AGV 還設(shè)計(jì)有檢測在位或占位的功能。

三、TRIZ 理論在項(xiàng)目的應(yīng)用

在應(yīng)用 TRIZ 理論指導(dǎo)夾抱式 AGV開發(fā)時(shí)，首先從系統(tǒng)和子系統(tǒng)的角度認(rèn)識(shí)夾抱式 AGV 的功能。應(yīng)用 TRIZ 理論描述夾抱式 AGV 的功能組成時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)語言，夾抱式 AGV 的每一個(gè)功能組成單元的表達(dá)包含兩類術(shù)語，即功能與流。

前者用“動(dòng)詞+名詞”的固定結(jié)構(gòu)詞組來描述，后者用帶箭頭的實(shí)線或虛線描述能量、物料或信號(hào)的輸入或輸出。根據(jù) TRIZ 理論分析夾抱式 AGV 的功能結(jié)構(gòu)如圖 6。從該功能結(jié)構(gòu)圖認(rèn)識(shí)夾抱式 AGV 應(yīng)具備的功能，不僅使夾抱式 AGV的開發(fā)方向變得明確、清晰，機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)人員的工作目標(biāo)溝通與配合也更加容易，也使得夾抱式 AGV 功能的細(xì)化設(shè)計(jì)方向變得清晰。比如對(duì)夾抱煙絲箱的叉車屬具功能加以細(xì)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(shí)屬具還要有移動(dòng)煙絲箱的功能。在屬具移動(dòng)煙絲箱的過程中要測量移動(dòng)的距離以保證煙絲箱疊垛時(shí)能夠位置恰當(dāng)；在屬具夾緊煙絲箱時(shí)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(chǎn)生足夠大靜摩擦力時(shí)的正壓力，又不至于發(fā)生夾持力過大而對(duì)煙絲箱造成損傷。

安全設(shè)計(jì)是 AGV 設(shè)計(jì)工作的一個(gè)重要方面。由于夾抱式 AGV 后退進(jìn)入煙絲箱存儲(chǔ)區(qū)時(shí)，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(yùn)的煙絲箱與這些煙絲箱發(fā)生碰撞，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的安全生產(chǎn)質(zhì)量事故。這使得夾抱式AGV 的安全設(shè)計(jì)比普通 AGV 的安全設(shè)計(jì)要求更高。通常 AGV 在后退駛向貨位時(shí)，會(huì)在 AGV 上加裝一個(gè)激光障礙物掃描器件，或者采用接觸式機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供安全檢測機(jī)制。但由于夾抱式 AGV 搬運(yùn)著疊放的雙煙絲箱時(shí)，煙絲箱比車身還高出許多，解決這個(gè)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(gè)實(shí)際的工程難題。應(yīng)用 TRIZ理論的技術(shù)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(gè)發(fā)明原理來幫助解決具體問題。矛盾矩陣的行是實(shí)際問題可能涉及到被改善的39 個(gè)工程參數(shù)，矛盾矩陣的列是實(shí)際問題可能涉及到的被惡化的39 個(gè)工程參數(shù)。而行列在矩陣中對(duì)應(yīng)的位置上的幾個(gè)數(shù)字，代表 40 個(gè)發(fā)明原理中的某幾個(gè)發(fā)明原理的序號(hào)。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(hào)工程參數(shù)，它們分別代表“影響物體的有害因素”、“適應(yīng)性及多用性”，也可以抽象為惡化了第 25、36 號(hào)工程參數(shù)，它們分別代表了“時(shí)間損失”、“裝置的負(fù)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(hào)發(fā)明原理是該技術(shù)矛盾模型的通用解法。進(jìn)一步查表了解各發(fā)明原理的含義，發(fā)現(xiàn)第 18 號(hào)發(fā)明原理為“振動(dòng)”，使物體處于振動(dòng)狀態(tài)的發(fā)明原理對(duì)于解決夾抱車后退駛向貨位安全問題有極強(qiáng)的啟發(fā)作用。最終，將傳感器設(shè)計(jì)在屬具夾爪的末端，使夾抱式 AGV 在駛?cè)胴浳幌锏狼巴鶑?fù)運(yùn)動(dòng)一個(gè)區(qū)間，以確認(rèn)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?cè)胂锏捞峁┝丝煽康陌踩珯C(jī)制。

四、結(jié)論與展望

本項(xiàng)目在解決夾抱式 AGV 產(chǎn)品開發(fā)過程中遇到的各種工程問題時(shí)，TRIZ理論提供了極大的幫助。比如對(duì)屬具夾爪夾緊力的設(shè)計(jì)問題便是一個(gè)典型的物理矛盾模型，既希望力量大能夠夾緊煙絲箱以實(shí)現(xiàn)夾抱可靠，又希望夾緊力小以減少對(duì)煙絲箱抵抗變形能力的要求。應(yīng)用 TRIZ 理論提供的空間分離原理下對(duì)應(yīng)的通用解中的第 17 號(hào)發(fā)明原理“維數(shù)變化”即是解決問題的完美思路。近年來 TRIZ 理論已經(jīng)發(fā)展成為我國創(chuàng)新工作的重要組成部分。有研究文獻(xiàn)指出，從 2008 年到2018 年這 10 年間，發(fā)表 TRIZ 理論相關(guān)的論文約 3700 多篇，且發(fā)文量呈遞增的趨勢。TRIZ 理論的應(yīng)用也從解決工程技術(shù)問題拓展到了解決企業(yè)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(dòng)作改善的實(shí)際案例中得到驗(yàn)證。部分高校也已經(jīng)開始在校內(nèi)設(shè)立 TRIZ 理論相關(guān)課程。在學(xué)術(shù)界和企業(yè)內(nèi)部，我國 TRIZ 理論的研究和應(yīng)用水平正在逐年提高。但同時(shí)也不得不承認(rèn)，盡管 TRIZ 理論已經(jīng)發(fā)展了幾十年，國內(nèi)的技術(shù)人員總體上對(duì)于該理論還是比較陌生的。在我國推進(jìn)“中國制造 2025”的偉大歷史進(jìn)程中，不僅要發(fā)揮創(chuàng)新精神，也要對(duì)創(chuàng)新方法進(jìn)行升級(jí)和創(chuàng)新，本項(xiàng)目夾抱式 AGV 的開發(fā)，為應(yīng)用 TRIZ 理論創(chuàng)新解決工程問題提供了又一實(shí)際參考案例。