基于TRIZ 理論擠奶機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及分析

王子懿 羅 寅 葉源濤 王智慧

（安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南232001）

手工擠奶的作業(yè)方式工作效率低且勞動(dòng)強(qiáng)度[1]。依靠擠奶機(jī)械設(shè)備可滿足日益增長的產(chǎn)量需求，并且能夠提高奶源質(zhì)量。TRIZ 理論是一種全面且系統(tǒng)化的能夠?yàn)榘l(fā)明創(chuàng)造提供解決方案的新理論。TRIZ 可以開拓思路，挖掘創(chuàng)新潛能。通過TRIZ解決問題的案例有很多，鄧學(xué)欣等利用TRIZ 對(duì)焊鉗輕量化提供了思路，不僅讓焊鉗與工件發(fā)生干涉的機(jī)會(huì)變小，而且降低了生產(chǎn)成本，提高了點(diǎn)焊的質(zhì)量效率[2]。賈丙琪等，應(yīng)用TRIZ 對(duì)下肢外骨骼功能區(qū)結(jié)構(gòu)以及尺寸做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了下肢外骨骼使用的安全性與舒適性[3]。

1 問題分析

隨著生活質(zhì)量的提高，奶制品充斥著生活的各個(gè)方面，為了獲得高質(zhì)量優(yōu)秀奶源，現(xiàn)代化養(yǎng)殖是大勢所趨，傳統(tǒng)人工作業(yè)效率低、且不能達(dá)到高品質(zhì)奶源的質(zhì)量要求，利用擠奶機(jī)器人代替人力，不僅能提高產(chǎn)奶效率，也能實(shí)現(xiàn)牧場自動(dòng)化，養(yǎng)殖科學(xué)化。轉(zhuǎn)臺(tái)式擠奶機(jī)器系統(tǒng)占地空間大，移動(dòng)不方便。管道式，移動(dòng)式，活塞式擠奶機(jī)器系統(tǒng)操作對(duì)象單一，且需要人工干預(yù)。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，基于TRIZ 理論物理矛盾的分離原理，發(fā)明問題的標(biāo)準(zhǔn)解法，及物場模型分析設(shè)計(jì)出一種軌道式擠奶機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加簡單，減少了制造成本，縮小了工作空間，可以滿足快速移動(dòng)，精準(zhǔn)定位作業(yè)目標(biāo)。

2 TRIZ 理論分析

2.1 S 曲線預(yù)測分析

經(jīng)圖1 預(yù)測分析結(jié)果可以得知，最初擠奶方式為人工擠奶，從對(duì)奶牛習(xí)性的初步認(rèn)識(shí)，到進(jìn)一步的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)成長期，經(jīng)歷成熟的操作期，會(huì)被新型擠奶機(jī)構(gòu)，擠奶機(jī)所代替，最終逐漸沒落衰退。當(dāng)一種技術(shù)系統(tǒng)經(jīng)歷S 曲線四個(gè)階段后，即認(rèn)識(shí)初期、技術(shù)成長期、操作成熟期、沒落衰退期后必將會(huì)被新的系統(tǒng)所取代[4]。通過以上分析，得知軌道式擠奶機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)尚處于初期階段，此階段解決方案：利用機(jī)器人移動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出軌道式行走機(jī)構(gòu)，在軌道兩端加裝直線位移傳感器，該系統(tǒng)合理布局，移動(dòng)迅速，便于控制行走機(jī)構(gòu)上端機(jī)械臂，準(zhǔn)確定位作業(yè)目標(biāo)。

2.2 因果分析法

發(fā)現(xiàn)出待解決問題背后的矛盾與邏輯，找出問題產(chǎn)生的根本原因，以此為突破點(diǎn)，采用因果分析法，梳理出非定量性魚骨圖。根據(jù)魚骨圖中功能模塊，判別出問題參數(shù)，通過問題存在的有效性，確保機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，功能完整性。圖2 中反映出擠奶設(shè)備體積大、難操作、定位不精準(zhǔn)等問題。

圖1 擠奶方式發(fā)展的S 曲線

圖2 魚骨圖分析

2.3 小人法

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的部分組件不能很好的完成目標(biāo)設(shè)定，就將其簡化成小人模型，讓具有能動(dòng)性的小人到達(dá)預(yù)期目標(biāo)[5]。根據(jù)現(xiàn)有擠奶設(shè)備，將其推演成小人模型，如圖3 所示，用小人模型代替人工、擠奶設(shè)備、奶牛。并把小人進(jìn)行重新組合來解決因果分析法中發(fā)現(xiàn)的問題，得到抽象的模型系統(tǒng)，如圖4 所示。通過小人法的分析，打破了原有解決問題的思維定勢。為了減少人力成本，同時(shí)要保持設(shè)備穩(wěn)定性，就要使設(shè)備簡單化，便于操作。為了快速定位目標(biāo)，增加作業(yè)數(shù)量，可增設(shè)導(dǎo)軌和位移傳感裝置。導(dǎo)軌上可增設(shè)多條機(jī)械臂，同時(shí)作業(yè)多個(gè)對(duì)象。

圖3 小人法問題模型

圖4 小人法解決模型

3 物場分析及解決方案

3.1 建立問題模型

由因果分析得知，傳統(tǒng)人工擠奶作業(yè)方式效率低，產(chǎn)奶質(zhì)量不能標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化。且長期從事擠奶工作，會(huì)傷害到人的手部，腰部，甚至承受被奶牛攻擊的危險(xiǎn)。擠奶機(jī)的介入相比于單純的人工作業(yè)，安全系數(shù)高，但只能滿足小規(guī)模牧場的產(chǎn)量需求，且仍需要人工輔助。擠奶機(jī)設(shè)備自動(dòng)化水平偏低，無法應(yīng)用于大規(guī)模集中式養(yǎng)殖場，且移動(dòng)速度較慢，無法精準(zhǔn)快速定位牛棚所在位置，不能滿足生產(chǎn)要求。問題模型如圖5 所示。

圖5 物場分析問題模型

3.2 解決方案

應(yīng)用TRIZ 中創(chuàng)新原理與標(biāo)準(zhǔn)解，用電磁場與機(jī)械場代替了力場。解決方案如圖x 所示，人工對(duì)擠奶機(jī)械臂及其末端執(zhí)行器稍加干預(yù)，將原來的擠奶機(jī)由擠奶機(jī)械臂代替，同時(shí)加裝軌道，把機(jī)械臂與軌道裝配，軌道下方裝有直線位移傳感器，以來監(jiān)測末端執(zhí)行器是否到達(dá)正確工作位置[6]。解決了作業(yè)對(duì)象差異性，工作環(huán)境復(fù)雜性的問題，且實(shí)現(xiàn)快速定位，精準(zhǔn)作業(yè)的目標(biāo)，完成了小范圍、多目標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。

圖6 物場分析解決方案

4 模型建立及ANSYS 分析

4.1 模型建立

在電機(jī)托盤上設(shè)置單目視覺攝像頭，可識(shí)別出牛棚編號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，得到奶牛作業(yè)情況，進(jìn)一步判斷是否執(zhí)行擠奶工作。建模如圖7 所示。

圖7 行走機(jī)構(gòu)模型

4.2 ANSYS 靜力學(xué)分析

在正常工作過程中，行走機(jī)構(gòu)底板承受所有載荷，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮其強(qiáng)度，故對(duì)其進(jìn)行有限元分析[7]。選擇材料結(jié)構(gòu)鋼作為設(shè)計(jì)材料，將其細(xì)化網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)為129315，網(wǎng)格數(shù)為90368。工作載荷為3300N,施加在齒條擋板兩側(cè)。求解結(jié)果如圖8 所示。最大變形量為0.0060169mm，滿足安全工作要求。

圖8 總變形求解結(jié)果

5 結(jié)論

根據(jù)TRIZ 理論對(duì)現(xiàn)有擠奶機(jī)構(gòu)存在的不足進(jìn)行分析，通過魚骨圖發(fā)現(xiàn)矛盾根源，利用小人法找到解決方案，加以物場分析設(shè)計(jì)建模，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性，得到了擠奶機(jī)器人新型行走機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)快，定位準(zhǔn)，小空間，監(jiān)測性等要求。為后續(xù)的研發(fā)提供了參考。