崔吉，段向軍，趙海峰

TRIZ理論在自動(dòng)導(dǎo)引車性能提升中的應(yīng)用

崔吉，段向軍，趙海峰

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 南京 210023）

針對(duì)目前市場(chǎng)上差速式自動(dòng)導(dǎo)引車機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性不足的問題，按照TIRZ理論解決問題的理論方法對(duì)其行走系統(tǒng)進(jìn)行功能組件分析，找出問題的主要原因并確定矛盾矩陣。依據(jù)40個(gè)創(chuàng)新原理，確定了改善差速式自動(dòng)導(dǎo)引車機(jī)動(dòng)性的解決方案，為自動(dòng)導(dǎo)引車性能提升羅列出創(chuàng)新性方案。在此基礎(chǔ)上，探討了TRIZ理論在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可行性，為后續(xù)AGV其他功能參數(shù)改進(jìn)具有一定的借鑒意義。

自動(dòng)導(dǎo)引車；TRIZ理論；功能分析；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

自動(dòng)導(dǎo)引車[1]（Automated Guided Vehicle，AGV）是工業(yè)自動(dòng)化和物流智能倉儲(chǔ)的重要組成部分，是一種智能移動(dòng)機(jī)器人。隨著“中國(guó)制造2025”和創(chuàng)新國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的政策實(shí)施，傳統(tǒng)制造業(yè)在不斷尋求提升設(shè)備的自動(dòng)化和智能化水平，“機(jī)器換人”時(shí)代已經(jīng)來臨[2]。AGV在柔性智能制造、自動(dòng)化物流倉儲(chǔ)中發(fā)揮重要作用，這勢(shì)必加大對(duì)AGV產(chǎn)品的需求量和性能提升要求，其中穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性、靈活性、高效性、節(jié)能性是AGV產(chǎn)品性能提升的主要參數(shù)。目前已廣泛用于煙草、物流等行業(yè)的AGV無法直接用于車間通道狹窄、路面環(huán)境差的傳統(tǒng)制造業(yè)中，因此改善現(xiàn)有AGV機(jī)動(dòng)性、靈活性和承載力是將傳統(tǒng)AGV產(chǎn)品向制造行業(yè)推廣時(shí)亟需解決的技術(shù)問題。為快速解決向制造企業(yè)提供“量身定制”的AGV產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的技術(shù)問題，可借助創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)。

TRIZ理論[3-4]是近年來國(guó)內(nèi)外推行的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論，已在多種產(chǎn)品領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用研究，如黃兆飛等[5]利用TRIZ理論中的功能分析、資源分析等方法確定矛盾矩陣，并基于發(fā)明原理解決了往復(fù)式線切割設(shè)備的貯絲筒設(shè)計(jì)問題；尹健康等[6]利用TRIZ理論中的發(fā)明原理解決了卷煙分揀作業(yè)中噴碼效果差影響物流配送問題；熊愛奎[7]利用TRIZ理論中的功能模型和三軸分析，借助物場(chǎng)分析和發(fā)明原理解決了重型壓機(jī)快速節(jié)能問題；田鵬等[8]將TRIZ理論應(yīng)用于板坯鑄造工藝改進(jìn)中，采用資源分析確定技術(shù)沖突和矛盾矩陣，通過發(fā)明原理改善了板坯角部裂紋控制、提高了連鑄質(zhì)量。

本文針對(duì)傳統(tǒng)差速式AGV產(chǎn)品的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性差、轉(zhuǎn)彎半徑過大的問題，采用TRIZ理論方法對(duì)其行走系統(tǒng)進(jìn)行分析，探討TRIZ理論在AGV產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性。

1 差速式AGV產(chǎn)品性能分析

清晰描述存在的初始問題，有助于確定其不足或缺點(diǎn)以及問題存在的條件或情況。AGV主要分為機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、輔助裝置等部分，靈活性和穩(wěn)定性與機(jī)械系統(tǒng)中的行走機(jī)構(gòu)有直接關(guān)系，但其他部分對(duì)其也有一定影響。差速式AGV行走機(jī)構(gòu)一般有三輪、四輪或六輪等形式，其中兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、其余為從動(dòng)輪。目前市場(chǎng)上常用AGV產(chǎn)品如圖1所示，采用中間兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、前后兩對(duì)從向輪的六輪結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速不同時(shí)，從動(dòng)輪跟隨驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)方向改變，即實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速差值取決于彎道半徑的大小。在轉(zhuǎn)向過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)要經(jīng)歷減速－勻速－加速的速度波動(dòng)過程，因而不但造成AGV無法在狹窄空間內(nèi)通行，進(jìn)而限制其靈活性和適應(yīng)性，還影響整車穩(wěn)定性和運(yùn)輸工作效率。如果采用磁條導(dǎo)航方式，轉(zhuǎn)彎過程中還需不斷調(diào)整兩驅(qū)動(dòng)輪與磁條之間的距離，加劇了AGV在轉(zhuǎn)彎過程中的振動(dòng)進(jìn)而影響穩(wěn)定性。

圖1 常用AGV產(chǎn)品及驅(qū)動(dòng)圖

本文針對(duì)傳統(tǒng)差速式AGV轉(zhuǎn)彎過程中需要一定彎道空間、且增加轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間從而降低運(yùn)輸效率、同時(shí)產(chǎn)生額外機(jī)械振動(dòng)的技術(shù)問題，采用TRIZ理論來尋求問題解決方法，為AGV性能提升確定可行性方案。

2 應(yīng)用TRIZ理論解決差速式AGV技術(shù)問題

根據(jù)AGV轉(zhuǎn)向問題描述分析可知，在轉(zhuǎn)彎過程中，由于向心力存在，AGV驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度需改變，從動(dòng)輪跟隨驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)，為進(jìn)一步確定技術(shù)問題的原因或條件，接下來按照TRIZ解題步驟來尋求該技術(shù)問題的解決方案。

2.1 AGV行走機(jī)構(gòu)功能分析

AGV行走系統(tǒng)組件主要有電機(jī)、傳動(dòng)件、驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪、連接件、底盤，另外地面、導(dǎo)航系統(tǒng)、工作車間為超系統(tǒng)，功能組件如圖2所示。AGV行走系統(tǒng)存在以下問題：電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)不足，只能驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，不能直接改變輪子轉(zhuǎn)向；傳動(dòng)件與驅(qū)動(dòng)輪相連，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪起支撐作用力不足；驅(qū)動(dòng)輪對(duì)從動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)作用不足，驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪的組合方式?jīng)Q定AGV行進(jìn)方式；連接件對(duì)輪子、傳動(dòng)件和驅(qū)動(dòng)電機(jī)起固定支撐作用，作用不足；底盤對(duì)連接件起固定作用，作用過剩；導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪起約束作用，作用過剩；地面對(duì)輪子起支撐作用，作用過剩；工作車間對(duì)輪子起限制作用，作用過剩。由上述系統(tǒng)組件模型及組件間的相互作用，可以得出主要問題在從動(dòng)輪方向控制不足和驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)性能不足。

圖2 AGV行走系統(tǒng)功能組件圖

2.2 AGV提升靈活性方案

根據(jù)AGV行走機(jī)構(gòu)系統(tǒng)分析得知，改善的技術(shù)參數(shù)為適應(yīng)性和通用性（35），惡化的技術(shù)參數(shù)為系統(tǒng)的復(fù)雜性（36），查找矛盾矩陣，獲取得到TRIZ理論40個(gè)創(chuàng)新原理中的動(dòng)態(tài)特性原理（15）、氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理（29）、熱膨脹原理（37）、機(jī)械系統(tǒng)代替原理（28）。剔除不合適原則，優(yōu)選動(dòng)態(tài)特性原理（15）和機(jī)械系統(tǒng)代替原理（28）解決。具體方案如下：

（1）調(diào)整環(huán)境或物體性能，使其各階段達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。得出方案1：企業(yè)在進(jìn)行廠區(qū)車間規(guī)劃時(shí)，有條件的可考慮將設(shè)備直線排布，盡可能讓AGV保持直線運(yùn)行，減少轉(zhuǎn)彎情況；或是將車間進(jìn)行分割為若干小區(qū)域，縮短原料轉(zhuǎn)載運(yùn)輸?shù)穆窂健?/p>

（2）分割物體，使其各部分可以改變相對(duì)位置。得出方案2：將AGV整車車架與行走機(jī)構(gòu)分割開，兩者可以相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，當(dāng)AGV小車直線行進(jìn)時(shí)，行走機(jī)構(gòu)和車架一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)AGV小車需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，車架借助輔助支撐機(jī)構(gòu)保持不動(dòng)，依靠行走機(jī)構(gòu)原地旋轉(zhuǎn)改變行進(jìn)方向，形如行星輪系中太陽輪與行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)方式。又得方案3：從AGV行走機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪考慮，將驅(qū)動(dòng)輪子系統(tǒng)中的輪胎分割成若干部分，輪子既能橫向運(yùn)動(dòng)、又能縱向運(yùn)動(dòng)，通過查詢知識(shí)庫得知，麥克納姆輪、切向輪等全向輪[9]，其輪胎分割為若干個(gè)小輥?zhàn)樱瑢⑷蜉啺匆欢ǚ绞脚挪冀M成行走機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)AGV平面內(nèi)任意方向運(yùn)動(dòng)。

（3）如果一個(gè)物體整體是靜止的，使之移動(dòng)或可動(dòng)。得出方案4，由圖2可知，電機(jī)、傳動(dòng)件和驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，電機(jī)、傳動(dòng)件和驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)軸位置靜止，可將這幾部分組合成“雙舵式”驅(qū)動(dòng)模塊[10]，實(shí)現(xiàn)輪子既可以行進(jìn)、又可以轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)AGV車架方向不變前提下實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意方向行進(jìn)，如圖3所示。

（4）采用具有可調(diào)自然頻率的扭振緩沖器阻抑軸的多頻振動(dòng)。從提高平穩(wěn)性為著眼點(diǎn)，可以得出方案5：將AGV行走機(jī)構(gòu)中的連接件與底盤的連接由原來的剛性連接變?yōu)閺椈傻娜嵝赃B接，減少輪子在進(jìn)行過程中由于與地面接觸點(diǎn)高度不同引起的機(jī)械振動(dòng)，類似于高檔汽車的可調(diào)節(jié)底盤懸掛系統(tǒng)。

（5）利用視覺/光學(xué)系統(tǒng)、聽覺/聲學(xué)系統(tǒng)、味覺系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)或嗅覺系統(tǒng)代替機(jī)械系統(tǒng)?？傻梅桨?：采用激光導(dǎo)航或機(jī)器視覺導(dǎo)航，突破了導(dǎo)航磁條對(duì)AGV運(yùn)動(dòng)區(qū)域的限制，方便更改AGV的路徑。

圖3 方案4中“雙舵式”驅(qū)動(dòng)模塊圖

3 方案實(shí)施

本文選取方案3、5、6，設(shè)計(jì)了一款基于磁條和視覺導(dǎo)航相結(jié)合全方位移動(dòng)平臺(tái)，如圖4所示。該平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)采用四驅(qū)的全向輪形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過改變每個(gè)全向輪的轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)AGV小車原地旋轉(zhuǎn)、橫向、縱向等平面內(nèi)任意方向運(yùn)動(dòng)，極大提高了AGV的機(jī)動(dòng)性和靈活性，克服了狹窄空間的限制。該平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)、連接件和全向輪借助組合原理設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立單元模塊，與底盤之間有剛性彈簧，實(shí)現(xiàn)輪子與地面的有效接觸，避免出現(xiàn)輪子懸空現(xiàn)象，進(jìn)而降低地面不平對(duì)AGV運(yùn)動(dòng)性能的影響，該模塊安裝和維護(hù)都較為方便，降低了加工制造難度。

針對(duì)磁條導(dǎo)航方式在AGV轉(zhuǎn)向過程中的會(huì)引起額外的機(jī)械振動(dòng)的問題，考慮到目前磁條導(dǎo)航方式的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合目前激光、視覺、慣性等導(dǎo)航方式特點(diǎn)，本文提出一種以磁條導(dǎo)航為主、視覺導(dǎo)航為輔的組合式導(dǎo)航方式。在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，采用磁條導(dǎo)航方式；當(dāng)檢測(cè)到需要轉(zhuǎn)向的信號(hào)時(shí)，關(guān)閉磁條導(dǎo)航方式、啟動(dòng)視覺系統(tǒng)，采集二維碼路標(biāo)信息（圖5），完成AGV的導(dǎo)航定位和轉(zhuǎn)向；待轉(zhuǎn)彎過程結(jié)束后，再次啟動(dòng)磁條導(dǎo)航、關(guān)閉視覺導(dǎo)航方式，來校正視覺導(dǎo)航的偏差，并引導(dǎo)AGV循跡運(yùn)行。該方式增加了導(dǎo)航和控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，但將磁條導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合提高了AGV運(yùn)行的穩(wěn)定性，還進(jìn)一步改善了AGV對(duì)路徑更改的適應(yīng)性。

圖4 一種模塊化行走機(jī)構(gòu)的全方位移動(dòng)平臺(tái)

AGV在實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)彎是路徑規(guī)劃最重要的問題，常見為直角彎和圓弧彎。直角彎運(yùn)動(dòng)規(guī)劃理論研究較多，方形底盤AGV的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃較困難，因?yàn)椴荒軐⑵脚_(tái)抽象成質(zhì)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)彎過程中要考慮方形底盤與前面和兩側(cè)面的安全距離，驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度調(diào)節(jié)較復(fù)雜，勢(shì)必加劇AGV機(jī)械振動(dòng)，影響穩(wěn)定性。本文設(shè)計(jì)的AGV圓形底盤結(jié)構(gòu)在直角彎的優(yōu)勢(shì)明顯，可將AGV簡(jiǎn)化為有一定半徑的質(zhì)心，且可通過多種運(yùn)動(dòng)組合形式來通過直角彎，比如橫向、縱向和原地旋轉(zhuǎn)組合，圓弧軌跡，斜向和原地旋轉(zhuǎn)組合。通過表1數(shù)據(jù)分析可知，斜向運(yùn)動(dòng)的距離和所用時(shí)間最短，從安全距離分析，直線運(yùn)動(dòng)方式順利通過的轉(zhuǎn)彎半徑最小、運(yùn)動(dòng)控制最為簡(jiǎn)單。

表1 不同方式直角彎道運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)表

注：為圓形底盤的半徑，mm；max為AGV的最大速度，m/s。

4 總結(jié)

通過對(duì)目前AGV產(chǎn)品靈活性差問題的描述分析，通過TIRZ理論中的功能分析和因果分析，找出問題的主要原因，并用矛盾矩陣和發(fā)明原理從不同角度提出了多種用于提升AGV靈活性的解決方案。通過TRIZ理論在AGV行走機(jī)構(gòu)改進(jìn)的嘗試，驗(yàn)證了其可行性，今后可以繼續(xù)利用TRIZ理論來解決AGV在定位導(dǎo)航精度、節(jié)能及重載等方面性能提升的技術(shù)問題。

[1]張燕超，崔吉. 全方位移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究[J]. 機(jī)械，2019，46（3）：18-21.

[2]張勇. 基于3C自動(dòng)化加工中心的AGV小車車載控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D]. 廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2018：1-4.

[3]陸群，顧新春. 點(diǎn)石成金——大學(xué)生創(chuàng)新激發(fā)及創(chuàng)新實(shí)踐指導(dǎo)[M]. 南京：南京大學(xué)出版社，2016：55-60.

[4]趙敏. TRIZ入門及實(shí)踐[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009.

[5]黃兆飛，謝三山. 基于TRIZ的往復(fù)式線切割機(jī)床貯絲筒創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)床與液壓，2018，46（7）：97-101.

[6]尹健康，陳昌華，等. 基于TRIZ理論的卷煙分揀作業(yè)中噴碼系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 包裝工程，2018，39（9）：108-114.

[7]熊愛奎. 基于TRIZ理論解決大型壓機(jī)快速和節(jié)能的問題[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2018，35（1）：377-381.

[8]田鵬，劉偉，等. 基于TRIZ理論的板坯角部裂紋控制[J]. 連鑄，2017，42（4）：53-60.

[9]朱建江，邢雯麗. 應(yīng)用ADAMS與ANSYS實(shí)現(xiàn)Mecanum輪參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)選[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2017，33（1）：186-189.

[10]陳光超. 基于AVR的差速驅(qū)動(dòng)導(dǎo)引小車運(yùn)動(dòng)控制[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2016.

Application of TRIZ Theory in the AGV Performance Improvement

CUI Ji，DUAN Xiangjun，ZHAO Haifeng

( School of Intelligent Manufacturing, Nanjing College of Information Technology, Nanjing 210023, China )

Aimed to the current problem that the maneuverability and stability of the automatic guided car are not enough, the TRIZ is applied to find where conflicts exist through system components’ functional and causal analysis. The solution of the problem that AGV maneuverability and stability are presented according to 40 inventive principles, and a number of programs for product performance improvement are listed out. In the process of the problem solving, the feasibility of the TRIZ theory in product design is discussed, which will provide reference for the improvement of other functional parameters of AGV.

automatic guided vehicle；TRIZ theory；function analysis；innovative design

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.02.003

1006－0316 (2020) 02－0014－05

2019－04－09

南信院院級(jí)自然科研基金項(xiàng)目青年重點(diǎn)項(xiàng)目（YK20160201）；南信院工程研發(fā)中心開發(fā)基金項(xiàng)目（KF20170201）；2018年江蘇高校“青藍(lán)工程”優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)對(duì)象——工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)（2018-4）；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（18KJB530012）

崔吉（1982－），男，山東泰安人，碩士，副教授、TRIZ國(guó)家二級(jí)咨詢師，主要研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人、機(jī)電一體化。