路可欣，秦建軍，高 磊

(北京建筑大學(xué) 1. 機電與車輛工程學(xué)院；2.城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點實驗室，北京 100044)

在產(chǎn)品設(shè)計初期，對工程特性沖突消解的研究可有效地提高用戶滿意度，這已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點[1-3]。為解決此問題，國內(nèi)外學(xué)者對質(zhì)量功能展開(quality function development, QFD)與TRIZ集成的方法進行了研究，通過質(zhì)量功能配置和發(fā)明問題解決原理的結(jié)合，實現(xiàn)用戶需求向工程特性的轉(zhuǎn)化，克服產(chǎn)品設(shè)計中的矛盾沖突[4]。張彩麗等[5]針對TRIZ對工程特性確定能力不足的問題，有機融合TRIZ與QFD各自優(yōu)勢，實現(xiàn)了多種設(shè)計問題的確定與創(chuàng)新解耦的方法。為進一步解決多層級工程特性沖突問題，Vinodh等[6]利用QFD獲取用戶需求并轉(zhuǎn)化為工程特性，針對不同工程特性沖突對，實現(xiàn)多層級工程特性的沖突消解。

四足機器人因其較強的靈活性與環(huán)境適應(yīng)性等特點，得到了國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。西班牙教育研究院研發(fā)的SILO4機器人[7]每條腿配有3個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，并安裝了編碼器、傾角計以及三軸力傳感器，因此可適應(yīng)多種地形。上海大學(xué)研發(fā)的小型電動直驅(qū)四足機器人[8]采用內(nèi)傾腿部關(guān)節(jié)配置，消除等效橫滾髖關(guān)節(jié)與俯仰髖關(guān)節(jié)間距，使穩(wěn)定性得以提升。為進一步提高機體靈活性，日本電氣通信大學(xué)研發(fā)的Tekken-Ⅳ仿生四足機器人[9]采用非柔性的機械結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使運行更加靈巧。相比于電動四足機器人，液壓四足機器人因其驅(qū)動功率密度高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，被廣泛應(yīng)用于野外非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下。韓國工業(yè)技術(shù)研究院研發(fā)的P2機器人[10]采用液壓馬達帶動關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，消除了由直線運動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動時的非線性，控制相對簡單。在改善機體輕量化方面，美國麻省理工大學(xué)的獵豹機器人[11-12]采用腿部關(guān)節(jié)與脊柱關(guān)節(jié)的仿貓科類構(gòu)型，結(jié)構(gòu)更合理精細。但在四足機器人的設(shè)計中，也存在著工程特性間的沖突與制約現(xiàn)象，例如較大的承載重量會使機器人在野外戰(zhàn)場發(fā)揮重要作用，但與此同時會造成足端沖擊損壞與動能的損耗。另外，腿部關(guān)節(jié)數(shù)量的增加使機器人運轉(zhuǎn)更加靈活，但會提升控制難度。除此之外，改進機體輕量化的同時，也會造成機器人行進步態(tài)的單一化。

四足機器人不同于普通產(chǎn)品，機器人作為新興產(chǎn)業(yè)且其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，大部分學(xué)者對其研究還是集中在算法與數(shù)學(xué)模型的建立上[13-15]，而針對液壓四足機器人中存在的工程特性沖突問題，本文提出了集成質(zhì)量屋、發(fā)明問題解決原理與定量優(yōu)先度分析法，利用質(zhì)量屋對存在負相關(guān)的工程特性進行匯總，基于加權(quán)歐氏距離對創(chuàng)新方案進行遴選，運用發(fā)明問題解決原理分別從物理沖突與技術(shù)沖突兩方面對其進行消解，同時對液壓四足機器人進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

1 集成方法總體設(shè)計思路

四足機器人按驅(qū)動方式可分為液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動以及電機驅(qū)動3種，其特點各不相同，具體如表1所示。在野外的非結(jié)構(gòu)化地形下，液壓四足機器人被廣泛應(yīng)用，但通過眾多國內(nèi)外學(xué)者的研究，在液壓四足機器人的設(shè)計中，均存在工程特性沖突的現(xiàn)象，如表2所示。

表1 四足機器人3種驅(qū)動方式Table 1 Four-legged robot’s three driving methods

表2 液壓四足機器人現(xiàn)存問題Table 2 Hydraulic four-legged robot’s existing problems

本文采用質(zhì)量屋、發(fā)明問題解決原理與定量優(yōu)先度分析的集成方法對該問題進行消解。其中質(zhì)量屋是以液壓四足機器人需求為導(dǎo)入，采用質(zhì)量屋矩陣表將需求轉(zhuǎn)化為工程特性，關(guān)鍵需求與工程特性進行有效挖掘。定量優(yōu)先度分析法通過設(shè)計者綜合考慮多方面要求，對性能指標進行權(quán)重賦值，進而遴選最優(yōu)創(chuàng)新方案。發(fā)明問題解決原理基于無折中的設(shè)計思想，通過科學(xué)發(fā)明原理、沖突矩陣與分離原理等方法，為液壓四足機器人工程特性的消解提供具體的創(chuàng)新思路，并實現(xiàn)滿足要求的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方案，其具體流程如圖1所示。

2 液壓四足機器人工程特性沖突

2.1 質(zhì)量屋

質(zhì)量屋(house of quality, HoQ),又稱質(zhì)量表，是質(zhì)量功能展開的核心工具，采用質(zhì)量關(guān)系矩陣，將用戶需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品工程特性所采用的類似于房屋結(jié)構(gòu)關(guān)系矩陣作為技術(shù)工具，如圖2所示。

圖1 液壓四足機器人工程特性沖突消解與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計流程圖Figure 1 Hydraulic quadruped robot's engineering characteristics conflict resolution and structural innovation design flow chart

圖2 質(zhì)量屋Figure 2 House of quality

通過組建QFD專家團隊對用戶需求進行匯總，采用1—5比例標度法對需求重要度及用戶需求與工程特性的相關(guān)矩陣進行打分，其中工程特性重要度的定義式為

式中，Ci為用戶需求重要度，Vij為用戶需求與工程特性間的相關(guān)程度。

質(zhì)量屋屋頂?shù)淖韵嚓P(guān)矩陣代表各工程特性之間的關(guān)系，正號表示若提高或改善其中某一工程特性，將對另一工程特性有改進作用，則稱兩工程特性之間存在正相關(guān)。反之，負號將對另一工程特性有惡化作用，則稱兩工程特性之間存在負相關(guān)。

2.2 非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的工程特性沖突

從液壓四足機器人研究人員、潛在用戶方、相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)人員中分別選取2名成員，由這6名成員組成QFD評價組。經(jīng)過從不同角度的探討，該評價組確定了4項需求、16項子需求以及8項工程特性，其中包括外部構(gòu)型(整機尺寸、機體重量)、內(nèi)部構(gòu)型(空間尺寸、關(guān)節(jié)數(shù)量)、使用性能(運動穩(wěn)定性、機動能力、結(jié)構(gòu)強度、承載重量)，利用式(1)確定工程特性重要度，并進行歸一化，得到相對工程特性重要度，完成質(zhì)量屋的數(shù)據(jù)輸入，結(jié)果如圖3所示。實現(xiàn)需求到工程特性的定量轉(zhuǎn)化，將需求的語言表達轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ烫匦裕瑸閮?yōu)化液壓四足機器人結(jié)構(gòu)奠定了堅實基礎(chǔ)。

由圖3所示的液壓四足機器人自相關(guān)矩陣，可得到3組負相關(guān)設(shè)計特性，據(jù)此確定液壓四足機器人的3組設(shè)計關(guān)鍵問題，即工程特性沖突問題：1) 消解“機體重量”與“承載重量”之間的工程特性沖突；2) 消解“運動穩(wěn)定性”與“關(guān)節(jié)數(shù)量”之間的工程特性沖突；3) 消解“結(jié)構(gòu)強度”與“機體重量”之間的工程特性沖突。

3 液壓四足機器人工程特性沖突消解

3.1 發(fā)明問題解決原理

發(fā)明問題解決原理由前蘇聯(lián)著名發(fā)明家Altshuller在1946年創(chuàng)立的，TRIZ是俄文的音譯縮寫。利用長期累積的經(jīng)驗和知識，處理產(chǎn)品中工程特性沖突并實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計，使已有問題有章可循。TRIZ理論的一般流程如圖4所示。首先，將實際問題通過39個特征參數(shù)轉(zhuǎn)化為TRIZ問題，再利用矛盾矩陣或者發(fā)明原理得到TRIZ問題的一般解，最后，結(jié)合已有知識，將一般解轉(zhuǎn)化為最終解，同時生成創(chuàng)新方法。

圖3 液壓四足機器人質(zhì)量屋Figure 3 Hydraulic four-legged robot's quality house

3.2 基于TRIZ理論的的工程特性沖突問題轉(zhuǎn)化

根據(jù)3組液壓四足機器人負相關(guān)工程特性及其設(shè)計關(guān)鍵問題，構(gòu)建TRIZ的通用工程參數(shù)，如表3所示，將液壓四足機器人設(shè)計關(guān)鍵問題中的沖突運用通用工程參數(shù)代替負相關(guān)設(shè)計特性，從而實現(xiàn)將工程特性沖突轉(zhuǎn)化為TRIZ的一般問題。表中第3列的數(shù)字表示TRIZ理論共有40個原理，例如“2.靜止物體的重量”，表示第2條原理是靜止物體的重量。

3.3 創(chuàng)新方案的定量優(yōu)先度分析

邀請10名QFD團隊專家，其中包括研發(fā)、設(shè)計、制造、質(zhì)量管理、工藝等多領(lǐng)域不同成員，根據(jù)工程特性間的沖突，從各個角度共同擬定創(chuàng)新方案，進行初步粗選與綜合分析，優(yōu)先度大小決定了方案的優(yōu)劣程度。

圖4 TRIZ理論一般流程圖Figure 4 TRIZ theory general flow chart

表3 液壓四足機器人負相關(guān)工程特性以及TRIZ理論通用工程參數(shù)Table 3 Negative correlation engineering characteristics of hydraulic quadruped robot and general engineering parameters of TRIZ theory

3.3.1 基于改進模糊層次分析法的權(quán)重分析

由于QFD團隊專家的主觀性與客觀事物的復(fù)雜性，在多種創(chuàng)新方案的遴選中存在模糊性問題。本文采用改進模糊層次分析法對創(chuàng)新方案的權(quán)重進行分析，其具體步驟如下。

Step 1采用0，0.5，1三標度法，建立互補型模糊判斷矩陣，W=(wij)n×m，其定義式為

Step 2求行和，其定義式為

將模糊判斷矩陣W=(wij)n×m轉(zhuǎn)化為模糊一致性判斷矩陣L=(lij)n×m，其轉(zhuǎn)化定義式為

Step 3將行和歸一化求解排序向量K，其定義式為

Step 4排序向量K的值，即為評價指標權(quán)重。

3.3.2 基于加權(quán)歐氏距

離的創(chuàng)新方案遴選

n維 歐氏空間為點集合，其中每個點可表示為[x(1),x(2),···,x(n)]，其中x(i), (i=1,2,···,n)表 示x的第i個 坐標，x與y兩點距離為q(x,y)，其定義式為

設(shè)wi為權(quán)重值，且滿足則加權(quán)式距離定義式為

設(shè)創(chuàng)新方案Ej=[Ej1,Ej2,···,Ejm]，對創(chuàng)新方案Ej的性能等級分為4級，其量化結(jié)果如表4所示。

表4 等級量化結(jié)果Table 4 Level quantification result

分別對目標設(shè)計U=[u1,u2,···,um]與多種創(chuàng)新方案Ej=[Ej1,Ej2,···,Ejm]，(Ej∈E, 1≤j≤l),通 過 加 權(quán)歐氏距離公式，計算二者間距離，其定義式為

方案的優(yōu)先度 εj越大，表示該創(chuàng)新方案優(yōu)先度越高，優(yōu)先度 εj的定義式為

3.4 液壓四足機器人創(chuàng)新方案遴選

對液壓四足機器人已有設(shè)計方案E1、E2、E3進行逐一評價，邀請的10名QFD團隊專家分別以“機動”、“承載”、“防護”為評價指標，對設(shè)計方案進行權(quán)重分析，具體步驟如下。

Step 1：通過式(2)建立互補模糊判斷矩陣

Step 2：通過式(3)與式(4)建立模糊一致性判斷矩陣

Step 3：通過式(5)求解排序向量

根據(jù)排序向量K可知，“機動”、“承載”、“防護”權(quán)重系數(shù)分別為0.33、0.17、0.5，對3種創(chuàng)新方案進行量化處理，如表5所示。

表5 3種創(chuàng)新方案量化結(jié)果Table 5 Three innovative solutions' quantifying results

通過計算式(8)與式(9)，3種創(chuàng)新方案優(yōu)先度分別 為 ε(E1)=0.556 、ε(E2)=0.392 、ε(E3)=0.184，由以上結(jié)果可知E1為最優(yōu)創(chuàng)新方案。

4 液壓四足機器人創(chuàng)新方案結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 液壓四足機器人機架設(shè)計

針對第1組工程特性沖突，即“機體重量”與“承載重量”之間的沖突。若液壓四足機器人的承載重量增大，可大大增加物資儲備量，如有利于在交通不便的地區(qū)為士兵運送彈藥、食物以及其他物品，但會增加整體負重，給運輸帶來不便。因此，機器人整體重量要盡可能的小，以方便在野外非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中能夠運輸更多的物品。故該組工程特性屬于技術(shù)沖突，可通過TRIZ理論沖突矩陣以及相關(guān)的發(fā)明原理進行液壓四足機器人第1組工程特性的消解，針對本案例，選擇No.14與No.35原理，如表6所示。

根據(jù)表6，采用創(chuàng)新方案E1對液壓四足機器人的機架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，如圖5所示，機架采用鏤空設(shè)計，大大降低了機體重量，同時機身內(nèi)部采用分區(qū)設(shè)置，減少不同類別物品間的交叉。機體內(nèi)部儲物A區(qū)為少數(shù)流動最頻繁的物品，實現(xiàn)快速的調(diào)取能力。機體內(nèi)部儲物B區(qū)為常規(guī)儲存物品，為野外作戰(zhàn)人員提供生存必需品，機身內(nèi)部實現(xiàn)了空間的解構(gòu)，使其最大化利用。除此之外還可將運輸物品懸掛至機身兩側(cè)，提高整體載物效率。軀干主要采用具有良好機械性能的鋁合金材料，強度高，滿足機器人對不同環(huán)境下的材料性能要求，具有較強的適應(yīng)性。

表6 No.14與No.35的通用參數(shù)含義Table 6 General parameters' meanings of No. 14 and No. 35

圖5 液壓四足機器人機架結(jié)構(gòu)設(shè)計Figure 5 Hydraulic four-legged robot’s frame structure design

4.2 液壓四足機器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對第2組工程沖突，即“運動穩(wěn)定性”與“關(guān)節(jié)數(shù)量”之間的沖突，液壓四足機器人在野外的復(fù)雜環(huán)境下，需具備較高的機動、感知以及防護等多方面能力，導(dǎo)致機體內(nèi)元件繁雜，存在冗余關(guān)節(jié)數(shù)量的問題，因此在液壓四足機器人腿部設(shè)計中應(yīng)盡可能減少非核心移動關(guān)節(jié)。

故該組工程特性屬于技術(shù)沖突，可通過TRIZ理論中的沖突矩陣以及所相關(guān)的發(fā)明原理進行液壓四足機器人第2組工程特性消解，針對本案例，選擇No.7與No.13原理，如表7所示。

根據(jù)表7，采用創(chuàng)新方案E1對液壓四足機器人腿部進行設(shè)計，每條單腿含有3個液壓執(zhí)行器和一個減震彈簧，如圖6所示，腿部結(jié)構(gòu)相對簡單，不存在冗余關(guān)節(jié)，使其機體體積進一步減小，結(jié)構(gòu)緊湊，減震彈簧可對足端觸地過程中的沖擊力有一定吸收作用，減輕崎嶇路面對物資造成的顛簸與沖擊，進一步提升機器人的運動穩(wěn)定性，同時滿足了整體結(jié)構(gòu)造型的設(shè)計要求。其中一個液壓執(zhí)行器為一個主動自由度，被動自由度由減震彈簧與直線軸承構(gòu)成，增強機器人在運行過程中的穩(wěn)定性，使結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理。

表7 No.7與No.13的通用參數(shù)含義Table 7 General parameters meanings of No. 7 and No. 13

圖6 液壓四足機器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計Figure 6 Hydraulic four-legged robot's leg structure design

4.3 液壓四足機器人整體骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對第3組工程特性沖突，即“運行速度”與“機體重量”之間的沖突，液壓四足機器人的運行速度是其在野外非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中靈活應(yīng)對的關(guān)鍵，但較大的機體重量，會使機器人前行緩慢，降低對環(huán)境變化的反應(yīng)速度。因此，應(yīng)盡量減輕機體重量，以提升其整機運行速度。

故該組工程特性屬于物理沖突，可通過TRIZ分離原理中的整體與部分分離原則實現(xiàn)工程特性沖突的消解，針對本案例，選擇No.6與No.40原理，如表8所示。

表8 No.6與No.40的通用參數(shù)含義Table 8 General parameters meanings of No. 6 and No. 40

根據(jù)表8，采用創(chuàng)新方案E1對液壓四足機器人的整體骨架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，如圖7所示，采用復(fù)合材料，腿部與機體相連，為了保證強度同時便于安裝，采用超硬鋁合金型材料作為機體框架，同時腿部采用剛性材料，更好適應(yīng)足端對地面的沖擊，腿部與軀干通過側(cè)擺關(guān)節(jié)相連，基節(jié)和大腿通過髖關(guān)節(jié)相連，小腿與大腿通過膝關(guān)節(jié)相連，當(dāng)機器人垂直跳躍時，不僅可以儲存一定勢能，還可以保證整體的抗沖擊載荷能力，實現(xiàn)了多用性原理，機體空間合理，結(jié)構(gòu)緊湊，可適應(yīng)大多地形，同時保證其運行速度。

圖7 液壓四足機器人整體骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計Figure 7 Design of the overall skeleton structure of hydraulic four-legged robot

通過依次對3組工程特性沖突進行消解，得到了液壓四足機器人優(yōu)化設(shè)計方案，該方案機體結(jié)構(gòu)緊湊，改進了傳統(tǒng)四足機器人單一懸掛式運輸方法，采用懸掛與內(nèi)儲并存模式，提高了機器人整體的物資儲備空間。利用TRIZ對其中存在的工程特性沖突進行消解，相對于傳統(tǒng)依賴設(shè)計者直覺與經(jīng)驗的設(shè)計方法，TRIZ更加科學(xué)有效地消解沖突。同時，整機采用不同的材料設(shè)計，可適應(yīng)野外多變的氣候環(huán)境，減輕在行進過程中受到的沖擊與振動，提高了機器人整體性能。

5 結(jié)束語

本文采用質(zhì)量屋、TRIZ理論與定量優(yōu)先度分析的集成方法，解決了產(chǎn)品設(shè)計中的工程特性沖突，形成滿足要求的機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。這種集成設(shè)計方法應(yīng)用質(zhì)量屋發(fā)掘用戶需求，基于加權(quán)歐氏距離對創(chuàng)新方案進行遴選，運用TRIZ理論解決產(chǎn)品工程特性的沖突問題，最后形成滿足要求的液壓四足機器人結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方案。該集成設(shè)計方法在一定程度上彌補了單一產(chǎn)品設(shè)計理論的局限性，消解工程特性沖突問題，有助于企業(yè)盡快研發(fā)出適應(yīng)市場需求的產(chǎn)品，通過液壓四足機器人的創(chuàng)新方案分析，優(yōu)化設(shè)計流程，為產(chǎn)品設(shè)計提供了新的研究方向。