左斌，陳艷軍

(1. 蘇州市職業(yè)大學機電工程學院，江蘇蘇州，215104； 2. 江蘇省3C產(chǎn)品智能制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇蘇州，215104)

0 引言

隨著我國人民生活水平不斷提高，以及果類培植技術(shù)的提升，水果需求量和產(chǎn)量近年來穩(wěn)步增長[1]，如2019年國內(nèi)水果總產(chǎn)量已達25 000萬t以上[2-3]，采收工作時間緊急且量大。為提高適宜采收期內(nèi)的采摘效率，各種類型的水果輔助采摘機械應運而生[4-6]，而這些采摘機械中的核心部件是末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器是水果采摘機械中完成水果抓取功能的組件，具體包括定位、抓取、采摘和復位等動作的執(zhí)行，但市面上常用的簡易型采摘器所配置的末端執(zhí)行器多是靠人力控制以實現(xiàn)功能，其自動化程度低，采摘耗時耗力。

蘇聯(lián)發(fā)明家Altshuller及團隊成員在對各國近250萬件專利分析的基礎(chǔ)上提出了一套問題解決理論，即創(chuàng)造性問題解決理論TRIZ[7-8]。創(chuàng)造性問題解決理論TRIZ中常用的解決原理有技術(shù)沖突理論和物場模型分析問題工具，例如，夏文涵等[9]結(jié)合物場模型分析工具和矛盾沖突理論對管道機器人檢測模塊提出了創(chuàng)新設(shè)計方案，于菲等[10]提出基于知識的多層次裁剪理論，并應用該理論對架橋機進行了創(chuàng)新驗證，蘇開遠等[11]對鼠標再制造裝置應用矛盾矩陣和物場模型分析工具進行可拆卸設(shè)計。上述學者均利用TRIZ理論工具進行了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計并取得了技術(shù)創(chuàng)新，故針對現(xiàn)有采摘執(zhí)行器在采摘過程因無法控制水果采摘壓力導致水果易損傷的問題，應用TRIZ矛盾沖突理論和物場模型分析方法進行采摘執(zhí)行器的創(chuàng)新設(shè)計。

1 基于TRIZ的采摘執(zhí)行器求解流程

在產(chǎn)品設(shè)計和使用過程中常會出現(xiàn)各種沖突問題，而TRIZ中的矛盾沖突理論是一種常用的解決沖突問題的求解方法。根據(jù)矛盾沖突問題的類型可分為技術(shù)矛盾和物理矛盾[12]。技術(shù)矛盾是運用TRIZ的40個發(fā)明原理求解；物理矛盾是運用4大分離原理將矛盾體分離求解。TRIZ理論中的功能分析工具——物場模型，可用于解決工程系統(tǒng)中存在的功能問題。本文在綜合矛盾沖突理論和物場模型兩種問題求解方案的基礎(chǔ)上，提出了基于TRIZ的采摘執(zhí)行器的求解流程，如圖1所示。

圖1 基于TRIZ的采摘執(zhí)行器的求解流程Fig. 1 Process of problem solving of picking end-effector based on TRIZ

1.1 分析問題

通過TRIZ系統(tǒng)組件方法分析出該系統(tǒng)的功能，并在功能分析基礎(chǔ)上識別出系統(tǒng)組件、子系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件。為進一步了解各個系統(tǒng)組件間的相互作用和關(guān)系，運用功能模型分析出該系統(tǒng)中的非正常功能，包括不足功能、過量功能和有害功能。

1.2 解決問題

根據(jù)功能模型分析出的非正常功能的不同類型，應用TRIZ工具分別制定合理的求解策略。其中常用的求解工具有矛盾沖突理論和物場模型分析等。而矛盾沖突理論又分為技術(shù)沖突和物理沖突。

1) 技術(shù)沖突理論。技術(shù)沖突是指當技術(shù)系統(tǒng)中的一個參數(shù)或性能被改善時，系統(tǒng)中的另一參數(shù)或性能則出現(xiàn)惡化。解決技術(shù)沖突的方法是將分析問題時所產(chǎn)生的矛盾轉(zhuǎn)化成通用型的TRIZ模型—技術(shù)沖突，然后利用TRIZ中的39×39通用參數(shù)矛盾矩陣，查找到相應的發(fā)明原理編號，根據(jù)該編號對應的“發(fā)明原理描述”所給的提示內(nèi)容，最終找到合適的沖突問題的求解方法[12]。

2) 物理沖突理論。物理沖突是指技術(shù)系統(tǒng)出現(xiàn)相反要求的矛盾現(xiàn)象，即系統(tǒng)中產(chǎn)生兩個物理要素上的沖突。物理沖突的常用解決方法是運用四大分離原理實現(xiàn)矛盾體分離，其中四大分離原理是從時間、空間、條件以及整體與局部等四方面分類。具體求解步驟為：(1)明確物理沖突參數(shù)；(2)定義物理沖突類型；(3)求解物理沖突。

3) 物場模型分析方法。物場模型是利用場或效應建立已知系統(tǒng)之間的關(guān)系模型，用特殊的圖形符號表示系統(tǒng)組件間的功能關(guān)系。典型的物場模型由兩個物質(zhì)(S1、S2)和一個場(F)組成。根據(jù)建立的物場模型分析系統(tǒng)是否完整有效，將非有效的物場模型分為不完整模型、不足模型和有害模型三種[13-14]，并利用第1類標準解對不完整模型和有害模型求解，利用第2類或第3類標準解對不足模型求解。

根據(jù)以上三種TRIZ分析工具得出多種求解方案，綜合各個方案的優(yōu)缺點和實用性，選擇最佳創(chuàng)新方案。

1.3 評價方案

對選擇的創(chuàng)新方案進行科學評價，進一步驗證有效性。常見評價方式有仿真驗證或試驗驗證。仿真驗證用于方案的初步可行性評價，若仿真結(jié)果合理，則進一步采用試驗驗證方案的有效性；若不合理，則需返回到圖1求解流程二，重新分析系統(tǒng)組件和求解策略。

2 采摘執(zhí)行器的創(chuàng)新設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組件功能分析

通過對市面上現(xiàn)有水果采摘器的調(diào)查以及對水果采摘器相關(guān)專利檢索后發(fā)現(xiàn)，采摘器以簡易型為主，其執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)多數(shù)為爪頭型。這類執(zhí)行器主要由爪頭、爪座、鋼絲繩、彈簧等部件組成，先由爪頭靠近水果，人力作用于鋼絲繩使爪頭將水果抓緊，并在彈簧的作用下保持爪頭的張力，最后人力拉拽爪頭完成采摘；采摘完成后，手動釋放鋼絲繩拉力，從而松開爪頭。

運用TRIZ系統(tǒng)組件分析方法對采摘執(zhí)行器進行功能分析，識別出采摘執(zhí)行器的系統(tǒng)組件、子系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件。如表1所示，采摘執(zhí)行器屬于工程技術(shù)系統(tǒng)，其功能為抓取。對執(zhí)行器的系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件間的相互關(guān)系進行分析，列出執(zhí)行器的相互關(guān)系矩陣表以便更直觀地了解組件間作用，如表2所示。

依據(jù)上述的系統(tǒng)組件分析以及關(guān)系矩陣表，最終得出采摘執(zhí)行器的功能模型，如圖2所示。從圖2可以看出，采摘執(zhí)行器的主要功能為鋼絲繩收緊爪頭實現(xiàn)水果的抓取。不足功能為：鋼絲繩收緊時力度不穩(wěn)定、爪頭對水果過度擠壓有損傷風險。為徹底創(chuàng)新不足功能，采用TRIZ的沖突理論和物場模型來尋找解決方案。

表1 采摘執(zhí)行器組件分析Tab. 1 Component analysis of picking end-effector

表2 采摘執(zhí)行器相互關(guān)系矩陣Tab. 2 Correlation matrix of picking end-effector

圖2 采摘執(zhí)行器的功能模型Fig. 2 Functional model of picking end-effector

2.2 運用TRIZ工具解決問題

1) 技術(shù)沖突分析。根據(jù)技術(shù)沖突理論明確改善和惡化要素，將其要素轉(zhuǎn)化成TRIZ中的39個通用參數(shù)，然后通過通用參數(shù)組成的矛盾矩陣表查找相應的發(fā)明原理求解技術(shù)沖突。結(jié)合采摘器的結(jié)構(gòu)，選擇改善采摘執(zhí)行器的力度穩(wěn)定性，即需要增加力度控制模塊提高爪頭抓取動作的穩(wěn)定性，但會使執(zhí)行器整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和裝配變得復雜，因此產(chǎn)生沖突：改善的是爪頭穩(wěn)定性；惡化的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和裝配變復雜。將改善和惡化的部分轉(zhuǎn)變成TRIZ技術(shù)矛盾矩陣表中的一般參數(shù)：改善參數(shù)為可靠性；惡化參數(shù)為復雜性。查閱阿奇舒勒矛盾矩陣表，得出3種發(fā)明原理的解決方法，如表3所示。

2) 物理沖突分析。結(jié)合物理沖突理論分析現(xiàn)有簡易型采摘器的爪頭結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)爪頭尾部只有一根采摘桿情況下，只能完成單一的抓取動作，無法同時完成抓取、拉伸或扭轉(zhuǎn)動作，因此需要設(shè)計一種結(jié)構(gòu)能夠同時實現(xiàn)水果抓取和扭斷果梗的功能。這時，爪頭的尾部需要安裝兩個動力部件，而爪頭尾部只能連接一個動力部件，故而產(chǎn)生空間上的矛盾沖突。利用空間分離原理，進行如下改善：保留現(xiàn)有爪頭上控制抓取動作的動力部件，在爪頭尾部增加爪座部件并增設(shè)拉伸或扭轉(zhuǎn)動作的動力部件，通過空間分離，解決物理沖突。

3) 物場模型分析。依據(jù)系統(tǒng)組件功能模型建立爪頭抓取水果的物場模型，由于簡易型爪頭只能實現(xiàn)單一的水果抓取功能，無法對水果抓取時的夾緊力進行控制，所以該物場模型為有用但效應不足的功能模型，如圖3所示。TRIZ理論中對于該類型可采用第2類或第3類的標準解來替代或補充不足效應，針對該模型可采用S2.1轉(zhuǎn)化成合成物場模型，在原模型中引入另一個場F2“力場”和另一個物質(zhì)S3“傳感器”來增強爪頭抓取的物場效應，使得爪頭抓取水果的力度可控，如圖4所示。

表3 運用發(fā)明原理得到的解決方案Tab. 3 Solution obtained by applying inventive principles

鋼絲繩對爪頭的作用物場模型如圖5所示，因爪頭的三個爪片連接著鋼絲繩，而每根鋼絲繩的疲勞壽命不同，因此無法確保各個爪片的運動角度相同，加上人力操控低效，所以該物場模型也是有用但效應不足的功能模型。對該物場模型進行改善：應用第3類標準解S3.1雙系統(tǒng)和多系統(tǒng)轉(zhuǎn)化與S2.2更易控制的場來增強物場模型，將鋼絲繩對爪頭的收緊機械控制改進為F1“電場”控制，提高抓取水果的控制性能；引入F3“電場”和S4“旋轉(zhuǎn)電機”物質(zhì)實現(xiàn)爪頭扭轉(zhuǎn)果梗，增強物場模型，如圖6所示。

圖3 效應不足的爪頭物場模型Fig. 3 Insufficient substance-field model of picking head

圖4 有效的爪頭物場模型Fig. 4 Effect substance-field model of picking head

圖5 效應不足的鋼絲繩物場模型Fig. 5 Insufficient substance-field model of wire

圖6 有效的鋼絲繩物場模型Fig. 6 Effect substance- field model of wire

2.3 采摘執(zhí)行器創(chuàng)新方案

利用TRIZ技術(shù)沖突“分割”發(fā)明原理以及爪頭抓取水果的物場模型分析可得出相同的解決方案：在爪頭上套設(shè)壓力傳感器，實現(xiàn)爪頭抓取的力度可控。運用物理矛盾沖突“空間分離”原理以及鋼絲繩對爪頭的物場模型分析得出解決方案，在爪座結(jié)構(gòu)上增設(shè)拉伸或扭轉(zhuǎn)的動力部件，增加爪頭扭斷果梗的功能。

綜合上述方案，最終得出基于TRIZ的采摘執(zhí)行器創(chuàng)新方案，新設(shè)計的采摘執(zhí)行器由抓取電機、旋轉(zhuǎn)電機、爪頭、傳感器和爪座等部分組成，其中爪頭上套設(shè)防水果損傷的軟膠以及控制抓取力度的傳感器，爪頭的張開和閉合通過抓取電機實現(xiàn)，水果的果梗擰斷通過旋轉(zhuǎn)電機實現(xiàn)，如圖7所示。

圖7 采摘執(zhí)行器創(chuàng)新方案Fig. 7 Innovative design for picking end-effector1.爪頭 2.傳感器 3.爪座 4.抓取電機 5.旋轉(zhuǎn)電機

采摘執(zhí)行器的爪頭運動范圍影響采摘水果的大小，對其結(jié)構(gòu)進行計算分析，其運動簡圖如圖8所示。該執(zhí)行器有4個構(gòu)件和4個低副構(gòu)成，其中爪頭的兩個支撐距離為l1，爪頭旋轉(zhuǎn)點到滑塊的長度為l2，固定鉸鏈到滑塊的距離為h，滑塊移動的距離為S，l1的相位角為θ。

圖8 采摘執(zhí)行器運動簡圖Fig. 8 Motion diagram of picking end-effector

根據(jù)運動簡圖可以得出位移關(guān)系

(1)

進一步化簡得

(2)

(3)

設(shè)計時首先給出了h、l1和l2，根據(jù)水果直徑的大小確定了θ的范圍，代入式(3)中計算出S的移動范圍。根據(jù)其移動距離和采摘時間選擇了驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，電機的功率大小由式(4)確定。

(4)

式中：P——電機的功率；

T——采摘執(zhí)行器所需的扭矩；

ω——采摘執(zhí)行器的角速度；

J——采摘執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動慣量；

?——采摘執(zhí)行器的角加速度。

為提高采摘執(zhí)行器的采摘效率，選定了采摘時間為2 s，按照采摘執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)確定了轉(zhuǎn)動慣量1.5 kg·m2以及角加速2 rad/s2，所以由式(4)得出采摘執(zhí)行器所需的功率為4 W時可滿足要求。

3 評價方案

3.1 采摘執(zhí)行器的仿真分析

采摘執(zhí)行器的作用是利用爪頭完成水果的抓取和采摘作業(yè)，為驗證創(chuàng)新方案的合理性，有必要對其進行運動仿真。將Solidworks建立的采摘執(zhí)行器模型導入其motion環(huán)境下[15]，添加各個構(gòu)件間的運動副類型與電機驅(qū)動類型。

圖9是采摘執(zhí)行器的角速度隨著時間變化的曲線圖，在采摘執(zhí)行器爪頭夾緊動作過程中，角速度的變化值幾乎不變。圖10是采摘執(zhí)行器的角加速度曲線圖，在抓取的整個過程中，角加速度值變化很小，故說明爪頭在抓取過程中對水果無劇烈擠壓。通過仿真驗證初步說明該創(chuàng)新方案合理。

圖9 采摘執(zhí)行器的角速度曲線Fig. 9 Angular velocity curve of picking end-effector

圖10 采摘執(zhí)行器的角加速度曲線Fig. 10 Angular acceleration curve of picking end-effector

3.2 試驗驗證

根據(jù)采摘執(zhí)行器的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)制作了實物樣機，該采摘器的爪頭抓取水果大小范圍為40～80mm，試驗圖如圖11所示。

(a) 采摘壓力測試 (b) 室外采摘試驗圖11 采摘執(zhí)行器試驗圖Fig. 11 Experimental figure of picking end-effector

對該樣機分別進行采摘壓力測試和室外采摘試驗，圖11(a)為采摘壓力測試，采摘壓力測試在室內(nèi)進行，利用采摘爪頭上的壓力傳感器HX711AD測試爪頭抓取水果的壓力，得出合適的采摘壓力且不損傷水果。設(shè)定抓取力度每隔0.5 N增加，分別設(shè)定抓取壓力0.5 N、1 N、1.5 N、2 N、2.5 N和3 N，經(jīng)過多次測試后，確定了爪頭的抓取壓力值為2.5 N時采摘效果最佳且對水果無擠壓損傷。

圖11(b)為室外采摘試驗，試驗標準按照NY/T 1086—2006中的第5條采收標準進行，采摘對象為蘋果，采摘時間為30 min，利用伸縮桿將采摘執(zhí)行器送至水果附近進行機械采摘與人工采摘進行對比，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 人機采摘試驗Tab. 4 Manual and mechanical picking experience

從表3可以看出，創(chuàng)新設(shè)計的機械采摘執(zhí)行器采摘每個水果時間約為6 s低于人工采摘時間11 s，在相同時間內(nèi)機械采摘水果的成功率為93%高于人工采摘成功率。因此，創(chuàng)新設(shè)計的機械采摘執(zhí)行器滿足設(shè)計要求，提高了采摘效率，降低了人工勞動力損耗，為后續(xù)采摘器的研究提供了參考。

4 結(jié)論

1) 綜合應用TRIZ矛盾沖突理論和物場分析模型方法，設(shè)計了基于TRIZ理論的新型采摘執(zhí)行器。新型采摘執(zhí)行器主要由爪頭、爪座、傳感器和電機等組成，且采摘壓力可控。從而實現(xiàn)水果的無損自動抓取和采摘，同時適用于不同果品采摘作業(yè)。

2) 對采摘執(zhí)行器進行了運動仿真和試驗驗證，進一步證明了采摘執(zhí)行器的穩(wěn)定性和可靠性。試驗結(jié)果表明采摘執(zhí)行器的抓取壓力為2.5 N時采摘效果最佳且水果無擠壓損傷，在30 min的采摘試驗中，平均每個水果的采摘時間約為6 s，采摘成功率為93%。試驗表明，采摘執(zhí)行器的采摘效率和成功率符合采摘創(chuàng)新設(shè)計要求，為后續(xù)采摘器的研究提供了理論參考依據(jù)。