运用TRIZ理论的蔬菜苗嫁接机设计

石 磊，雷良育，李 佳

(浙江农林大学工程学院，浙江临安 311300)

嫁接技术是克服农作物、水果、蔬菜连茬病害和低温障碍的最有效途径，使其抗病能力增强，增产效果显著，被广泛应用于西瓜、黄瓜、甜瓜、茄子、西红柿的栽培中。但人工嫁接速度慢、费工费、效率低等。嫁接机技术是集机械、自动控制与设施园艺于一体的高新技术。它可在极短的时间内将茎秆直径仅为几毫米的砧木、穗木切成合乎要求的切口，并将两者的切口快速、准确地结合到一起，使嫁接速度大幅度提高。同时由于砧、穗木接合迅速，避免了切口长时间氧化和苗内液体的流失，从而又可大大提高蔬菜苗嫁接成活率。因此，自动嫁接技术被称为嫁接育苗的革命性技术［3］。

本文所提及的嫁接机是在原中国农业大学研制的第一代嫁接机样机基础上进行改进的嫁接机。改进后的嫁接机利用贴接法针对黄瓜苗、丝瓜苗的穗木苗种和黒籽南瓜的砧木进行嫁接。因改进后的嫁接机还存在诸多的不足和缺陷，采用TRIZ理论指导本嫁接机的创新改进，解决系统设计和创造中的疑难问题，加快产品的创新速度。

1 TRIZ理论

TRIZ(系俄文字母对应的拉丁字母缩写)意为解决发明创造问题的理论，起源于苏联，英译为theory of inventive problem solving，英文缩写为TIPS。它是由前苏联发明家阿奇舒勒在1946年创立，阿奇舒勒因此被尊称为TRIZ理论之父［10］。TRIZ理论被西方国家称为神奇的“点金术”。经过多年发展，TRIZ理论已经发展成为解决技术问题或发明问题的强有力的方法学理论，已解决了前苏联、美国、欧洲、日本等国家许多企业成千上万个创新难题［1］。

1.1 冲突及其解决原理

阿奇舒勒将冲突分为管理冲突、技术冲突和物理冲突。

1)管理冲突。管理冲突是指这样的一种场景:根据现场的情况，从内心认为需要做一些事情以获得希望的结果或避免某些现象的发生，但却不知如何去做，即没有发现可以解决问题的任何方法。TRIZ没有提供直接求解管理冲突的方法，即TRIZ主要考虑的是后两类冲突:技术冲突和物理冲突。

2)技术冲突。现实中有许多这样的例子:想吃一份好菜，但太贵;想穿一件时髦的衣服，但太过招摇;想坐车，但有人说应该步行，因为坐车会影响环境等。当人们试图用某种方法去实现所需要的功能(有利效应)却产生了另一方面的不足(产生了不利效应)时，TRIZ就称之为出现了技术冲突。

3)物理冲突。物理冲突与技术冲突有着截然不同的定义。物理冲突只涉及系统中的一种性能指标，其矛盾在于:为了某种功能的实现，对某个性能指标提出完全相反的要求(或对该子系统或部件提出了相反的要求)［2］。

冲突解决流程见图1。

图1 冲突解决流程

1.2 物－场模型分析

TRIZ中所谓的物－场模型指的是构成功能各组件之间关系的模型，而物－场模型分析则是对技术系统内部各构成要素之间相互关系和相互作用进行分析的一种方法［5］。

阿奇舒勒通过对功能的组成特点进行研究，发现并总结了3条定律:① 所有的功能都可以分解为3个基本元素(S1，S2，F);② 一个存在的功能必定由这3个基本元素组成;③将相互作用的3个基本元素进行有机组合将形成一个功能［4］。举例说明建立吸尘器清洁地毯的物－场模型。在本例中地毯是需要改变的对象(改变其清洁度)，所以地毯是工件(S1);吸尘器的吸头直接作用于地毯，它是工具(S2);而其中的场则与所采用的效应有关，如果是静电吸尘器，采用的是静电场(F1)，如果是真空吸尘器，则是压力场(F2)等［7］。

利用物场模型方法对技术系统分析后，可以将其归纳到不同的类别中。对于每种类别来说，它们都有自己特别的、规范的解题方法，即为标准解［8］。显然标准解具有特定性、通用性和普遍性等特点，这些特点使得物场分析与标准解在解决实际问题时更具有广泛性［6］。物场模型解题模式见图2。

图2 物场模型的解题模式

2 TRIZ理论在蔬菜苗嫁接机中的应用实例

2.1 嫁接机的主要机械机构及运作步骤

本嫁接机机械部分有3个关键部分，即砧、穗木苗切削机构，推夹机构和供苗台机构(图3)。推夹机构的整体设计是整个嫁接机最核心和最关键的部分，因为推夹机构的精度和质量直接影响嫁接的成败。经过调试试验证明:该机构可以基本保证嫁接所需的要求，但其稳定性一般，故障率偏高，所以推夹机构的优化是后续需要不断探索和研究的主要内容。韩国同类型的产品，其嫁接的可靠性更高，故障率更低，实用性更强，最关键在于其推夹部分的设计更合理。

本嫁接所采用的是砧、穗木苗分切机构。这样不仅减小了每个切削机构的切削阻力，而且可使砧、穗木分开调试，使得维护更方便，同时设计的合理性并没有影响嫁接机的工作效率。

供苗台机构的设计对于提高嫁接机工作效率起着至关重要的作用，不应该被忽视。原中国农业大学样机采用的是两侧对称供苗的方式。该方式保证了切削的位置，提高了砧、穗木嫁接的精度，最重要的是使得操作人员操作起来更方便。本嫁接机所采用的是单侧(穗木)供苗机构，砧木部分没有设置供苗机构。这样就无法保证一个固定的切削位置，需要操作人员仔细观察，因而对操作人员的要求比较高，可靠性较低，增加了劳动强度，并在一定程度上降低了安全性。

由于本嫁接机搬运机械手的回转驱动采用的是双气缸上下串联的结构，对加工精度和装配精度要求很高，而实际上都无法达到所要求的精度。同时，气缸旋转时产生的冲击力对机构造成的影响很大，无法保证嫁接所需的高精度，因此总体的稳定性和准确度不高。

本嫁接机完成嫁接涉及到砧木苗、穗木苗的夹推、搬运，以及夹子的推送，而嫁接机的机构总成又事关嫁接是否成功，所以可以利用TRIZ理论中的矛盾分析法和物－场解决原理来讨论。

图3 自主设计的蔬菜苗嫁接机

2.2 嫁接机嫁接过程中所涉及到的技术冲突

在本嫁接机的嫁接过程中涉及到的技术冲突主要有:砧木苗、穗木苗的供苗速度慢，嫁接效率低，需要依靠2个人在两侧供苗，若是增加供苗的人数，供苗速度加快，效率有所提升，但却浪费了劳动力，耗费人力资源，增加了成本;搬运砧木和穗木苗的机械手臂是由气缸驱动，在嫁接过程中噪声大，而且精度不高，若是对气缸进行改进，使其噪音减小，精度提升，则会使得操作繁冗，技术难度增加，成本增加;整个嫁接机的工作台较小，效率不是很高，若是扩大工作台的面积，虽会提高效率，但同时会带来机器质量的增加，移动困难等问题。依照 TRIZ理论对39个工程参数描述如下:

希望改进的参数:静止件的体积(NO.8);速度(NO.9);结构稳定性(NO.13);制造精度(NO.29);生产率(NO.39)。

以上5种参数的改善将导致如下4种参数的恶化:静止件的质量(NO.2);物质的损失(NO.23);可制造性(NO.32);可操作性(NO.33)。

2.3 运用阿奇舒勒冲突矩阵选取合适的发明原理

嫁接机机构的技术冲突见表1，需要改进的参数为 8、9、13、29、39，带来的恶化参数有 2、23、32、33。根据阿奇舒勒冲突矩阵所列举的发明原理可选择发明原理 14、28、40。

1)发明原理14。曲线、曲面画法:在供苗时采用一个圆盘式的机构，在圆盘的边缘可以夹持多支木苗，圆盘转动，实现对木苗的步进输送。这样提高了生产率，减少了人力资源的浪费，使得结构更合理化。

2)发明原理28。机械系统的替代:这里主要是指用转盘式的夹苗机构来替代人力的供给，这样既减少了物质资源的浪费，又提高了生产效率。

3)发明原理40。复合材料:在增大工作台体积的同时也增加了装备的质量，使得移动较困难，换成复合材料后，既扩大了工作台的面积，也提高了产量，而且还能使得整体装备的质量不会有大的提升。

表1 冲突解决矩阵(部分矩阵)

将发明原理应用到本嫁接机工作台表面，如图4所示。

图4 嫁接机工作台表面简图

2.4 嫁接机系统内物－场分析模型

嫁接机整体嫁接的工作过程包括砧木、穗木苗的夹取、切削、搬运，进而通过推夹装置推动苗夹进行嫁接。整个工作流程采用电机与气缸共同作用完成嫁接，当苗夹实现对木苗的嫁接，还要通过气缸使其松开，然后通过传送带滑下。在这个系统流程中，苗夹对顺利推送起着关键性的作用。

嫁接机整体系统中必存在小问题引起的冲突，这就需要采用物－场分析模型来进行分析(图5)。首先建立模型，其中:S1为夹苗推送装置;S2为夹苗;F表示机械能。若S2夹苗在S1推送装置中被卡住或是运行不平滑受阻，则会导致整个嫁接过程的停滞或失败，所以有必要引进推杆导轨S3。

图5 夹苗推送机构对夹苗的物－场分析模型

2.5 嫁接机机构整体的设计方案

嫁接机的整体结构包括电机、苗木搬运机械臂、切削机构、砧木苗盘夹持装置、苗夹推送装置以及苗夹，传送带等。图6所示是用solidworks绘制的三维模型。

图6 嫁接机整体机构三维模型

改进后的嫁接机较之前更加人性化，不仅提高了生产效率，减少了人力、物力资源的损失，而且在机器本身的美观度上也得以大大改进(图7)。总之，TRIZ理论在嫁接机的改进中得以充分应用，且效果良好。

图7 改进嫁接机样机

3 结束语

TRIZ理论包括发现设计中的问题、冲突及解决冲突的发明原理和物－场分析模型。在加速开发新型农林业新产品的过程中，TRIZ理论作为创新理论作出了突出贡献。TRIZ理论将创新思想进行了科学的整理与提炼，为现代机械机构创新设计开创了一套可行、可靠的科技理论指导体系［9－12］。本文将冲突解决原理、阿奇舒勒矛盾矩阵模型以及发明原理等充分应用于嫁接机的设计创新改进中，并且分析了系统存在的中小问题，用物－场模型原理建立理论模型来解决实际问题。在具体问题的研究上，首先对技术冲突进行了确认，借鉴标准的工程参数选择相对应的发明原理，在发明原理的基础上确定嫁接机的改进设计方案，最终确定嫁接机构的总体结构，并且完整制造出新的样机。TRIZ理论在本嫁接机中的实际运用证实了其在创新设计中的重要意义，也使得TRIZ理论与实践相结合的思想观念显得尤为重要。

［1］沈萌红.TRIZ理论及机械创新实践［M］.北京:机械工业出版社，2012.

［2］徐起贺，任中普，戚新波.TRIZ创新理论实用指南［M］.北京:北京理工大学出版社，2011.

［3］张铁中，徐丽明.大有前景的蔬菜自动嫁接机器人技术［J］.机器人技术与应用，2001，6(2):14－21.

［4］檀润华.TRIZ及应用技术创新过程与方法［M］.北京:高等教育出版社，2010.

［5］Savransky S D.Engineering of Creativity:Introduction to TRIZ Methodology of Inventive Problem Solving［M］.Boca Raton:CRC Press，2000.

［6］Zlotin B，Zusman A.Instruments for Designing Con-summate Systems［EB/OL］.TRIZ Journal，2008(4)［2010 －09 －27］.http://www.triz-journal.com/ar-chives/2008/04/03.

［7］Leon N.Trends and Patterns of Evolution for Product Innovation［EB/OL］.［2010 －09 －27］.http://www.trizjournal.com/archives/2006/10.

［8］SAVRANSKY S D.Engineering of Creativity［M］.Boca，Raton:CRC Press，2000.

［9］HUA Zhong-sheng，YANG Jie，HUANG Fei-hua.Partial Flex-ible Technology Selection in Product Lifecycle［J］.Chinese Jour-nal of Management Science，2003，11(2):76－80.

［10］闫晓玲，王望龙.基于TRIZ和Pro/Innovator平台的产品创新设计［J］.机床与液压，2009(7):192－195.

［11］Gregory Frenklach .A new problem-solving algorithm［EB/OL］.http//www.triz-journal com/2007.

［12］李祥松，刘杨，冯霏，等.TRIZ理论在压缩机小孔消音盖设计中的应用［J］.机床与液压，20010(5):61－63.