基于TRIZ理论的服务机器人创新实践教学研究

毛丽民 刘叔军 杨海萍 陈勇

摘  要：針对我国高校机器人教育起步晚，学生在机器人创新实践教学中表现出创新能力不足的问题，文章将TRIZ理论应用于服务机器人的创新实践教学中。文章以TRIZ理论的发明问题解决过程模型为依据，针对服务机器人得出了一套比较完整地创新设计方案，并对方案进行了实施及相关计算，并将分割原理、局部特性原理及动态性原理等创新原理应用于改进设计中，使改进后的服务机器人在自动化程度及稳定性上有了一定的提升。实践证明TRIZ理论的在创新实践教学中具有广阔的应用前景。

关键词：TRIZ理论;服务机器人;创新实践;教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）05-0039-03

Abstract： In view of the late start of robot education in colleges and universities in China， students show insufficient in innovation ability in the practice of robot innovation practice. TRIZ theory is applied to the innovative practice teaching of service robots. In this paper a set of relatively complete innovative design solutions for service robots is obtained based on the TRIZ theory's invention problem solving process model， the scheme was implemented and related calculations， and the innovative principles such as the principle of segmentation， the principle of local characteristics and the principle of dynamics were applied to the improved design， had a certain improvement in the degree of automation and stability. Practice has proved that TRIZ theory has broad application prospects in innovative practice teaching.

Keywords： TRIZ theory; service robot; innovation practice; teaching

一、概述

随着科技及经济的迅猛发展，机器人将越来越多地应用于服务领域。在智能家居、社会治安、医疗陪护等方面中发挥了巨大的作用。

机器人教育逐渐成为国内外教育各界关注的热点。但总体而言，机器人教育在全球范围内都处于起步阶段。因此，在机器人课程资源开发方面缺乏系统的理论指导，导致机器人课程参差不齐，教学目标不明确[1，2]。

目前国内有很多高校新开设了机器人相关专业，进行机器人相关的教学，取得了很好的成果，但在机器人创新实践教学方面有待提高。针对该情况，本文提出了将TRIZ理论应用到服务机器人的创新实践教学中，利用该方法，开阔学生的设计思路，丰富教师的课堂教学。

二、TRIZ 理论分析

TRIZ作为一种不断发展的创新理论，为人们提供了一套完整的创新原理和解决技术难题的方法体系[3]。

TRIZ理论将产品创新设计问题抽象为发现和消除产品设计过程出现的矛盾，产品的创新设计以满足人的需求为目标，这个矛盾自然而然地就成为了科技进步与人类需求的矛盾，通过准确定义矛盾问题，借助TRIZ理论消除矛盾来获得产品创新，进而满足社会的需求[4]。解决路线见图1。

三、服务机器人项目分析

本文以服务机器人为教学案例，对目前的机器人进行功能分解。首先是该机器人的工作环境（需集成温度、烟雾等传感器）;然后该机器人的服务对象（医护人员与病人）;最后机器人的功能要求（将工作环境通过摄像头发送到上位机，机器人能识别人体动作，根据识别到的动作，机器人能自主的运动）。具体功能分解如表1所示。

该服务机器人Kinect采用全新空间定位技术的3D体感摄像头，利用即时动态捕捉、影像辨识等功能，系统通过手势向机器人下达指令，传感器实时捕捉使用者的动作达到输入功能，摆脱了传统输入设备的束缚。上位机利用LabVIEW处理数据，下位机执行命令。系统工作流程如图2所示。

目前存在的主要问题：1. 随着人的抖动，会导致摄像头的手势识别出现误差和错误，输出的骨骼图将会发生偏折，造成不稳定的问题;2. 自动化的程度较低，整个操作过程还不太流畅。

解决方案：1. 与RGB图像相比，深度图像具有物体三维特征信息。由于深度图像不受物体表面的发射特性及光源照射的影响，识别手势更加准确稳定。2. 为了尽量避免、减轻骨骼图成像错乱的问题，该设计在Kinect程序初始化阶段就为其加入了骨骼平滑算法，该算法将会互相约束骨骼点的间距，根据现有的骨骼点推算其余骨骼点的位置，保持骨架呈现的比较完整。3. 系统控制器采用STC单片机，具有高速、低功耗、抗干扰能力强等特点。利用LabVIEW实现数据采集、数据分析、串口控制、GPIB、数据存储及数据显示等功能，提高医疗服务机器人的自动化程度。

四、基于TRIZ理论的服务机器人改进研究

在整個的教学研究过程中，为了实现医疗服务机器人更多的功能及应用，充分的利用了TRIZ理论创新办法，在教学中设计出了一份创新的设计方案[5]。

（一）基于分割原理的改进

分割原理是使物体成为可组合的（易于拆卸和组装）的部分。在一个完整的系统中，当其中一部分存在问题的时候，需要将整个系统分割成若干的部分，将其中有害或有益的部分抽取。为了使医疗服务机器人的结构功能框架更加的完善，将其分割成控制器最小系统、电源电路系统、电机系统、模拟舵机系统、驱动系统和稳压系统。系统模块分割如图3所示。同样的，当模块的某一部分出现问题时，需要将其单独拿出，具体分析并且完备功能。在设计的过程中会出现摄像头的手势识别出现误差和错误，输出的骨骼图将会发生偏折，造成不稳定的问题，在解决问题的时候需将其单独抽出。

（二）基于局部特性原理的改进

局部特性原理是将物体或外部环境的同类（均匀）结构转换成异类（非均匀）结构。在方案的设计中，使系统各个模块部分充分的展现其功能，需要将其中的一些部分另行加工处理。在方案的考虑中手势识别是一个关键的部分，如果手势识别出现了问题，就会出现机器人判断失误，最终做出错误的路径运动，致使机器人出现人机交互问题，导致其的决定动作与医患的目的不相同。因此基于TRIZ理论中的“局部特性原理”创新办法，利用Kinect体感设备，其采用全新空间定位技术的3D体感摄像头，利用即时动态捕捉、影像辨识等功能，实时捕捉使用者的动作达到输入功能，摆脱了传统输入设备的束缚，最终完善了系统，提高了稳定性。

（三）基于动态性原理的改进

动态性原理是使物体或其环境自动调整，以使其在每个动作阶段的性能达到最佳。为了增加医疗服务机器人操作流程的方便性，在靠背和抬脚部分通过舵机控制其状态设计了轮椅与病床自动转换装置，仅需一个简单的手势指令便可使其间进行自由的转换。为了展示明显的实验效果，状态切换没有加入过渡过程，当轮椅接收到指令后，轮椅靠背及腿部托板在舵机的带动下直接翻转。实现了整个装置的操作的流畅性，提升了自动化程度。机器人座椅模式和病床模式切换过程如图4所示。

（四）基于物理矛盾原理的改进

物理矛盾是在一个技术系统中对同一个参数提出了相反的或是不同的要求时出现。当机器人识别手势和执行命令时，为了更加精确的完成工作，必定会希望其的运行速度慢下来，是一个低速的过程。而当机器人执行命令时，会对其的反应速度和执行速度做出一定的要求，是一个高速的过程。因此从中可提取出速度的快与慢构成了一组物理冲突。经过分析，问题被转化为TRIZ理论中的物理冲突问题。

TRIZ矛盾矩阵表：用来解决技术矛盾，即不同参数之间有矛盾。将发明原理与技术矛盾之间的对应关系描述出来，就可以直接使用那些对解决所遇问题的技术矛盾最有效的发明原理[6]。对于表2中的矛盾参数，其所用的发明原理分别为第1、2、3、8、11、12、13、15、16、18、21、24、27、28、30、33、34、35条发明原理。

本教学案例很好的解决了以下几个方面的问题：1. 稳定性有了较高的提升;2. 速度得到了更有效的控制;3. 自动化的程度有了明显的提高;4. 操作流程的方便性得到了改观。

五、结束语

本文将TRIZ理论创新工具引入到教学中，为医疗服务机器人的创新设计提供了新的思路，该作品在中国机器人大赛中获得医疗创新组的冠军，验证了相应的技术方案的可行性。目前高校致力于对于学生创新能力的培养，而TRIZ 理论是一种能有效改进高校创新教育的方法，有助于推动高校创新教育的建设，完善高校创新教育体制[8]。

参考文献：

[1]彭建盛.机器人课程教学资源创新实践教学研究[J].中国现代教育装备，2018（07）：23-25.

[2]田洋洋.TRIZ理论与大学生创新能力的培养研究[J].黑河学院学报，2017，5：9-10.

[3]贾洁，万一品，宋绪丁，等.基于TRIZ理论的按摩椅创新设计方法研究[J].包装工程，2015，36（20）：61-64+83.

[4]黄水平，刘晓敏，罗祥.基于TRIZ和基因进化理论的产品功能原理创新[J].中国工程机械学报，2016，14（04）：288-294.

[5]刘嘉伟，王余瑛.基于TRIZ理论的智能化产品设计[J].化工自动化及仪表，2018，45（01）：73-76+86.

[6]张乐，孙志学，胡成朵，等.TRIZ理论在老人购物车设计中的应用研究[J].机械设计，2017，34（12）：126-128.

[7]程浩杰，王成军，陈孝  ，等.基于TRIZ理论的搬运机器人优化设计[J].安徽科技，2017（03）：49-52.

[8]吴文浩.TRIZ理论在大学生创新创业教育中的应用思考[J].淮南职业技术学院学报，2018，18（1）：81-82.