基于TRIZ 理论挤奶机器人行走机构的设计及分析

2020-11-30王子懿叶源涛王智慧

科学技术创新 2020年34期

王子懿罗寅叶源涛王智慧

（安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001）

手工挤奶的作业方式工作效率低且劳动强度[1]。依靠挤奶机械设备可满足日益增长的产量需求，并且能够提高奶源质量。TRIZ 理论是一种全面且系统化的能够为发明创造提供解决方案的新理论。TRIZ 可以开拓思路，挖掘创新潜能。通过TRIZ解决问题的案例有很多，邓学欣等利用TRIZ 对焊钳轻量化提供了思路，不仅让焊钳与工件发生干涉的机会变小，而且降低了生产成本，提高了点焊的质量效率[2]。贾丙琪等，应用TRIZ 对下肢外骨骼功能区结构以及尺寸做了优化设计，提高了下肢外骨骼使用的安全性与舒适性[3]。

1 问题分析

随着生活质量的提高，奶制品充斥着生活的各个方面，为了获得高质量优秀奶源，现代化养殖是大势所趋，传统人工作业效率低、且不能达到高品质奶源的质量要求，利用挤奶机器人代替人力，不仅能提高产奶效率，也能实现牧场自动化，养殖科学化。转台式挤奶机器系统占地空间大，移动不方便。管道式，移动式，活塞式挤奶机器系统操作对象单一，且需要人工干预。针对现有技术存在的不足，基于TRIZ 理论物理矛盾的分离原理，发明问题的标准解法，及物场模型分析设计出一种轨道式挤奶机器人行走机构，结构更加简单，减少了制造成本，缩小了工作空间，可以满足快速移动，精准定位作业目标。

2 TRIZ 理论分析

2.1 S 曲线预测分析

经图1 预测分析结果可以得知，最初挤奶方式为人工挤奶，从对奶牛习性的初步认识，到进一步的技术经验成长期，经历成熟的操作期，会被新型挤奶机构，挤奶机所代替，最终逐渐没落衰退。当一种技术系统经历S 曲线四个阶段后，即认识初期、技术成长期、操作成熟期、没落衰退期后必将会被新的系统所取代[4]。通过以上分析，得知轨道式挤奶机器人作业系统尚处于初期阶段，此阶段解决方案：利用机器人移动方便等优点，设计出轨道式行走机构，在轨道两端加装直线位移传感器，该系统合理布局，移动迅速，便于控制行走机构上端机械臂，准确定位作业目标。

2.2 因果分析法

发现出待解决问题背后的矛盾与逻辑，找出问题产生的根本原因，以此为突破点，采用因果分析法，梳理出非定量性鱼骨图。根据鱼骨图中功能模块，判别出问题参数，通过问题存在的有效性，确保机构设计合理性，功能完整性。图2 中反映出挤奶设备体积大、难操作、定位不精准等问题。

图1 挤奶方式发展的S 曲线

图2 鱼骨图分析

2.3 小人法

当整个系统内的部分组件不能很好的完成目标设定，就将其简化成小人模型，让具有能动性的小人到达预期目标[5]。根据现有挤奶设备，将其推演成小人模型，如图3 所示，用小人模型代替人工、挤奶设备、奶牛。并把小人进行重新组合来解决因果分析法中发现的问题，得到抽象的模型系统，如图4 所示。通过小人法的分析，打破了原有解决问题的思维定势。为了减少人力成本，同时要保持设备稳定性，就要使设备简单化，便于操作。为了快速定位目标，增加作业数量，可增设导轨和位移传感装置。导轨上可增设多条机械臂，同时作业多个对象。

图3 小人法问题模型

图4 小人法解决模型

3 物场分析及解决方案

3.1 建立问题模型

由因果分析得知，传统人工挤奶作业方式效率低，产奶质量不能标准化、统一化。且长期从事挤奶工作，会伤害到人的手部，腰部，甚至承受被奶牛攻击的危险。挤奶机的介入相比于单纯的人工作业，安全系数高，但只能满足小规模牧场的产量需求，且仍需要人工辅助。挤奶机设备自动化水平偏低，无法应用于大规模集中式养殖场，且移动速度较慢，无法精准快速定位牛棚所在位置，不能满足生产要求。问题模型如图5 所示。

图5 物场分析问题模型

3.2 解决方案

应用TRIZ 中创新原理与标准解，用电磁场与机械场代替了力场。解决方案如图x 所示，人工对挤奶机械臂及其末端执行器稍加干预，将原来的挤奶机由挤奶机械臂代替，同时加装轨道，把机械臂与轨道装配，轨道下方装有直线位移传感器，以来监测末端执行器是否到达正确工作位置[6]。解决了作业对象差异性，工作环境复杂性的问题，且实现快速定位，精准作业的目标，完成了小范围、多目标的设计要求。