巡检机器人的全周期设计与研究

张腾腾 程文婷

摘要：为规范巡检类产品设计流程，提升最终设计的用户满意度，实现结构分布合理、造型美观、使用人性化等目标，文章基于对巡检机器人全周期设计流程的系统分析，提出了一种将KANO模型、QFD（质量屋）与TRIZ相关理论融合的全周期设计流程模型。首先进行KANO问卷分析，得到提高巡检效率的用户需求及重要度排序，以此确定QFD的关键需求要素，然后利用质量屋对巡检机器人的质量特性进行映射，并对质量屋的用户需求与质量特性关系进行权重计算，确定重点设计要素。其次划分重点设计要素的矛盾矩阵，借助40条发明原理、技术知识和经验等，优化得出最终的创新设计方案。文章集成KANO和QFD理论，有效弥补了用户需求分析过于依赖感性的局限，并结合TRIZ理论缩短了解决巡检机器人矛盾的时间。应用结果表明，这种集成方法能有效指导巡检类机器产品的创新设计，提高产品设计的效率和质量。

关键词：KANO；QFD；TRIZ；巡检机器人；全周期设计流程

中图分类号：TP242；TM63 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）09-00-03

随着数字技术和人工智能的不断发展，巡检类机器人在变电站的应用场景越来越广泛。在巡检强度大的变电站，利用好现有巡检机器人，为传统人工巡检减负增效，为电网巡检人员及时获取设备状态提供准确依据，对大幅减少供电事故方面具有重要意义［1］。但目前国内市场上的大部分巡检机器人设计主要以功能为导向，从结构堆叠入手，未充分考虑巡检机器人适应巡检环境的潜在需求及行驶路况的复杂性和多元性［2］，同时驱动机构对环境感知器的干涉方面缺乏突破性的创新方案［3］。因此，如何从产品创新方法层面解决前述诸多问题及在设计过程中过于依赖设计者的经验和知识的问题，提高巡检机器人的巡检效率和用户满意度，值得进一步思考。

1 KANO、QFD、TRIZ的集成设计方法

基于产品创新设计流程的规范研究，学术界已有一定的成果。石元伍等利用KANO模型获悉了医疗服务机器人的关键用户需求及重要度，并在用户需求与质量特性矩阵分析上进行了成功的实践，提出了运用KANO理论能够较好地解决QFD中顾客需求满意评价信息不准确、不确定的问题［4］。刘宗明等利用KANO问卷分析，获取了较为准确的儿童家具轻设计用户需求，并基于TRIZ矛盾解决方法研究了儿童家具轻设计的矛盾冲突，建立了创新功能模型，得到了创新的儿童轻设计方法［5］。张彩丽等研究了TRIZ和QFD的集成模式，得到了确定及解决问题的创新设计新思路［6］。但总体上缺乏对全周期设计流程的探讨与实践，单一使用某种理论或集成其中两种理论，较少兼顾产品设计的整体流程，在获取关键需求和定义上会出现一定的偏差。

QFD作为用户需求与质量特性关系矩阵的分析方法，能够较为理想地分析出设计重点要素，但在用户需求获取上缺乏客观性和准确性，输出的设计重点要素也不具有解决矛盾的有效方法，因此，还需引入用户需求和设计矛盾解决方法。本研究引入TRIZ矛盾解决理论，可以较为理想地解决前述设计重点要素的矛盾，而引入的KANO模型则可以解决QFD中关键用户需求及其重要度数据，对用户核心需求的判断及后期设计决策具有重要意义。

本研究综合运用KANO-QFD-TRIZ集成方法。首先利用KANO模型确定关键用户需求及重要度，其次借助QFD方法将用户需求映射为质量特性，结合用户需求与质量特性矩阵的分析，输出其设计重点要素及矛盾问题，最后利用TRIZ矛盾解决理论，深入分析其设计重点要素之间的矛盾冲突，通过40条发明原理、技术知识和经验等优化得出最终设计方案。

2 基于KANO、QFD、TRIZ的巡检机器人设计

2.1 量化KANO获取用户需求重要度

本研究以变电站场景下的巡检机器人为例，阐述基于KANO-QFD-TRIZ集成理论对巡检机器人进行创新设计的过程。用户需求要素的提取是KANO问卷调查的关键步骤，对目标用户真实需求的反映，将直接影响KANO数据分析的准确性。本研究选取某变电站15名有丰富经验的巡检运维老员工进行需求访谈，根据主要性能、辅助性能、操作性需求和经济性需求进行分类，并对巡检机器人的用户需求进行收集和整理分析。

根据前述确定的用户需求开展KANO问卷调研，本次调查以某大型变电站的运维人员及维修人员为主要对象，发放问卷共计100份，回收有效问卷96份，问卷有效率为96%。问卷从主要性能、操作性、可靠性这三个方面设置了14个需求指标。KANO问卷设置为正反两个问题。正向为：如果满足某需求，你感觉如何？反向为：如果没满足某需求，你感觉如何？受访者分别从正反两个问题选择5项满意度的任意一项，这5项的满意度分别为很满意、理应如此、无所谓、不满意和很不满意。然后统计分析KANO调查问卷的结果，计算出平均满意度得分和不满意度得分。常见的需求分类是将满意度之间的关系与质量特性直接进行对应划分，属于简单的二维属性归类方式，当需求要素的正反两项数值接近时，容易误判属性分类。为提高需求重要度的准确性，根据KANO模型的定量参数公式计算出需求的重要程度，该定量参数公式可由某项需求的平均用户满意度和平均不满意度的平方表示。

通过KANO的分析结果，利用Better-Worse坐标（满足该需求时的平均用户满意度得分，未满足该需求时的平均用户满意度得分）系数来划分各个需求的属性区间：当Better＞2时，Worse＜2为必备因素；当Better＞2时，Worse＞2為期望因素；当Better＜2时，Worse＞2为魅力因素；当Better＜2时，Worse＜2为无差异因素。根据巡检机器人的Better-Worse坐标可知，巡检机器人设计首先满足因素可以实时监控环境、可以输出表盘等检查日志、遇到异常信号能够报警、具有较强的耐脏耐磨性能、安装方便快捷且成本不能太昂贵，其次满足因素适用室内和室外路况、能区分异常信号的源头和维修起来方便快捷，最后满足因素机器人可以定期自检报修、感知器不能受驱动底盘影响、可以更换组件升级和维护费用低。而对无差异因素具备改装的后续潜力来说，并不会影响用户满意度，可将具备改装的后续潜力因素删除。

2.2 基于KANO-QFD模型的质量特性映射分析

本研究以量化KANO得到的用户需求要素为基础，通过QFD拓展巡检机器人的功能特性，从而构建需求要素与功能要求的质量屋，以此得到功能要求权重及巡检机器人的设计重点。基于量化KANO提取的巡检机器人需求要素，对功能要求进行映射与拓展，旨在提升功能设计要求的合理性与转化质量。首先将一级用户需求要素映射为质量二级特征，然后拓展二级用户需求，并结合质量二级特征的类别划分得到质量三级特征。利用映射关系进行可视化拓展，可得出对应的质量特性。

质量屋是确定用户需求与功能特性关系的图示方法，能够较为直观地展示功能需求对相应用户需求的贡献和影响程度。质量屋的天花板采用巡检机器人功能要求要素，左墙采用用户需求要素。质量屋由6名资深巡检人员评分，将用户需求与功能要求的相关程度表示为强相关、中等相关、弱相关和无相关，分别记为5分、3分、1分和0分。依次计算二级功能要求的绝对权重，并分析用户需求重要度与功能要求关系指标，最终获得影响用户满意度的关键工程特性及重点设计要素。根据计算出的数据可知，图像采集、造型简洁醒目、独立的感知器布局、感应器模块化、伸缩与旋转结构都是有较高权重的功能要求，这些功能要求将是巡检机器人设计的重点内容。

从质量屋的用户需求与功能要求关系矩阵可以看出，在巡检机器人快速行驶的要求下，既要满足轮式移动又要满足履带移动以适应复杂的巡检路况，是底盘结构部分的设计重点；摄像云台的伸缩与旋转结构、在运动过程中的结构可自锁、维修与保养时的结构可拆卸性，是伸缩机构部分的设计重点；感应器模块化、獨立的感知器布局、多感应器的整合是多维感知应用的设计重点；图像采集、报警组件及无线天线是摄像云台的设计重点；有效降低风阻的流线型造型、零部件的模块化设计和材料工艺合理是整体外观的设计重点。

2.3 TRIZ矛盾冲突分析及问题解决

根据巡检机器人质量屋的功能要求展开表，对各个功能要求进行两两相关性分析，以此构建成质量屋的屋顶。根据前述分析结果可以看出，巡检机器人的质量特性要素主要存在6对技术冲突和2对物理冲突，并用“—”来表示两两要素间的矛盾冲突。轮式移动不适用于复杂的室外巡检路况，而越障性能强的履带移动又不能满足快速行驶需求，因此认为快速行驶—复杂路况、快速行驶—履带移动、轮式移动—履带移动为负冲突。报警组件与无线天线加载到摄像云台上，会增加伸缩机构的负担和能耗，因此认为伸缩与旋转结构—报警组件、伸缩与旋转结构—无线天线为负冲突。

通过TRIZ的矛盾解决方法及40条推荐发明原理，深入分析前述设计重点元素的矛盾冲突，列出问题并求解［7］。对巡检机器人快速行驶—复杂路况、快速行驶—履带移动、履带移动—轮式移动这3对底盘功能的矛盾冲突，根据TRIZ分离发明原理，通过将轮、履分成可拆卸的独立部分，预先设定巡检路况，并选择相应的移动方式，获得最佳的巡检行驶方式。针对摄像云台部分的报警组件—伸缩与旋转结构、无线天线—伸缩与旋转结构这2对矛盾，根据TRIZ拆出发明原理，将摄像云台的报警组件和无线天线拆分出去，使伸缩机构达到最佳工作状态。针对环境感知器—结构整合这对物理矛盾冲突，根据TRIZ分离发明原理，将环境感知器组件从底盘结构中独立出来，配置在摄像云台附近并伴随其伸缩或旋转作业，以避免受驱动结构干涉，并保证巡检数据的准确性。通过TRIZ矛盾冲突发明原理分析与推理，得到以下创新概念设计方案。

第一，根据巡检机器人底盘功能的冲突，提出一种轮履可切换的底盘设计方案。在变电站室内路况下，切换为行驶速度较快的轮式方案；在恶劣天气、经过台阶、电阻软石层等复杂室外巡检环境下，切换为越障能力强的履带方案，履带采用分体式三角履带，具有灵活性好、越障速度快等优势。

第二，根据环境感知器与底盘结构整合的冲突，提出一种多维感知仓独立分布概念设计方案。为避免受底盘驱动结构在工作时产生噪声、发热等干涉因素影响，对底盘功能进行拆分重组，将多维感知仓移到伸缩机构顶部，并随着摄像云台共同进行伸缩及旋转工作，感知器采用相互独立的置放布局，便于感知器的模块化自定义。

3 结语

为解决设计人员在设计巡检类产品时无法规范设计流程的问题，避免在设计流程中过于依赖感性分析，本研究提出了KANO、QFD与TRIZ理论相融合的全周期设计流程，以变电站巡检机器人为例进行了验证，结果表明该方法能提高产品设计的效率和质量，并应用于巡检类产品的设计规范中。

文章基于KANO模型获得影响用户满意度的关键需求及重要度排序，弥补了质量屋在用户需求提取方面的局限。借助对用户需求与质量特性关系矩阵的分析，获得设计重点要素与矛盾种类，最后利用TRIZ矛盾解决理论，深入分析设计重点要素之间的矛盾冲突，通过40条发明原理、技术知识和经验等优化得出最终设计方案。精简了产品创新设计流程规范，可以为巡检类产品设计人员提供新思路及理论支持，从而帮助设计人员更高效地抓取设计重点，进而指导设计过程。

文章亦存在不足，对续航能力及人机交互方式的研究，还需在今后进一步探索与完善。

参考文献：

［1］ 刘佳敏.智能巡检机器人的应用现状及优化提升［J］.电子产品世界，2022，29（6）：16-17.

［2］ 李永立，王燕飞.国内外巡检机器人研究现状［J］.科技创新与应用，2022，12（30）：66-72.

［3］ 王艳阳，熊威，谭娟，等.基于巡检机器人的变电站设备运行状态监测技术［J］.机械与电子，2022，40（9）：71-80.

［4］ 石元伍，韩珊.基于QFD和Kano模型的医疗服务机器人造型设计研究［J］.机械设计，2017，34（12）：121-125.

［5］ 刘宗明，李倩文.基于KANO模型与TRIZ理论的儿童家具轻设计研究［J］.林产工业，2020，57（8）：41-46.

［6］ 张彩丽，杨帆，任工昌.产品创新设计方法中TRIZ和QFD的集成模式研究［J］.机械设计与研究，2014，30（4）：30-37.

［7］ 赵新军.技术创新理论（TRIZ）及应用［M］.北京：化学工业出版社，2004：1-100.

作者简介：张腾腾（1995—），男，江苏徐州人，硕士在读，系本文通讯作者，研究方向：产品创新设计。

程文婷（1984—），女，江西南昌人，博士，副教授，研究方向：工业设计、设计基础与理论。