基于TRIZ 理論擠奶機器人行走機構的設計及分析

王子懿 羅 寅 葉源濤 王智慧

（安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南232001）

手工擠奶的作業方式工作效率低且勞動強度[1]。依靠擠奶機械設備可滿足日益增長的產量需求，并且能夠提高奶源質量。TRIZ 理論是一種全面且系統化的能夠為發明創造提供解決方案的新理論。TRIZ 可以開拓思路，挖掘創新潛能。通過TRIZ解決問題的案例有很多，鄧學欣等利用TRIZ 對焊鉗輕量化提供了思路，不僅讓焊鉗與工件發生干涉的機會變小，而且降低了生產成本，提高了點焊的質量效率[2]。賈丙琪等，應用TRIZ 對下肢外骨骼功能區結構以及尺寸做了優化設計，提高了下肢外骨骼使用的安全性與舒適性[3]。

1 問題分析

隨著生活質量的提高，奶制品充斥著生活的各個方面，為了獲得高質量優秀奶源，現代化養殖是大勢所趨，傳統人工作業效率低、且不能達到高品質奶源的質量要求，利用擠奶機器人代替人力，不僅能提高產奶效率，也能實現牧場自動化，養殖科學化。轉臺式擠奶機器系統占地空間大，移動不方便。管道式，移動式，活塞式擠奶機器系統操作對象單一，且需要人工干預。針對現有技術存在的不足，基于TRIZ 理論物理矛盾的分離原理，發明問題的標準解法，及物場模型分析設計出一種軌道式擠奶機器人行走機構，結構更加簡單，減少了制造成本，縮小了工作空間，可以滿足快速移動，精準定位作業目標。

2 TRIZ 理論分析

2.1 S 曲線預測分析

經圖1 預測分析結果可以得知，最初擠奶方式為人工擠奶，從對奶牛習性的初步認識，到進一步的技術經驗成長期，經歷成熟的操作期，會被新型擠奶機構，擠奶機所代替，最終逐漸沒落衰退。當一種技術系統經歷S 曲線四個階段后，即認識初期、技術成長期、操作成熟期、沒落衰退期后必將會被新的系統所取代[4]。通過以上分析，得知軌道式擠奶機器人作業系統尚處于初期階段，此階段解決方案：利用機器人移動方便等優點，設計出軌道式行走機構，在軌道兩端加裝直線位移傳感器，該系統合理布局，移動迅速，便于控制行走機構上端機械臂，準確定位作業目標。

2.2 因果分析法

發現出待解決問題背后的矛盾與邏輯，找出問題產生的根本原因，以此為突破點，采用因果分析法，梳理出非定量性魚骨圖。根據魚骨圖中功能模塊，判別出問題參數，通過問題存在的有效性，確保機構設計合理性，功能完整性。圖2 中反映出擠奶設備體積大、難操作、定位不精準等問題。

圖1 擠奶方式發展的S 曲線

圖2 魚骨圖分析

2.3 小人法

當整個系統內的部分組件不能很好的完成目標設定，就將其簡化成小人模型，讓具有能動性的小人到達預期目標[5]。根據現有擠奶設備，將其推演成小人模型，如圖3 所示，用小人模型代替人工、擠奶設備、奶牛。并把小人進行重新組合來解決因果分析法中發現的問題，得到抽象的模型系統，如圖4 所示。通過小人法的分析，打破了原有解決問題的思維定勢。為了減少人力成本，同時要保持設備穩定性，就要使設備簡單化，便于操作。為了快速定位目標，增加作業數量，可增設導軌和位移傳感裝置。導軌上可增設多條機械臂，同時作業多個對象。

圖3 小人法問題模型

圖4 小人法解決模型

3 物場分析及解決方案

3.1 建立問題模型

由因果分析得知，傳統人工擠奶作業方式效率低，產奶質量不能標準化、統一化。且長期從事擠奶工作，會傷害到人的手部，腰部，甚至承受被奶牛攻擊的危險。擠奶機的介入相比于單純的人工作業，安全系數高，但只能滿足小規模牧場的產量需求，且仍需要人工輔助。擠奶機設備自動化水平偏低，無法應用于大規模集中式養殖場，且移動速度較慢，無法精準快速定位牛棚所在位置，不能滿足生產要求。問題模型如圖5 所示。

圖5 物場分析問題模型

3.2 解決方案

應用TRIZ 中創新原理與標準解，用電磁場與機械場代替了力場。解決方案如圖x 所示，人工對擠奶機械臂及其末端執行器稍加干預，將原來的擠奶機由擠奶機械臂代替，同時加裝軌道，把機械臂與軌道裝配，軌道下方裝有直線位移傳感器，以來監測末端執行器是否到達正確工作位置[6]。解決了作業對象差異性，工作環境復雜性的問題，且實現快速定位，精準作業的目標，完成了小范圍、多目標的設計要求。

圖6 物場分析解決方案

4 模型建立及ANSYS 分析

4.1 模型建立

在電機托盤上設置單目視覺攝像頭，可識別出牛棚編號，對其進行數據采集分析，得到奶牛作業情況，進一步判斷是否執行擠奶工作。建模如圖7 所示。

圖7 行走機構模型

4.2 ANSYS 靜力學分析

在正常工作過程中，行走機構底板承受所有載荷，在設計時需考慮其強度，故對其進行有限元分析[7]。選擇材料結構鋼作為設計材料，將其細化網格，節點數為129315，網格數為90368。工作載荷為3300N,施加在齒條擋板兩側。求解結果如圖8 所示。最大變形量為0.0060169mm，滿足安全工作要求。

圖8 總變形求解結果

5 結論

根據TRIZ 理論對現有擠奶機構存在的不足進行分析，通過魚骨圖發現矛盾根源，利用小人法找到解決方案，加以物場分析設計建模，并驗證設計合理性，得到了擠奶機器人新型行走機構，實現了移動快，定位準，小空間，監測性等要求。為后續的研發提供了參考。