基于TRIZ理論的轉盤式擠奶機器人結構設計

王成軍， 李少強

(1.安徽理工大學人工智能學院， 淮南 232001； 2.安徽理工大學機械工程學院， 淮南 232001)

牛乳是乳制品的主要成分之一，消費者對于乳制品的需求量逐年上升，2020年中國人均乳制品消費量已經超過21.1 kg。中國奶牛養殖規模逐漸增大，大中型牧場主要采用轉盤式擠奶機進行擠奶，仍依靠工人輔助擠奶，生產成本高，工作環境惡劣，且不當的擠奶操作，會污染奶源，甚至影響奶牛的健康，導致經濟損失[1]。瑞典利拉伐公司開發的世界首臺轉臺式機器AMR(automatic milking robot)[2]，由5個機械臂共同完成擠奶作業，降低了工人的勞動強度。Kolbach[3]對新型轉盤式擠奶系統進行了研究，證明了增加乳頭清洗步驟能有效地增加擠奶效率。洛陽拓博爾研發了擠奶機器人[4]，擁有雙目立體視覺系統，可自動進行清洗、套杯、脫杯的擠奶流程，并可以對奶牛進行身體狀況分析。劉俊杰等[5]設計了適應中國奶牛體態特征的擠奶機器人，實現了全自動擠奶，提高了擠奶效率。楊存志等[6]針對單體式擠奶機器人機械臂重力和傾覆力矩大等問題，設計了單體式全自動智能擠奶機器人，增加了每日擠奶次數，提高了產奶量。

為解決轉盤式擠奶機工人擠奶作業勞動強度大、效率低、成本高等問題，采用TRIZ(theory of inventive problem solving)對擠奶機的發展進行分析，通過“九屏圖”為轉盤式擠奶機器人研究提供方向；借助“因果軸”進行推導，找出阻礙機器人研發的因素；基于“矛盾矩陣分析法”化解技術矛盾并創新設計執行機械臂；定義“物理矛盾”并進行分離，提供解決物理矛盾的思路；建立問題“物-場模型”并采用基礎原理解進行解決，完成轉盤式擠奶機器人結構的創新設計，為轉盤式擠奶機器人產品開發及牧場智能化改造提供依據。

1 基于TRIZ理論的系統分析

1.1 九屏分析

當前擠奶設備的九屏分析如圖1所示，最初的擠奶作業采用工人手工擠奶，勞動強度高、效率低、奶源污染概率大。隨著轉盤式擠奶機的開發應用，工人改用操作擠奶設備進行作業，提高了工作效率，工人作業強度有所減輕，采用擠奶機器人代替人工是未來發展的趨勢。帶擠奶杯專用夾爪的擠奶機器人的研發將推動轉盤式擠奶機擠奶作業的發展，整體結構、末端執行器相比于工業機器人均會有所不同。

圖1 轉盤式擠奶機九屏分析圖Fig.1 Nine screen analysis diagram of rotary milking machine

1.2 因果軸分析

因果軸分析用于建立問題產生的結果與根本原因之間的邏輯鏈，發現問題產生的根本原因，結合邏輯鏈中薄弱環節，找出解決問題的切入點。現有的工業機器人多由串聯式6軸機械臂和固定底座組成，主要針對工廠流水線作業，不適應于轉盤式擠奶機等旋轉式運輸作業場合[7]。

從當前轉盤式擠奶機智能化程度低的問題開始推導，現有工業機器人不能直接用于擠奶作業的主要原因在于適用性和成本都存在很大的不足。可得出以下根本原因：①工業機器人固定在工位上，缺乏整體自由度；②機械臂的轉軸數量不足，材料強度不足和電機尺寸過大導致工作空間不足，具體的因果軸分析如圖2所示。

圖2 轉盤式擠奶機器人因果軸分析圖Fig.2 Causal axis analysis diagram of rotary milking robot

2 機械臂創新設計

2.1 技術矛盾分析

根據因果軸分析得出的根本原因②，為提高機器人的工作空間，采用增加轉軸的方法來增加靈活度，但增加了機械臂的復雜性；采用減少電機的尺寸來增加工作空間，但同時增加了機械臂的復雜性。故歸納出技術矛盾：惡化參數為No.36設備復雜性；改善的參數為No.07運動物體的體積和No.26物質或事物的數量[8]。利用以上參數查找TRIZ矛盾矩陣并得到解決原理如表1所示。

對表1得出的發明原理進行分析，通過各項原理的具體描述，結合待解決的問題，篩選出適合的發明原理，對于電機尺寸引起的問題，采用03局部質量原理將物體的均勻結構變成不均勻和10預先作用原理預先安置物體，讓物體在最合適的位置發揮作用來解決[9]。對于增加轉軸引起的問題，可采用26復制原理增加簡化的復制品的方法來解決。

表1 矛盾矩陣表Table 1 Contradictory matrix table

2.2 執行機械臂創新設計

通過上述分析，根據局部質量原理可得出技術方案1：將執行機械臂尺寸設計相異，且越靠近末端執行器臂直徑越小，此方案可有效減少電機和機械臂的體積對工作空間的影響[10]。根據預先作用原理可得出技術方案2：將減速電機預先置于機械臂內部，可大幅增加機械臂的靈活度。

所設計的執行機械臂主要用于實現末端執行器的精準工作，由6個半徑不同的轉軸和兩個臂組成，每個軸的減速電機、傳動裝置和傳感器等零件集成于軸末端關節內。工作原理：集成式減速電機驅動轉軸進行轉動，執行器位姿進行精準調整，可實現奶杯和消毒杯在奶牛腹部狹小空間內的靈活精準移動，提高了擠奶作業的精度與效率，執行機械臂結構如圖3所示。

1為軸端關節；2為末端連接裝置；3為底部固定裝置圖3 執行機械臂Fig.3 Execution robotic arm

2.3 末端執行器創新設計

根據26復制原理可得出技術方案3：通過在末端執行器增加一個90°旋轉氣缸，主要用于切換消毒杯夾爪和奶杯夾爪，增加執行機械臂的靈活度。

末端執行器由連接底座、雙目視覺系統、旋轉氣缸、雙向夾持器等組成。主要實現機器人完整的擠奶操作，包括視覺識別、消毒殺菌、套擠奶杯等步驟。

連接底座底部與執行機械臂末端相連，頂部設有兩個橡膠防撞條，避免旋轉氣缸發生故障時導致雙向夾持器與執行機械臂間產生碰撞。頂部設有上下兩個安裝平臺：上平臺安裝雙目視覺系統，為保證進行視覺識別時空間的充足，安裝位置與連接底座邊緣垂直距離為11.5 mm；下平臺安裝旋轉氣缸和雙向夾持器，安裝位置與連接底座邊緣垂直距離為7.5 mm；為增加平臺的強度，在上下平臺底部均增設加強筋。雙向夾持器的氣動夾爪抓取擠奶杯組，管箍夾爪與消毒杯連接。兩末端豎直中心面成90°夾角，水平中心面與連接底座中心面共面，保證了末端執行器工作的精準度，末端執行器結構如圖4所示。

1為連接底座；2為雙目視覺系統；3為管箍夾爪；4為氣動夾爪；5為旋轉氣缸；6為橡膠防撞條圖4 末端夾持器Fig.4 End gripper

3 三軸平移裝置創新設計

3.1 物理矛盾分析

物理矛盾是指技術系統中的同一參數，提出相互排斥的需求，主要反映唯物辯證法中的對立統一規律，矛盾雙方存在著對立及統一這兩種互相依賴的關系。

3.1.1 物理矛盾的定義

因果軸分析得出的根本原因②的解決思路為增加機械臂的靈敏度，即增加機械臂關節的數量，但機械臂體積大和奶牛腹部空間不足又妨礙擠奶作業，所以機械臂關節數量為此問題的物理矛盾參數。

可明確出物理矛盾的兩種需求，需求1：增加機械臂關節數量，增加機械臂靈活度；需求2：減少機械臂關節數量，增加擠奶作業的工作空間。

3.1.2 分離空間的確定

為滿足理想狀態下對機械臂關節數量提出的兩種不同的需求，定義兩種不同的空間：實現第一種需求的空間S1，在擠奶作業開始前，機器人可粗略的調整位姿，將機械臂移動至合適的工作空間；實現第二種需求的空間S2，在擠奶作業時，機械臂可精準的調整末端夾爪的姿態，完成擠奶作業。

3.1.3 空間交叉的判斷

通過判斷可知空間S1、S2并不存在交叉，可使用空間分離原理，通過空間分離原理可得出技術方案3：將原機械臂分成兩個部分，上半部分為桿長較短的6自由度機械臂，以保證移動時具有足夠的運動自由度；下半部分采用3軸平移裝置，增加機械臂的工作空間。改進后的機械臂具有更多的冗余自由度，運動更加靈活。

3.2 物-場模型解決問題

通過1.2節分析可知上述功能組成物-場模型的三要素都存在，但物質1地面對物質2機器人產生了有害效應，屬于“有害效應的完整物-場模型”，物-場模型如圖5(a)所示。

圖5 物-場模型分析Fig.5 Substance-field model analysis

采用一般解法2，即增加S3來阻止地面對于機器人的自由度限制，如圖5(b)所示。采用增加平移機構來增加機器人在X、Y、Z軸方向的自由度，可得出技術方案4：設計地軌移動裝置來增加Y軸方向的運動自由度，設計升降裝置來增加機器人Z軸上的運動自由度，設計進給機構來增加X軸上的運動自由度。設計的三軸平移裝置大大提高了機器人的工作空間，為機械臂在奶牛腹部進行擠奶作業提供了更多的靈活度。

3.3 地軌移動裝置設計

地軌移動裝置由固定在地面上的軌道和移動平臺構成，導軌上的滑條和移動平臺之間的支撐輪相互配合，通過齒輪齒條進行精準移動，兩側末端設有橡膠防撞塊起到了限位作用。實現了執行機械臂在X軸方向上的移動，確保執行機械臂與轉盤式擠奶機上的擠奶箱處于同一軸線上，便于進行擠奶作業，地軌移動裝置結構圖6所示。

1為減速電機；2為傳動齒輪；3為齒條；4為滑輪裝置；5為底座；6為滑軌；7為限位裝置圖6 地軌移動裝置Fig.6 Ground track

3.4 升降機構設計

升降機構由伺服電動缸、限位桿和支撐平臺組成。工作原理為伺服電動缸驅動支撐平臺進行升降動作，三根限位套管輔助平移。實現機器人在Y軸方向上的精準、穩定升降，支撐平臺的設計遵循最優化原理，在不影響結構地剛度的情況下最大限度地降低了質量，升降裝置如圖7所示。

1為支撐平臺；2為伺服電動缸；3為支撐底板；4為限位套管圖7 升降機構Fig.7 Lifting mechanism

3.5 進給機構設計

進給機構由支撐框體、橫梁、配重裝置、齒輪齒條、滾輪、伺服電機等組成。工作原理如下：伺服電機驅動齒輪旋轉運動，推動齒條，帶動橫梁在Y軸方向上進行進給動作。橫梁一端焊有圓形平臺與六軸機械臂相連，為防止機器人因自重產生傾斜，另一端設有配重機構。

為使結構更加緊湊穩定，設計一種全新的配重裝置，配重塊一側具有兩個用于裝卸的U形槽，底部具有一個圓形凹槽，頂部具有一個與之對應的圓形凸起，通過上下相鄰配重塊反向放置，在保證了平衡性的同時也提高了安全性，配重裝置如圖8所示。

1為配重塊；2為連接螺栓；3為承重底板圖8 配重裝置Fig.8 Counter weight device

支撐框體機構實現橫梁的進給運動，該機構通過螺釘固定在升降裝置的支撐平臺上，由伺服電機、傳動齒輪、滾輪、支撐框體組成。4組滾輪分別與橫梁上的4條軌道接觸，起支撐和滾動的作用。傳動齒輪與橫梁上固定的齒條相嚙合，推動橫梁的進給運動，支撐框體結構如圖9所示。

1為小傳動齒輪；2為導軌滑輪；3為進給框體；4為減速電機圖9 支撐框體機構Fig.9 Supporting frame mechanism

4 轉盤式擠奶機器人整體結構設計

4.1 整機機構設計

在通過TRIZ理論解決上述問題的基礎上結合實際情況，整合提出的所有方案進行轉盤式擠奶機器人的設計。所設計的轉盤式擠奶機器人主要由地軌、升降裝置、進給裝置、執行機械臂、末端夾持機構、雙目視覺系統等組成。地軌、進給裝置、升降裝置實現執行機械臂在X、Y、Z軸方向上的初步空間位置調姿，六軸執行機械臂實現末端執行器的進一步調姿。機器人安裝在轉盤式擠奶機旁邊，進給機構的進給方向正對轉盤式擠奶機中心，轉盤式擠奶機器人如圖10所示。

1為執行機械臂；2為末端執行器；3為地軌；4為升降裝置；5為進給機構圖10 轉盤式擠奶機器人結構圖Fig.10 Structure diagram of rotary milking robot

通過現場考察調研，中國中大型牧場基本選用荷斯坦奶牛作為泌乳牛，乳頭離地高度為440～610 mm，乳頭間距為90～120 mm，乳頭直徑為20～30 mm，后肢兩腿之間間距為490～590 mm，轉盤式擠奶機的工作平臺離地高度為660～1 000 mm。所設計的轉盤式擠奶機器人具體參數如表2所示，由表可知機器人在工作空間上滿足使用要求。

表2 機器人結構參數表Table 2 Robot structure parameter table

4.2 工作原理

轉盤式擠奶機器人工作過程：通過地軌調整執行機械臂在X軸方向上的位置，使其正對奶牛腹部；通過升降裝置調整執行機械臂在Z軸上的位置，使其整體與奶牛腿部處于同一高度；通過進給機構調整執行機械臂在Y軸上的位置，使其進入奶牛腹部空間。然后末端夾持器上的雙目視覺系統識別奶牛乳頭的三維空間位置，雙向夾爪切換至消毒杯夾爪，執行機械臂控制消毒杯移動到奶牛乳頭位置，對奶牛乳頭逐個進行消毒操作。最后雙向夾爪切換至奶杯夾爪，夾持擠奶杯組中的奶杯，套至奶牛乳頭進行擠奶操作。

5 樣機控制和試驗

轉盤式擠奶機器人的控制系統是基機器人操作系統(robot operating system,ROS)系統進行開發的，通過上位機發送命令給機器人各關節的驅動器[11]，再通過驅動器來控制個位置電機，地軌電機選用匯川MS1H1伺服電機，機械臂各關節電機選用北京高控GRM7607中空伺服電機，雙目視覺采用基于opencv開發的視覺系統進行識別，機器人樣機如圖11所示。

圖11 轉盤式擠奶機器人樣機Fig.11 Prototype of rotary milking robot

進行了機器人的奶杯抓取與套杯實驗，以套杯位置為因素，以單次奶杯抓取成功率、套杯的成功率和時間為指標進行實驗，實驗位置范圍為離地軌中心高度垂直距離1 000～1 700 mm，水平距離1 000～2 000 mm的矩形空間進行實驗，共實驗108次，統計其指標平均值，結果表明，抓取成功率為100%，套杯成功率為97.2%, 平均每次花費時間為5.8 s。相較于人工擠奶，效率至少提高了98%。

6 結論

運用TRIZ理論對現有的轉盤式擠奶系統進行了分析，通過解決技術矛盾設計了執行機械臂和末端執行裝置，保障了擠奶作業時機械臂具有充分的工作空間和靈活度，通過解決物理矛盾和物-場模型問題設計了地軌、升降裝置和進給裝置，保障了擠奶作業前機械臂整體位姿的準確性。成功設計了轉盤式擠奶機器人，并搭建了實驗樣機。

進行了奶杯抓取和套杯實驗，實驗表明所設計的轉盤式擠奶機器人有較強的適應性，能滿足不同體型的泌乳牛，抓取奶杯成功率為100%，套杯成功率為97.2%，平均每次花費時間為5.8 s。相較于人工擠奶，效率至少提高了98%,可以滿足使用要求。證明了智能化牧業的必要性，為后續的牧場智能化研究提供了依據。