巡檢機器人的全周期設計與研究

張騰騰 程文婷

摘要：為規范巡檢類產品設計流程，提升最終設計的用戶滿意度，實現結構分布合理、造型美觀、使用人性化等目標，文章基于對巡檢機器人全周期設計流程的系統分析，提出了一種將KANO模型、QFD（質量屋）與TRIZ相關理論融合的全周期設計流程模型。首先進行KANO問卷分析，得到提高巡檢效率的用戶需求及重要度排序，以此確定QFD的關鍵需求要素，然后利用質量屋對巡檢機器人的質量特性進行映射，并對質量屋的用戶需求與質量特性關系進行權重計算，確定重點設計要素。其次劃分重點設計要素的矛盾矩陣，借助40條發明原理、技術知識和經驗等，優化得出最終的創新設計方案。文章集成KANO和QFD理論，有效彌補了用戶需求分析過于依賴感性的局限，并結合TRIZ理論縮短了解決巡檢機器人矛盾的時間。應用結果表明，這種集成方法能有效指導巡檢類機器產品的創新設計，提高產品設計的效率和質量。

關鍵詞：KANO；QFD；TRIZ；巡檢機器人；全周期設計流程

中圖分類號：TP242；TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）09-00-03

隨著數字技術和人工智能的不斷發展，巡檢類機器人在變電站的應用場景越來越廣泛。在巡檢強度大的變電站，利用好現有巡檢機器人，為傳統人工巡檢減負增效，為電網巡檢人員及時獲取設備狀態提供準確依據，對大幅減少供電事故方面具有重要意義［1］。但目前國內市場上的大部分巡檢機器人設計主要以功能為導向，從結構堆疊入手，未充分考慮巡檢機器人適應巡檢環境的潛在需求及行駛路況的復雜性和多元性［2］，同時驅動機構對環境感知器的干涉方面缺乏突破性的創新方案［3］。因此，如何從產品創新方法層面解決前述諸多問題及在設計過程中過于依賴設計者的經驗和知識的問題，提高巡檢機器人的巡檢效率和用戶滿意度，值得進一步思考。

1 KANO、QFD、TRIZ的集成設計方法

基于產品創新設計流程的規范研究，學術界已有一定的成果。石元伍等利用KANO模型獲悉了醫療服務機器人的關鍵用戶需求及重要度，并在用戶需求與質量特性矩陣分析上進行了成功的實踐，提出了運用KANO理論能夠較好地解決QFD中顧客需求滿意評價信息不準確、不確定的問題［4］。劉宗明等利用KANO問卷分析，獲取了較為準確的兒童家具輕設計用戶需求，并基于TRIZ矛盾解決方法研究了兒童家具輕設計的矛盾沖突，建立了創新功能模型，得到了創新的兒童輕設計方法［5］。張彩麗等研究了TRIZ和QFD的集成模式，得到了確定及解決問題的創新設計新思路［6］。但總體上缺乏對全周期設計流程的探討與實踐，單一使用某種理論或集成其中兩種理論，較少兼顧產品設計的整體流程，在獲取關鍵需求和定義上會出現一定的偏差。

QFD作為用戶需求與質量特性關系矩陣的分析方法，能夠較為理想地分析出設計重點要素，但在用戶需求獲取上缺乏客觀性和準確性，輸出的設計重點要素也不具有解決矛盾的有效方法，因此，還需引入用戶需求和設計矛盾解決方法。本研究引入TRIZ矛盾解決理論，可以較為理想地解決前述設計重點要素的矛盾，而引入的KANO模型則可以解決QFD中關鍵用戶需求及其重要度數據，對用戶核心需求的判斷及后期設計決策具有重要意義。

本研究綜合運用KANO-QFD-TRIZ集成方法。首先利用KANO模型確定關鍵用戶需求及重要度，其次借助QFD方法將用戶需求映射為質量特性，結合用戶需求與質量特性矩陣的分析，輸出其設計重點要素及矛盾問題，最后利用TRIZ矛盾解決理論，深入分析其設計重點要素之間的矛盾沖突，通過40條發明原理、技術知識和經驗等優化得出最終設計方案。

2 基于KANO、QFD、TRIZ的巡檢機器人設計

2.1 量化KANO獲取用戶需求重要度

本研究以變電站場景下的巡檢機器人為例，闡述基于KANO-QFD-TRIZ集成理論對巡檢機器人進行創新設計的過程。用戶需求要素的提取是KANO問卷調查的關鍵步驟，對目標用戶真實需求的反映，將直接影響KANO數據分析的準確性。本研究選取某變電站15名有豐富經驗的巡檢運維老員工進行需求訪談，根據主要性能、輔助性能、操作性需求和經濟性需求進行分類，并對巡檢機器人的用戶需求進行收集和整理分析。

根據前述確定的用戶需求開展KANO問卷調研，本次調查以某大型變電站的運維人員及維修人員為主要對象，發放問卷共計100份，回收有效問卷96份，問卷有效率為96%。問卷從主要性能、操作性、可靠性這三個方面設置了14個需求指標。KANO問卷設置為正反兩個問題。正向為：如果滿足某需求，你感覺如何？反向為：如果沒滿足某需求，你感覺如何？受訪者分別從正反兩個問題選擇5項滿意度的任意一項，這5項的滿意度分別為很滿意、理應如此、無所謂、不滿意和很不滿意。然后統計分析KANO調查問卷的結果，計算出平均滿意度得分和不滿意度得分。常見的需求分類是將滿意度之間的關系與質量特性直接進行對應劃分，屬于簡單的二維屬性歸類方式，當需求要素的正反兩項數值接近時，容易誤判屬性分類。為提高需求重要度的準確性，根據KANO模型的定量參數公式計算出需求的重要程度，該定量參數公式可由某項需求的平均用戶滿意度和平均不滿意度的平方表示。

通過KANO的分析結果，利用Better-Worse坐標（滿足該需求時的平均用戶滿意度得分，未滿足該需求時的平均用戶滿意度得分）系數來劃分各個需求的屬性區間：當Better＞2時，Worse＜2為必備因素；當Better＞2時，Worse＞2為期望因素；當Better＜2時，Worse＞2為魅力因素；當Better＜2時，Worse＜2為無差異因素。根據巡檢機器人的Better-Worse坐標可知，巡檢機器人設計首先滿足因素可以實時監控環境、可以輸出表盤等檢查日志、遇到異常信號能夠報警、具有較強的耐臟耐磨性能、安裝方便快捷且成本不能太昂貴，其次滿足因素適用室內和室外路況、能區分異常信號的源頭和維修起來方便快捷，最后滿足因素機器人可以定期自檢報修、感知器不能受驅動底盤影響、可以更換組件升級和維護費用低。而對無差異因素具備改裝的后續潛力來說，并不會影響用戶滿意度，可將具備改裝的后續潛力因素刪除。

2.2 基于KANO-QFD模型的質量特性映射分析

本研究以量化KANO得到的用戶需求要素為基礎，通過QFD拓展巡檢機器人的功能特性，從而構建需求要素與功能要求的質量屋，以此得到功能要求權重及巡檢機器人的設計重點。基于量化KANO提取的巡檢機器人需求要素，對功能要求進行映射與拓展，旨在提升功能設計要求的合理性與轉化質量。首先將一級用戶需求要素映射為質量二級特征，然后拓展二級用戶需求，并結合質量二級特征的類別劃分得到質量三級特征。利用映射關系進行可視化拓展，可得出對應的質量特性。

質量屋是確定用戶需求與功能特性關系的圖示方法，能夠較為直觀地展示功能需求對相應用戶需求的貢獻和影響程度。質量屋的天花板采用巡檢機器人功能要求要素，左墻采用用戶需求要素。質量屋由6名資深巡檢人員評分，將用戶需求與功能要求的相關程度表示為強相關、中等相關、弱相關和無相關，分別記為5分、3分、1分和0分。依次計算二級功能要求的絕對權重，并分析用戶需求重要度與功能要求關系指標，最終獲得影響用戶滿意度的關鍵工程特性及重點設計要素。根據計算出的數據可知，圖像采集、造型簡潔醒目、獨立的感知器布局、感應器模塊化、伸縮與旋轉結構都是有較高權重的功能要求，這些功能要求將是巡檢機器人設計的重點內容。

從質量屋的用戶需求與功能要求關系矩陣可以看出，在巡檢機器人快速行駛的要求下，既要滿足輪式移動又要滿足履帶移動以適應復雜的巡檢路況，是底盤結構部分的設計重點；攝像云臺的伸縮與旋轉結構、在運動過程中的結構可自鎖、維修與保養時的結構可拆卸性，是伸縮機構部分的設計重點；感應器模塊化、獨立的感知器布局、多感應器的整合是多維感知應用的設計重點；圖像采集、報警組件及無線天線是攝像云臺的設計重點；有效降低風阻的流線型造型、零部件的模塊化設計和材料工藝合理是整體外觀的設計重點。

2.3 TRIZ矛盾沖突分析及問題解決

根據巡檢機器人質量屋的功能要求展開表，對各個功能要求進行兩兩相關性分析，以此構建成質量屋的屋頂。根據前述分析結果可以看出，巡檢機器人的質量特性要素主要存在6對技術沖突和2對物理沖突，并用“—”來表示兩兩要素間的矛盾沖突。輪式移動不適用于復雜的室外巡檢路況，而越障性能強的履帶移動又不能滿足快速行駛需求，因此認為快速行駛—復雜路況、快速行駛—履帶移動、輪式移動—履帶移動為負沖突。報警組件與無線天線加載到攝像云臺上，會增加伸縮機構的負擔和能耗，因此認為伸縮與旋轉結構—報警組件、伸縮與旋轉結構—無線天線為負沖突。

通過TRIZ的矛盾解決方法及40條推薦發明原理，深入分析前述設計重點元素的矛盾沖突，列出問題并求解［7］。對巡檢機器人快速行駛—復雜路況、快速行駛—履帶移動、履帶移動—輪式移動這3對底盤功能的矛盾沖突，根據TRIZ分離發明原理，通過將輪、履分成可拆卸的獨立部分，預先設定巡檢路況，并選擇相應的移動方式，獲得最佳的巡檢行駛方式。針對攝像云臺部分的報警組件—伸縮與旋轉結構、無線天線—伸縮與旋轉結構這2對矛盾，根據TRIZ拆出發明原理，將攝像云臺的報警組件和無線天線拆分出去，使伸縮機構達到最佳工作狀態。針對環境感知器—結構整合這對物理矛盾沖突，根據TRIZ分離發明原理，將環境感知器組件從底盤結構中獨立出來，配置在攝像云臺附近并伴隨其伸縮或旋轉作業，以避免受驅動結構干涉，并保證巡檢數據的準確性。通過TRIZ矛盾沖突發明原理分析與推理，得到以下創新概念設計方案。

第一，根據巡檢機器人底盤功能的沖突，提出一種輪履可切換的底盤設計方案。在變電站室內路況下，切換為行駛速度較快的輪式方案；在惡劣天氣、經過臺階、電阻軟石層等復雜室外巡檢環境下，切換為越障能力強的履帶方案，履帶采用分體式三角履帶，具有靈活性好、越障速度快等優勢。

第二，根據環境感知器與底盤結構整合的沖突，提出一種多維感知倉獨立分布概念設計方案。為避免受底盤驅動結構在工作時產生噪聲、發熱等干涉因素影響，對底盤功能進行拆分重組，將多維感知倉移到伸縮機構頂部，并隨著攝像云臺共同進行伸縮及旋轉工作，感知器采用相互獨立的置放布局，便于感知器的模塊化自定義。

3 結語

為解決設計人員在設計巡檢類產品時無法規范設計流程的問題，避免在設計流程中過于依賴感性分析，本研究提出了KANO、QFD與TRIZ理論相融合的全周期設計流程，以變電站巡檢機器人為例進行了驗證，結果表明該方法能提高產品設計的效率和質量，并應用于巡檢類產品的設計規范中。

文章基于KANO模型獲得影響用戶滿意度的關鍵需求及重要度排序，彌補了質量屋在用戶需求提取方面的局限。借助對用戶需求與質量特性關系矩陣的分析，獲得設計重點要素與矛盾種類，最后利用TRIZ矛盾解決理論，深入分析設計重點要素之間的矛盾沖突，通過40條發明原理、技術知識和經驗等優化得出最終設計方案。精簡了產品創新設計流程規范，可以為巡檢類產品設計人員提供新思路及理論支持，從而幫助設計人員更高效地抓取設計重點，進而指導設計過程。

文章亦存在不足，對續航能力及人機交互方式的研究，還需在今后進一步探索與完善。

參考文獻：

［1］ 劉佳敏.智能巡檢機器人的應用現狀及優化提升［J］.電子產品世界，2022，29（6）：16-17.

［2］ 李永立，王燕飛.國內外巡檢機器人研究現狀［J］.科技創新與應用，2022，12（30）：66-72.

［3］ 王艷陽，熊威，譚娟，等.基于巡檢機器人的變電站設備運行狀態監測技術［J］.機械與電子，2022，40（9）：71-80.

［4］ 石元伍，韓珊.基于QFD和Kano模型的醫療服務機器人造型設計研究［J］.機械設計，2017，34（12）：121-125.

［5］ 劉宗明，李倩文.基于KANO模型與TRIZ理論的兒童家具輕設計研究［J］.林產工業，2020，57（8）：41-46.

［6］ 張彩麗，楊帆，任工昌.產品創新設計方法中TRIZ和QFD的集成模式研究［J］.機械設計與研究，2014，30（4）：30-37.

［7］ 趙新軍.技術創新理論（TRIZ）及應用［M］.北京：化學工業出版社，2004：1-100.

作者簡介：張騰騰（1995—），男，江蘇徐州人，碩士在讀，系本文通訊作者，研究方向：產品創新設計。

程文婷（1984—），女，江西南昌人，博士，副教授，研究方向：工業設計、設計基礎與理論。