基于TRIZ 理論的刺梨自動采摘機設計

周 江， 鄧 靜， 吳一晨， 盧桂菊， 蔡樹芳， 謝志平

（貴州師范大學機械與電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

刺梨（Rosa roxburghiiTratt）又稱木梨子、繅絲花，果實富含多酚、超氧化物歧化酶（SOD）、維生素C等多種營養物質[1]。刺梨采摘是刺梨生產的重要環節，目前主要靠人工或使用一些采摘器進行輔助采摘，效率低、強度大、采摘耗時耗力。刺梨普遍生長在丘陵山區，并且刺梨枝條和果實上都布滿了毛刺，這對采摘造成了一定的困擾，因此如何快速進行采摘成為一個急需解決的問題。國內外對于自動化刺梨采摘機的研究較為缺乏，羅兵等[2]將TRIZ 理論和AD 理論有機結合，提出了基于TRIZ 和AD 理論的刺梨采摘機創新設計。黃遠翔等[3]設計了一款電動采摘器，該采摘器通過調節伸縮桿的長度，能夠對處于較遠位置的刺梨實現采摘。雷倩等[4]根據杠桿原理設計了一款剪刀式采摘器，通過握住手柄使球頭刀對刺梨進行剪切，該設計雖然結構小巧、操作簡單，但是難以滿足刺梨規模化采摘的需求。總體來說，刺梨自動化采摘還處于相對較低水平。隨著農業機械化、智能化的快速發展，刺梨采摘環節迫切需要引入機械化自動采摘設備以提高作業效率，智能農機能夠助力刺梨產業提質增效，不斷助推刺梨產業高質量發展。

為了提高刺梨采收效率，運用TRIZ 理論設計了一款操作方便、功能多樣的刺梨自動采摘機，并利用UG 軟件進行三維模型的構建。通過對重要部件進行有限元分析，確定其強度滿足相關作業要求，驗證了設計方案的可行性。

1 TRIZ 理論概述

1.1 TRIZ 理論簡介

TRIZ 意思是發明問題解決理論，翻譯成英文為Theory of the Solution of Inventive Problems，我國學者將其譯為“萃智”[5]。根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller）和他的研究團隊分析了大量高水平專利和案例，歸納出了發明創造的一般規律，其目的在于探索人們進行發明創造、克服發明障礙活動中所遵守的一定原理與規律，又被稱為創新“點金術”[6]。阿奇舒勒等通過對大量的專利成果進行歸納、總結，提出了TRIZ 中具有廣泛應用意義的40 個發明原理，確定了矛盾矩陣，給出了物質-場模型分析，以及技術系統進化法則等，確立了TRIZ 完整的理論體系[7]。

1.2 TRIZ 解題模式與流程

運用TRIZ 理論解決問題首先要把實際問題歸納轉換成TRIZ 標準問題模型，接著運用TRIZ 分析問題和解決問題的工具，這樣就可以形成TRIZ 的標準方案模型，最后演繹應用形成實際解決方案，這個方案是針對特定的發明問題產生特定的創新方案[8]。應用TRIZ解決問題的主要流程如圖1 所示。

圖1 TRIZ 理論解題流程Fig.1 TRIZ theory problem-solving process

2 問題描述

刺梨果實表面長滿了毛刺，這使得采摘極為不易。刺梨采摘環節多數情況下是靠人工，但這種采摘方式不僅效率低，而且勞動強度大?，F階段刺梨采摘主要還是借助可穿戴刺梨采摘裝置進行抓取或者使用便攜式采摘工具對刺梨進行剪切，雖然在一定程度上減少了勞動者采摘時受到刺梨枝條棘刺和果實上毛刺的傷害，但這些只能作為簡易輔助采摘工具，沒有實現自動化采摘的需求。常見的刺梨采摘過程存在的問題：①勞動者體力勞動投入大，刺梨主要生長在向陽山坡和灌木叢中，采摘環境較為惡劣，勞動者需要克服這些不利因素；②采摘效率低，人工采摘有一定的局限性，勞動者采摘一定時間后需要休息；③自動化采摘程度低，刺梨的采摘期很短，需要在一定的時間內完成刺梨采摘，這需要勞動者付出更多的體力勞動；④采摘后的刺梨通常放在隨身攜帶的簡易裝載器具里，裝滿一定數量后再轉到另外地方儲存，這不僅費時費力，還影響采摘效率。

3 問題分析

3.1 問題解決的IFR 描述

最終理想解，顧名思義就是使技術和產品處于相對理想狀態時的解。對最終理想解進行合理的分析，有助于設計者克服思維慣性，避免了傳統設計方法的弊端，提升了設計效率[9]?；谧罱K理想解的理念對刺梨自動采摘機進行分析，如表1 所示。

3.2 功能分析

通過分析發現刺梨自動采摘機的采摘功能不足，不能將刺梨的漏采率控制到預期值，為了改善采摘效果和提高采摘機性能，對刺梨自動采摘機的采摘裝置進行系統功能分析。

3.2.1 確定組件

系統作用對象：刺梨。

系統組件：工作平臺、旋轉爪、固定爪、電動機、錐齒輪和連接件。

超系統組件：箱體。

3.2.2 組件作用分析

對組件進行相互作用分析并且建立相互作用的矩陣表，若兩組件之間有相互作用，用“+”表示，兩組件之間不存在作用，則用“－”表示[10]。詳細如表2所示。

由表2 可知，刺梨與工作平臺、旋轉爪和固定爪有相互作用；工作平臺與旋轉爪、固定爪、電動機、錐齒輪和連接件之間有相互作用；旋轉爪與固定爪、電動機和錐齒輪之間有相互作用；電動機與錐齒輪有相互作用；連接件與箱體有相互作用。

3.2.3 功能模型

采摘裝置功能模型如圖2 所示。

圖2 采摘裝置功能模型Fig.2 Functional model of picking device

3.3 因果鏈分析

因果鏈分析是全面識別工程系統缺點的分析工具，因果鏈分析可以挖掘隱藏于初始缺點背后的各種缺點。由于現有的采摘裝置存在采摘效率不高的問題，針對這一問題進行因果鏈分析，如圖3 所示。

圖3 因果鏈分析Fig.3 Causal chain analysis

3.4 九屏幕法分析

九屏幕法也稱九宮格法，是一種分析系統的構成與環境及系統性考慮問題的方法。是指在分析和解決問題的時候，除了要考慮當前系統，還要考慮技術系統中的子系統和超系統；此外在考慮系統的過去和未來的同時，還應考慮子系統的過去和未來，超系統的過去和未來，要動態地看待問題的發展[11]。刺梨自動采摘機九屏圖如圖4 所示。

圖4 九屏圖分析Fig.4 Nine screen analysis

從系統未來發展的角度，可能的解決方案有研發新的自動化設備和智能化采摘裝置，使采摘更加方便快捷。

4 運用TRIZ 工具解決問題

4.1 技術矛盾與發明原理

技術矛盾指當技術系統的某一個特性或參數得到改善的同時，導致另一個特性或參數發生惡化而產生的矛盾[12]。研究的目標是提高采摘機的自動化水平，因此，自動化程度為技術矛盾中要改善的參數，由于需要增加采摘裝置和輸送裝置，使采摘機的復雜程度提高，所以復雜性是惡化參數。查閱矛盾矩陣表，得到參考發明原理：（10）預先作用；（15）動態特性；（24）借助中介物。

根據發明原理24 提供的思路，在工作平臺邊上引入一條輸送帶，將帶有擋板和刮板的輸送帶安裝在工作平臺的底部收集口上，輸送帶自動將工作平臺上的刺梨輸送到收集箱中，這樣可以實現刺梨的自動輸送，如圖5 所示。

圖5 輸送裝置Fig.5 Conveyor device

4.2 物理矛盾及分離原理

物理矛盾指在創新過程中對一個技術系統中的同一個要素或同一個參數有不同的要求[13]。為了可以收集更多刺梨，需要工作平臺大；為了減少采摘機總體質量，希望工作平臺小，即工作平臺既要“大”又要“小”?？紤]到該參數“工作平臺”在不同的“空間上”和“條件下”具有不同的特性，因此該矛盾可以從“空間”和“條件”上進行分離。選擇“空間分離和條件分離”原理，得到解決方案。

發明原理7：嵌套原理。將輸送裝置和工作平臺有機結合，使輸送裝置嵌入到工作平臺上。刺梨掉落至工作平臺上，輸送帶隨即將刺梨輸送到收集箱，減少刺梨的堆積。

發明原理14：曲面化原理。將工作平臺由平面換成球面，使刺梨掉落后向中間聚攏。

發明原理40：復合材料。采用質量較輕的復合材料制作工作平臺，在滿足既定尺寸大小的同時又減輕了機身整體質量。

5 設計方案

5.1 三維模型設計

運用TRIZ 理論對采摘機的結構進行了創新，最終完成刺梨自動采摘機總體方案的設計，三維模型如圖6 所示。

圖6 自動采摘機結構Fig.6 Structure of automatic picker

刺梨自動采摘機主要由工作平臺、旋轉爪、固定爪、輸送裝置和收集箱等組成，輸送裝置包括有刮板式輸送帶和擋板，刮板式輸送帶能將刺梨平穩輸送到收集箱，擋板的作用是防止刺梨掉落。采摘機工作時，在驅動電機的作用下機器向前移動；行駛至采摘目的地時，開啟旋轉爪和輸送帶開關，旋轉爪開始轉動，刺梨在旋轉爪牽引和固定爪的拉扯中掉落到工作平臺上。工作平臺具有一定的傾斜弧度，掉落的刺梨會滾落到輸送裝置前，隨后刮板式輸送帶將刺梨陸續輸送至收集箱中。當收集箱裝滿一定數量的刺梨，首先打開箱門，箱門和箱體底部均安裝有滾筒，便于收集箱的拖動，接著快速抽出收集箱，然后將刺梨打包收集好，最后將空的收集箱放入箱體中，等待下一次收集箱裝滿，至此采摘機完成一次刺梨自動采摘、輸送和收集動作。

5.2 仿真試驗與有限元分析

利用三維建模軟件UG 對刺梨自動采摘機進行零部件的建模和裝配，并對旋轉爪進行了運動仿真，旋轉爪如圖7 所示。定義連桿、運動副、驅動后，根據旋轉爪工作要求及運動特性，對仿真時間和仿真步數分別進行設置，解算后得到旋轉爪的運動仿真結果[14]。仿真結果表明，采摘裝置的旋轉爪結構設計合理，旋轉爪與固定爪之間的距離和角度滿足相關設計要求，兩者不存在干涉現象，旋轉爪旋轉路徑滿足采摘刺梨作業要求。

圖7 旋轉爪結構Fig.7 Structure of rotating jaw

利用UG 軟件對采摘裝置的主要部件爪齒進行有限元分析，如圖8 所示。分析結果表明，爪齒的最大工作應力不超過材料的許用應力，滿足強度和剛度的要求[15]。

圖8 爪齒有限元仿真分析結果Fig.8 Fite element simulation analysis results of jaw teeth

6 結束語

為解決傳統刺梨采摘裝置采摘效率低、勞動強度大等問題，利用TRIZ 理論得出了刺梨自動采摘機的設計思路，建立了采摘裝置的功能模型。通過對采摘機自動化水平較低進行描述，進行技術矛盾分析，查閱矛盾矩陣表，從發明原理中找到對應的解決方案。運用UG 軟件完成了刺梨自動采摘機的三維建模，并對主要部件爪齒進行了有限元分析，分析結果表明滿足設計要求。刺梨自動采摘機具有功能多樣、制造成本低、使用方便等優點，能有效提升刺梨采收效率，降低刺梨采收成本，減輕作業人員勞動強度，對刺梨產業的發展具有積極的促進作用。