基于TRIZ理論的白車身焊接質量快速檢測機器人設計

錢美南，李龍，陳家樂

（安徽理工大學 人工智能學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

車身殼體是一個復雜的結構件，也是一個典型的焊接結構件，焊接工藝作為焊接生產的重要環節，它在焊接生產中起著關鍵的作用，其焊接質量的好壞不僅關系到車身整體的美觀還直接影響整個車身質量，甚至會危及到人身安全。目前白車身焊接質量檢測方法主要有破壞性檢測技術、非破壞性檢測技術、肉眼觀察[1]，并且都只適用不同部件的檢測，整個檢測過程的工作量大、數據量大、速度慢且效率低。

根據TRIZ在設計領域取得的成效[2]，本文為解決焊接質量檢測速度慢、效率低等問題，采用TRIZ理論對白車身焊接質量快速檢測機器人進行設計，通過“九屏分析法”為白車身焊接質量檢測機器人提供研究方向，借助“因果軸分析法”對白車身焊接質量檢測機器不足之處進行相關推導，發現阻礙機器人研發的相關因素，再運用“功能分析法”對機器人系統進行抽象描述，最后我們采用TRIZ工具進行問題解決與創新設計，為白車身焊接質量快速檢測機器人的設計提供了可靠思路。

1 TRIZ理論介紹

TRIZ理論是由蘇聯發明家根里奇·阿利赫舒列爾于1946年創立的，其英文解釋是Theory of the Solution of Inventive Problems（發明問題解決理論）。他從閱讀世界各國著名的發明專利過程發現，產品技術的發展總是遵循一定的規律，而且同一條規律可以適用于在不同的場合解決不同的問題，掌握了這些規律就可以進行產品的設計。TRIZ理論就是用來解決矛盾和技術的創新原理和法則的歸納體系。

TRIZ理論對問題的研發和問題的解決思路具有明確的指導意義，是目前產品問題解決及技術創新最有價值的方法之一，它可以讓人們在解決問題之前確定問題解決的方法并分析該方法的適用性，以及對未來發展的預測。TRIZ理論采用系統性思維和標準化思維工具[3]，對問題進行抽象化分析，對我們要解決的問題進行原理分析、進化過程預測，最終得到針對性的解及可能產生出來的新問題，TRIZ理論流程如圖1所示。TRIZ理論主要解決問題的方法有沖突矩陣和創新原理、物質-場分析模型、九屏分析法、因果軸分析法等。

圖1 TRIZ理論流程圖

2 基于TRIZ理論的系統分析

2.1 九屏分析法

系統常常由多個子系統組成，同時它又常常隸屬于一個更大的系統，即超系統，每一個系統也都有它的過去與未來。在解決問題時，常常需要用到子系統和超系統資源，或者需要考慮系統、子系統及超系統的過去與未來的發展變化，從多個維度對問題進行分析，可以打開圖中所示9個屏幕。當前白車身焊接質量快速檢測機器人的九屏分析如圖2所示，用九屏分析法分析白車身焊接快速檢測機器人系統：當前系統是焊接質量檢測的操作員，子系統是手動檢測，超系統是機械化檢測。最初的焊接質量檢測是人工檢測，工作量大且效率低，焊接質量也得不到保證。隨著機器人的發展與運用，將機器人運用到焊接質量檢測行業以代替人工作業、提高工作效率，白車身焊接質量快速檢測機器人的研發將進一步推動焊接質量檢測行業的發展。

圖2 白車身焊接質量快速檢測機器人九屏分析圖

2.2 因果軸分析法

因果軸分析法用于根本原因與結果之間存在的因果關系構成的關系鏈，發現問題的根本原因，結合邏輯鏈中薄弱環節，找出解決問題的切入點。因果分析是建立其初始缺點與各個底層缺點之間的邏輯關系，建立數學模型并進行預測。

從當前白車身焊接質量檢測機器的信息精確度不足開始推導，現有工業機器人不能直接用于焊接質量檢測作業的主要原因在于成本及適用性上存在很大的不足。根本原因如下：1）材料的彈性模量、剛度和強度的不足導致工作臂支持力不足；2）白車身焊接質量快速檢測機器人檢測過程中的機械臂靈活性和操作性不足；3）掃描效率不高及焊接口特征識別缺乏，導致過程中可觀測點不足。具體的因果軸分析如圖3所示。

圖3 白車身焊接質量快速檢測機器人因果軸分析圖

2.3 功能分析法

系統功能分析是從抽象的角度來分析系統，找到工程系統中的功能缺點或存在問題的組件，對其進行相應的分析。對現有的質量檢測設備進行功能分析可知，當前系統是車身焊接質量檢測機器人，子系統是焊接質量檢測機構，超系統是自主快速檢測機器人。當前系統包括工作臂、視覺系統、操作系統；子系統主要包括齒輪、識別器、減速機等；超系統主要包括導軌、操作者等。同時對系統內部進行詳細分析，由于可檢測點的數量不足，不僅導致混聯機構對掃描攝像頭的承載和調姿不足，還使得信息采集的數據量不足，這些數據量導入計算機與視覺系統匹配度較低，導致視覺系統反饋給操作者的信息準確性和完備性不足，影響操作者對裝置的調整。基于以上分析，建立白車身焊接質量自主快速檢測機器人系統組件功能模型。

3 基于TRIZ理論焊接質檢機器人的問題分析及創新設計

1）問題1：串聯機械臂末端負重比不足。通過組件九屏分析和因果軸分析發現，白車身焊接質量快速檢測機器人現有問題是機器人機械臂負重比不足，現有的解決方案是改變機械臂的幾何結構，增強機械臂的承載能力。采用技術矛盾求解串聯機械臂末端負重比不足，經分析轉化TRIZ的39個通用工程參數，歸納出技術矛盾如下：惡化參數為No.36設備復雜性，No.13結構穩定性；改善的參數為No.07運動物體的質量、No.14強度和No.26物質或事物的數量。得到TRIZ沖突矩陣如表1所示。

表1 矛盾矩陣表

運用“物理或化學參數改變原理35：改變串聯式幾何結構”，使用混聯機構，從結構上來看，并聯機械臂構型比較緊湊，整體承載能力比較大，彌補了串聯機械臂在許多應用方面的短板[4]。與其它機構相比，并聯機構機械手臂有多種優點：精度高、反應快、剛度大、能夠承載大型零件且操作靈活。串聯機械臂結構簡單、工作空間大、關節靈活性好[5]。結合兩者的優點及互補性，因此選用混聯工作臂作為白車身焊接質量檢測機器人的主要執行機構。

2）問題2：白車身焊接質量快速檢測機器人檢測過程的靈活性和操作性不足。采用裁剪法求解機器人檢測過程的靈活性和操作性，對圖4進行系統剪裁，裁剪結果如圖5所示。

圖4 白車身焊接質量快速檢測機器人系統組件功能模型

圖5 白車身焊接質量快速檢測機器人剪裁圖示

圖5中裁剪機器人系統，將設計的混聯機構和自動掃描系統集成為一個系統，在機械臂的自主運動下完成掃描過程，實現掃描機構的全自動化；將掃描探頭和視覺系統集成為一個系統，掃描探頭將捕捉到的視覺信息傳入視覺系統，實現掃描過程的智能化、自動化、可操作化，提高了掃描機器人的檢測速度和檢測精度，大大減少了工作量。

3）問題3：檢測過程可觀測點數目不足。物-場模型是建立物體與各種場之間的聯系，包括機械場、重力場、溫度場、應力場等，即建立其宏觀和微觀的聯系。采用物-場分析求解檢測過程中可觀測點數目不足的問題。傳統的焊接質量檢測技術只能對單一的部件進行檢測，無法適用于所有的零部件，檢測攝像頭無法精準確定適當檢測點，也無法看出其對車身是否存在影響。轉化成TRIZ物-場模型分析，其中3個元素分別是車身可觀測點（S1）、檢測攝像頭（S2）、機械場（F）；在機械場中，物質2對物質1的作用關系較弱，建立物-場模型如圖6（a）所示。從物-場模型76個標準解法表中查得，可以采用解法2.2.1求解，即引入新的場來增強需要的效果，如圖6（b）所示。

圖6 物-場模型分析

4 焊接質量檢測機器人整體結構設計

根據功能分析，將整個機器人裝置劃分成不同系統，研究每個系統的缺陷和不足及相互之間的影響，得出各個部件有相互作用的關系，找到工程系統中的功能缺點或存在問題的組件。通過功能建模對其進行因果分析，通過因果分析發現機器人設計中的不足，對此進行優化，通過TRIZ理論的35號創新設計原理、裁剪法、物-場分析，得到最終機器人的設計方案。白車身焊接質量快速檢測機器人主體結構如圖7所示。

圖7 檢測機器人總體結構

移動組件1包括支撐環和多位掃描攝像頭。通過升降組件2帶動升降的移動組件1。支撐平臺4上設有多個相互交叉布置的限位槽，每個限位槽為倒置的T形結構，當車體固定在支撐平臺上時，可通過多個螺釘一端滑動設置在不同的限位槽內，另一端穿出將車體進行固定，即螺釘的釘頭與T形結構相互匹配，因此可實現對車體的快速定位，車體可在滑軌上移動實現自主定位，無需人為推動，大大節省了人力。在升降組件的帶動下，移動組件升降至車體上方的合適位置，第一電動機帶動多位掃描攝像頭進行環形運動，并隨著升降組件的移動，使得多位掃描攝像頭進行360°掃描，多位掃描攝像頭與計算機連接，用于傳輸掃描信息，利用計算機完成三維掃描，充分獲取車身信息并進行處理分析，最終輸出檢測結果。

五自由度的并/混聯機構可以實現五軸聯動，因為該機構具有易操控、精度高、靈活性好[6-7]等優點，故該檢測機器人作業裝置采用的是3UPU-PP混聯機構，是兩轉一移三自由度并聯機構和兩移動串聯機構形成的混聯機構，兩個U副間通過主動移動P副連接，其中3UPU稱為并聯機構，該機構中，定平臺在上，動平臺在下，動、定平臺均通過胡克鉸U與支鏈連接；PP稱為串聯機構[8]。該并聯支架可以實現在三維空間內的移動，動平臺可輸出3個平移自由度，無轉動，結構簡單，占地面積小，解耦容易，控制更簡單方便，運動學正解容易，可操作性強，機構各構件之間的配合精度相對較高，而且在所承受載荷方面也更好。

整體機構設計兼有剛度好、定位精確及工作空間大、控制解耦性好等多方面的綜合性能及優點，其設計的關鍵是基于操作器方位特征集的串（并）聯自由度數目和順序分配、組合方式及新型少自由度并聯機構模塊的構造。將機械化、智能化、自動化合理融合，結構簡單緊湊，不僅實現對車體表面不同焊接位置的快速自動掃描，提高檢測精度，避免車體的搬運和移動，而且實現多個掃描相應進行及機構同時自動充電，減少掃描缺陷，效率更高。

5 結論

本文運用TRIZ理論對現有的白車身焊接質量進行分析，通過九屏分析法和因果軸分析找出機器人設計過程中的缺點和不足，通過矛盾分析，運用裁剪法和物-場模型解決了機器人機械臂負重比不足、操作性和靈活性不足及焊接質量檢測觀測點不足等問題。綜合考慮白車身焊接質量快速檢測機器人的作業范圍、精度、負載能力及制造成本等方面，成功設計出白車身焊接質量快速檢測機器人，為白車身焊接質量快速檢測機器人的研發提供了研究基礎和研究依據。