基于TRIZ理论的果实采摘机器人研究

0. 引言
   
    TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)是发明问题解决理论的简称，源于1916年以G. S. Ahshuller为首的原苏联科研人员开始有关TRIZ理论和实践的研究。他们对数白万件发明专利进行分析，综合多学科领域的原理和法则，形成了TRIZ的基本理论体系。TRIZ理论提供的大部分发明原理是为了解决技术系统存在的物理矛盾和技术矛盾，而解决矛盾的目的是为了提高技术系统的理想度。其猪要内容包括:40个发明原理、39项技术特性、矛盾冲突解决矩阵、物质—场分析理论以及发明问题解决算法(ARIZ)等。

1. TRIZ理论的主要内容

    1.1  40个发明原理
   
    原理是获得冲突解所应遵循的一般规律。Ahshuller通过对250万件发明专利的分析研究，抽出了40个发明创新所遵循的原理。这些原理成为TRIZ解决技术矛盾的关键，反映了TRIZ,对创新性问题的认识和冲突处理过程。

    1.2  39项技术特性及矛盾冲突解决矩阵
   
    除了40个发明原理之外，TRIZ还抽出了产生系统冲突的典烈技术特性39项。在解决系统问题的过程中，当改善系统的某个技术特性时，往往会使系统的其它技术特性恶化，从而产生了技术冲突。矛盾冲突矩阵就是为了解决系统冲突而创造的以矩阵形式表小的冲突关系。具体的冲突解决矩阵如表1所示。

    1.3  物质—场分析

    物质—场分析是用符号表达技术系统变换的建模技术。“物质”在TRIZ中的含义非常广泛，可表达从简单的物体到具有各种复杂程度的系统;“场”则用于表达两个物体之间的相互作用和控制所必须的能量。物质—场分析模型(如图1所示)包括物体S1(包含图中的Sl.l, S1.2)、物体S2和场F等3个要素，三者缺一不可。图1中，作用体到被作用体之间的直线箭头表示希望得到的有用效应，而波浪形箭头表小在加强或完善有用效应的同时所产生的有害效应。通过对物质—场进行分析，建立起待设计系统的描述模型，从而确定技术冲突，找出问题的症结。

    1.4  发明问题解决算法(ARIZ)
   
    ARIZ是为复杂问题提供简单化解决方法的逻辑结构化过程，是TRIZ分析问题和解决问题的主要工具。其实质是对物质—场形成的初期问题进行一系列变形及再定义，按照通用的产品发明思维流程解决矛盾对立问题。ARIZ首先将系统存在的问题最小化，原则是尽可能不改变或少改变系统而实现必要的功能;其次是定义系统的矛盾对立，并将矛盾对立简化为问题模型，最后将对立领域明确化，并分析系统中可以使用的资源;然后进一步定义系统的理想解。通常为了实现系统的理想解，系统对立领域的最重要构成元素应是相互对立的物理特性，接下来是定义系统内的物理矛盾以及消除物理矛盾。物理矛盾的消除需要最大限度地利用系统内的资源以及物理、化学、几何学和效果工学的应用知识库。如果问题得不到解决，则要返回到最初的地方，对问题进行再定义。

2. 果实采摘机器人改进方案设计应用实例
   
    果实采摘是农业生产的重要环节，其季节性强、劳动量大且费用高。果实采摘机器人作为农业机器人的一种类型，目前在日本、美国与荷兰等国家已有研制和初步使用，主要用于采摘番茄、黄瓜、草莓、葡萄、西瓜、甜瓜、苹果、柑桔与甘蓝等蔬菜和水果，具有很大的发展潜力。各类果实采摘机器形式多样，但主要由机械手、末端执行器、视觉系统、控制系统与行走系统等部分组成。本文将运用TRIZ理论对果实采摘机器人的机械手与末端执行器进行分析改进，使其更能符合田间作业的要求。

    2.1 机械手
   
    机械手作为采摘机器人的主要执行部件，其功能是将末端执行器移至接近果实的位置。机械手机构一般属于空间开式链。由于农业环境的复杂性、不确定性和果实分布的随机性，采摘机械手的选型既要遵循工业机械手的基本原则，又要考虑其工作特殊性。一般果实采摘机械手进行采摘作业时，末端执行器模拟人手采摘动作。例如，抓住果实以及完成果实与花梗分离，需要手腕通过绕j轴旋转和绕i轴回转来实现(如图2所示)。