TRIZ理论应用—新型复合球副设计

    球副在机器人机构和空间机构中得到了广泛的应用。但在微型机器人中，球副的应用却非常有限，特别是在具有新型转动、移动、螺旋等功能复合的运动副的研究还没有取得重要进展。若在机器人中应用这种复合运动副，将缩小机器人机构的体积，改善机器人的性能。本文通过应用发明问题解决理论(TRIZ)成功设计出2个3构件复合的复合球副，并在应用中取得较好的效果，同时可以为4构件、5构件复合的运动副设计提供借鉴。

1.  新型复合球副的概念

    在对复合球副的设计过程中，通过大量的例子逐渐找到复合球副的共性点并参考国内外球副的结构，总结出新型复合球副必须满足以下条件:

    (1) 由相互都能形成运动功能的3个或3个以上的构件组成。

    (2)必须有一个构件与其它的构件能完成完整的球副功能。

    (3) 两两都能形成沿着(或绕着)某一轴线(或同一个点)来运动的运动副(包括球副)。

    按照这个概念，3构件(这里只考虑S,P,R,C这4种运动副与球副的复合)新型复合球副的类型有:SSS、SSP,SSC、SSR, SPR、SPC、SPP, SRR, SRC、SCC这10种。其中S代表球副，R代表转动副，P代表移动副，C代表圆柱副。

2. TRIZ理论的相关内容

    TRIZ理论是一个对创新设计非常有用的理论，可操作性、实用性非常强。TRIZ是俄文中发明问题解决理论的词头，英文为Theory of Inventive Problem Solving,1946年，前苏联G.S. AltShuller教授为首的科学家对世界范围内的数以百万计的专利进行分析、研究，发现技术系统的开发创新有规律可循，在此基础上，创造性地建立了一套体系化的实用的解决创造性问题的方法—TRIZ。TRIZ理论认为，发明问题的核心是解决冲突，未克服冲突的设计不是创新设计。TRIZ理论将冲突分为技术冲突和物理冲突。

    (1) 技术冲突是指一个作用同时导致有用及有害两种结果，也可指有用作用的引人或有害效应的消除，导致一个或几个子系统或系统变坏。

    (2) 物理冲突是指为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有一种特性，但同时出现了与该特性相反的特性。比如多少、长短、厚薄、强弱等。TRIZ理论中解决冲突的原理有40条。

    TRIZ 理用39个通用工程参数来描述技术冲突，并建立了一个39行39列的矩阵，TRIZ理论把它称为冲突矩阵。在应用冲突矩阵时，先用39个通用工程参数中的2个来描述，行为某一方面质量需要提高的工程参数，列为某一方面质量恶化的工程参数，矩阵中的元素为解决相应技术冲突的原理。下面介绍如何运用冲突矩阵。比如说，希望提高速度，又不希望力增大，对照表1，先找需要改进的工程参数9(速度)，再找质量恶化的工程参数10(力)，在两个工程参数的垂直交叉处，表格中对应的13 ,28 ,15,12即为解决这个冲突的原理。

3. 应用TRIZ理论来设计新型复合球副

    3.1 SSR型复合球副的设计

    (1) 发现冲突在对一种新型并联机器人的创新设计研究中发现，如果把连接上、下平台的球副S和转动副R复合在一起，使球副与轴之间的转动中心、与球副相连的两轴的转动中心重合，那么并联机器人的结构简单、紧凑，且对机器人的运动性能、刚度分析都大有帮助。该冲突可以描述为希望实现两个球副功能与一个转动副功能的复合且相互间转动角度较大，能很好地在大范围内响应力的变化，使机构更为灵活，也就是说该结构使物体或系统响应外部变化的能力增强;但是因为是复合结构，使得该结构的测试(包括速度、加速度、位移)较以前的非复合结构要困难。

    (2) 找出冲突的特征需要改进的特征:球副与转动副的复合且三轴之间能实现较大的相互转角并转动中心在一个点上。较以前的结构来说，力从各个角度作用于该结构都能实现上述功能的实现，物体或系统响应外部变化的能力得到增强。变坏 的 特 征:测试变得困难。因为以前的结构是分开的，测试单个物体的位移、速度相对复合结构要容易。

    (3)找出解决冲突的原理根据冲突矩阵，则有[35,28] =[35,5,1,10]。根据冲突矩阵的原理有:No5合并，也就是说将球副与转动副复合。No35参数变化，也就是说根据机器人的现实情况，调整球副与转动副的参数。

    根据原理5合并，我们将球副与转动副复合。具体如图1所示，构件1上有一个球体，构件2上端做出一个球形孔，与球体相配合，下端也一样，通过螺钉将上、下两部分固定，这样构件1与构件2可以实现球面运动。构件4与构件2类似，也是将上、下两部分做出球形孔，与球体相配合，那构件1与构件4也可以实现球面运动。构件2与构件4之间通过公差相互配合且在轴2叉形处留有足够的空间，相互转动时不会发生干涉。这样就实现了SSR结构。根据原理35参数变化，我们可以将构件1、构件2与构件4的尺寸根据使用情况进行参数化设计。原理1:分割。与本设计无关。原理10:预操作。与本设计无关。