0 引言
TRIZ是“發明問題解決理論”的俄文簡稱。它的主要目的是研究人類進行發明創造、解決技術難題過程中所遵循的科學原理和法則；它是一種建立在技術系統進化規律基礎上的問題解決系統。TRIZ表面的意思是強調解決實際問題，特別是發明問題，隱含的意思是由解決發明問題而最終實現(技術和管理)創新。
20世紀90年代以來，機器人技術的應用開始從制造領域擴充到非制造(比如宇宙探測、海底探察、管道鋪設和檢修、醫療、軍用、娛樂等)領域，因而，人們對于機器人的性能提出了更高的要求；從而基于非結構環境、極限環境下的先進和特種機器人技術及應用研究已成為機器人技術研究和發展的主要方向。地球生物在35億年的進化過程中，發展出來的靈巧的運動機構和機敏的運動模式，便成為機器人技術創新發展的來源。
1 TRIZ理論沖突矩陣
TRIZ提出用39個通用工程參數來描述沖突，用40條發明創造原理來指導設計人員的創新設計。并且將39個工程參數與40條發明原理建立對應關系，設計了沖突矩陣。沖突矩陣第一行是需要改進的39個技術參數，即惡化參數；矩陣第一列為引起惡化的39個技術參數，即優化參數。沖突矩陣的行與列交叉就形成了系統的技術沖突，在矩陣交叉的方格里，列寫出了TRIZ推薦使用的發明創造原理序號。當面對實際問題時，找出系統的沖突參數，在沖突矩陣中找到它們的交叉點，就能得到解決問題的推薦發明原理。TRIZ中的技術矛盾解題流程，如圖1所示。
圖1 技術沖突解題流程
2 TRIZ理論在微型探測機器人創新設計中的應用
用TRIZ的39個通用工程參數將上述沖突矩陣抽象成一般問題的描述。
2.1 希望改善的參數如下
1）微型探測機器人整體結構設計應該緊湊合理，并且簡單。過于復雜的結構設計會影響系統的完整性以及系統各部分之間的關系，因此整體結構要具有穩定性。
2）微型機器人能夠通過傳感器探測障礙物，從而沿著可行進的路線前行。系統要在規定的方法以及狀態下完成一定的功能，要具有可靠性。
3）由于探測機器人工作環境的不確定性以及多變性，導致系統要有適應外部變化的能力，對于不同的環境要有應變的能力，即適用性及多用性。
2.2 導致惡化的參數
1）可制造性。微型探測機器人或系統制造的過程要簡單，過于精密的結構會導致制造和維修上的困難。
2）可操作性。對于規定的功能，要簡單易行并且方便操作。
3）系統的復雜性。過分復雜的系統，雖然能精確地完成各項功能，但是繁多的原件數目以及工作的多樣性會導致控制以及制造上的問題出現。
由TRIZ理論列出沖突矩陣，如表1所示。其中對于此創新設計希望改進的參數序號為13、27、32，導致惡化的參數序號為33、35、36。參數之間相互交叉出現的序號即為得到的發明原理。即得到以下需要用發明原理解決的沖突矩陣，如表2所示。
表1 沖突矩陣表
表2 沖突矩陣
2.3 借用發明原理
根據由沖突矩陣得出的創新原理，擬定機器人的創新設計方案，通過篩選，發現可以用到的發明原理有：
1）分割原理：（1）將物體分成獨立的部分；（2）使物體成為可拆卸的；（3）增加物體的分割程度。2）動態化：（1）使一個物體或其環境在操作的每一個階段自動調整，以達到優化的性能；（2）把一個物體劃分成具有相互關系的元件，元件之間可以改變相對位置；（3）如果一個物體是剛性的，使之變為可活動的或可改變的。
探測機器人的主要功能是實現在不同環境下的探測任務，對于不同的路面環境也要做出不同的步行系統與步態規劃，因此采用分割原理，可將機械腿與整體結構分離，同時將身體結構與探測器分離。這樣應用“局部性質”，可使身體結構、機械腿、探測器各部分結構標準化、模塊化，便于更換和維修，降低成本及制造難度。
探測機器人如何躲避障礙物、準確并能夠達到前行探測的任務，與機械腿的自由程度、探測系統的設計以及信號反饋快慢有關，這些都是確定探測機器人遷移性、靈活性程度高低的主要指標；同時對于不同的探測任務，需要更換不同的傳感器來實現不同的探測功能，探測器的獨立標準化、模塊化可以幫助微型探測機器人實現多功能的探測任務。
3 微型探測機器人創新設計
應用TRIZ理論的動態化原理設計了微型探測機器人的腿部結構，一般采用具有三個轉動關節的結構：其中根關節用于側擺，髖關節用于俯仰，膝關節用于屈伸，每個關節都由獨立電機驅動。由于腿部關節是鉸接，因而在步行時即使出現失穩現象也具有較強的姿態恢復能力。應用仿生機器人目前發展的情況，可利用仿生六足機器人機械腿部設計來完成創新，機構示意圖，如圖2所示。
1-身體結構；2-側擺腿；3-髖關節；4-髖關節電機；5-仰俯腿；
6-膝關節；7-膝關節電機；8-伸縮腿；9-伸縮腿電機
圖2 微型探測機器人機構
腿部與整體結構應用分割原理，即對于不同的環境狀況，可換用不同的機械腿，如輪式移動方式機械腿、履帶式等。文中采取六足腿部結構進行創新研究，腿部的三個獨立電機中有兩個分別控制兩個轉動關節，另外一個實現機械腿的伸縮功能，便于探測機器人的攀爬。六足微型機器人的步態以典型的“3+3”行走步態設計，將微型機器人的六條腿分為兩組，以腿1，3，5為一組，命名A組，以2，4，6為一組，命名B組，以A組到B組的擺腿順序，規劃微型機器人在一個步態周期中的步行，如圖3所示。
圖3 六足步態規劃
1）機器人開始運動，A組準備向前擺動，B組處于支撐狀態；2）A組擺起，向前跨步，B組支撐，重心前移；3）B組腿一邊支撐機器人本體，一邊驅動機器人使其向前移動半個步長；4）在機器人移動到位時，A組放下，變成支撐態，使機器人的重心變成在這三腿所構成的三角形內部，原B組支撐腿抬起，準備向前擺動；5）B組擺起，向前跨步，A組支撐，重心前移；6）支撐腿一邊支撐機器人本體，一邊驅動機器人使其向前移動一個步長。
每條腿的末端都可以伸長或者縮短，當遇到障礙物時可以調節長度，便于越過障礙物。當障礙物的高度滿足一定的條件時，微型機器人越障將采用“三角步態”來越過障礙；若障礙物的高度超過一定范圍，機器人將采用“多邊形步態”來進行越障，并且采用“多邊形步態”，機器人的越障能力明顯會提高。
微型機器人的背部可更換不同的傳感器來對完成不同的探測任務，采用“局部性質”，可以使身體結構與探測器可分離，有利于探測器的標準化與模塊化。
4 結束語
通過分析微型探測機器人設計中存在的技術沖突問題，結合六足仿生機器人的研究現狀，設計出了一種標準化、模塊化的微型探測機器人，能夠完成在不同環境下探測的任務，同時具有一定的越障能力，能夠幫助搜救人員在自然災害以及意外事故中，準確探測到傷者所處的地理位置，方便救援。
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本文標題：基于TRIZ理論的微型探測機器人創新設計
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