TRIZ理论在自动导引车性能提升中的应用

崔吉，段向军，赵海峰

TRIZ理论在自动导引车性能提升中的应用

崔吉，段向军，赵海峰

（南京信息职业技术学院 智能制造学院，江苏 南京 210023）

针对目前市场上差速式自动导引车机动性和稳定性不足的问题，按照TIRZ理论解决问题的理论方法对其行走系统进行功能组件分析，找出问题的主要原因并确定矛盾矩阵。依据40个创新原理，确定了改善差速式自动导引车机动性的解决方案，为自动导引车性能提升罗列出创新性方案。在此基础上，探讨了TRIZ理论在产品设计中的应用可行性，为后续AGV其他功能参数改进具有一定的借鉴意义。

自动导引车；TRIZ理论；功能分析；创新设计

自动导引车[1]（Automated Guided Vehicle，AGV）是工业自动化和物流智能仓储的重要组成部分，是一种智能移动机器人。随着“中国制造2025”和创新国家发展战略的政策实施，传统制造业在不断寻求提升设备的自动化和智能化水平，“机器换人”时代已经来临[2]。AGV在柔性智能制造、自动化物流仓储中发挥重要作用，这势必加大对AGV产品的需求量和性能提升要求，其中稳定性、机动性、灵活性、高效性、节能性是AGV产品性能提升的主要参数。目前已广泛用于烟草、物流等行业的AGV无法直接用于车间通道狭窄、路面环境差的传统制造业中，因此改善现有AGV机动性、灵活性和承载力是将传统AGV产品向制造行业推广时亟需解决的技术问题。为快速解决向制造企业提供“量身定制”的AGV产品设计过程中的技术问题，可借助创新设计方法来实现。

TRIZ理论[3-4]是近年来国内外推行的创新设计理论，已在多种产品领域进行了应用研究，如黄兆飞等[5]利用TRIZ理论中的功能分析、资源分析等方法确定矛盾矩阵，并基于发明原理解决了往复式线切割设备的贮丝筒设计问题；尹健康等[6]利用TRIZ理论中的发明原理解决了卷烟分拣作业中喷码效果差影响物流配送问题；熊爱奎[7]利用TRIZ理论中的功能模型和三轴分析，借助物场分析和发明原理解决了重型压机快速节能问题；田鹏等[8]将TRIZ理论应用于板坯铸造工艺改进中，采用资源分析确定技术冲突和矛盾矩阵，通过发明原理改善了板坯角部裂纹控制、提高了连铸质量。

本文针对传统差速式AGV产品的机动性和稳定性差、转弯半径过大的问题，采用TRIZ理论方法对其行走系统进行分析，探讨TRIZ理论在AGV产品创新设计中应用的可行性。

1 差速式AGV产品性能分析

清晰描述存在的初始问题，有助于确定其不足或缺点以及问题存在的条件或情况。AGV主要分为机械系统、电气系统、定位导航系统、动力系统、辅助装置等部分，灵活性和稳定性与机械系统中的行走机构有直接关系，但其他部分对其也有一定影响。差速式AGV行走机构一般有三轮、四轮或六轮等形式，其中两个驱动轮、其余为从动轮。目前市场上常用AGV产品如图1所示，采用中间两轮独立驱动、前后两对从向轮的六轮结构形式。当两驱动电机输出转速不同时，从动轮跟随驱动轮运动方向改变，即实现差速转向，转速差值取决于弯道半径的大小。在转向过程中，驱动电机要经历减速－匀速－加速的速度波动过程，因而不但造成AGV无法在狭窄空间内通行，进而限制其灵活性和适应性，还影响整车稳定性和运输工作效率。如果采用磁条导航方式，转弯过程中还需不断调整两驱动轮与磁条之间的距离，加剧了AGV在转弯过程中的振动进而影响稳定性。

图1 常用AGV产品及驱动图

本文针对传统差速式AGV转弯过程中需要一定弯道空间、且增加转运时间从而降低运输效率、同时产生额外机械振动的技术问题，采用TRIZ理论来寻求问题解决方法，为AGV性能提升确定可行性方案。

2 应用TRIZ理论解决差速式AGV技术问题

根据AGV转向问题描述分析可知，在转弯过程中，由于向心力存在，AGV驱动电机速度需改变，从动轮跟随驱动轮运动，为进一步确定技术问题的原因或条件，接下来按照TRIZ解题步骤来寻求该技术问题的解决方案。

2.1 AGV行走机构功能分析

AGV行走系统组件主要有电机、传动件、驱动轮、从动轮、连接件、底盘，另外地面、导航系统、工作车间为超系统，功能组件如图2所示。AGV行走系统存在以下问题：电机对驱动轮的驱动不足，只能驱动轮子转动，不能直接改变轮子转向；传动件与驱动轮相连，对驱动轮起支撑作用力不足；驱动轮对从动轮的驱动作用不足，驱动轮与从动轮的组合方式决定AGV行进方式；连接件对轮子、传动件和驱动电机起固定支撑作用，作用不足；底盘对连接件起固定作用，作用过剩；导航系统对驱动轮起约束作用，作用过剩；地面对轮子起支撑作用，作用过剩；工作车间对轮子起限制作用，作用过剩。由上述系统组件模型及组件间的相互作用，可以得出主要问题在从动轮方向控制不足和驱动轮运动性能不足。

图2 AGV行走系统功能组件图

2.2 AGV提升灵活性方案

根据AGV行走机构系统分析得知，改善的技术参数为适应性和通用性（35），恶化的技术参数为系统的复杂性（36），查找矛盾矩阵，获取得到TRIZ理论40个创新原理中的动态特性原理（15）、气压和液压结构原理（29）、热膨胀原理（37）、机械系统代替原理（28）。剔除不合适原则，优选动态特性原理（15）和机械系统代替原理（28）解决。具体方案如下：

（1）调整环境或物体性能，使其各阶段达到最优状态。得出方案1：企业在进行厂区车间规划时，有条件的可考虑将设备直线排布，尽可能让AGV保持直线运行，减少转弯情况；或是将车间进行分割为若干小区域，缩短原料转载运输的路径。

（2）分割物体，使其各部分可以改变相对位置。得出方案2：将AGV整车车架与行走机构分割开，两者可以相互独立运动，当AGV小车直线行进时，行走机构和车架一起运动，当AGV小车需要转弯时，车架借助辅助支撑机构保持不动，依靠行走机构原地旋转改变行进方向，形如行星轮系中太阳轮与行星轮转动方式。又得方案3：从AGV行走机构的主动轮考虑，将驱动轮子系统中的轮胎分割成若干部分，轮子既能横向运动、又能纵向运动，通过查询知识库得知，麦克纳姆轮、切向轮等全向轮[9]，其轮胎分割为若干个小辊子，将全向轮按一定方式排布组成行走机构，可实现AGV平面内任意方向运动。

（3）如果一个物体整体是静止的，使之移动或可动。得出方案4，由图2可知，电机、传动件和驱动轮运动相关联，电机、传动件和驱动轮的转轴位置静止，可将这几部分组合成“双舵式”驱动模块[10]，实现轮子既可以行进、又可以转动，从而实现AGV车架方向不变前提下实现平面内任意方向行进，如图3所示。

（4）采用具有可调自然频率的扭振缓冲器阻抑轴的多频振动。从提高平稳性为着眼点，可以得出方案5：将AGV行走机构中的连接件与底盘的连接由原来的刚性连接变为弹簧的柔性连接，减少轮子在进行过程中由于与地面接触点高度不同引起的机械振动，类似于高档汽车的可调节底盘悬挂系统。

（5）利用视觉/光学系统、听觉/声学系统、味觉系统、电磁系统或嗅觉系统代替机械系统。可得方案6：采用激光导航或机器视觉导航，突破了导航磁条对AGV运动区域的限制，方便更改AGV的路径。

图3 方案4中“双舵式”驱动模块图

3 方案实施

本文选取方案3、5、6，设计了一款基于磁条和视觉导航相结合全方位移动平台，如图4所示。该平台行走机构采用四驱的全向轮形式，结构简单，通过改变每个全向轮的转速，可实现AGV小车原地旋转、横向、纵向等平面内任意方向运动，极大提高了AGV的机动性和灵活性，克服了狭窄空间的限制。该平台行走机构将驱动电机、连接件和全向轮借助组合原理设计成一个独立单元模块，与底盘之间有刚性弹簧，实现轮子与地面的有效接触，避免出现轮子悬空现象，进而降低地面不平对AGV运动性能的影响，该模块安装和维护都较为方便，降低了加工制造难度。

针对磁条导航方式在AGV转向过程中的会引起额外的机械振动的问题，考虑到目前磁条导航方式的优势，并结合目前激光、视觉、惯性等导航方式特点，本文提出一种以磁条导航为主、视觉导航为辅的组合式导航方式。在直线运动时，采用磁条导航方式；当检测到需要转向的信号时，关闭磁条导航方式、启动视觉系统，采集二维码路标信息（图5），完成AGV的导航定位和转向；待转弯过程结束后，再次启动磁条导航、关闭视觉导航方式，来校正视觉导航的偏差，并引导AGV循迹运行。该方式增加了导航和控制系统的复杂性，但将磁条导航和视觉导航的优势相结合提高了AGV运行的稳定性，还进一步改善了AGV对路径更改的适应性。

图4 一种模块化行走机构的全方位移动平台

AGV在实际应用中，转弯是路径规划最重要的问题，常见为直角弯和圆弧弯。直角弯运动规划理论研究较多，方形底盘AGV的运动规划较困难，因为不能将平台抽象成质点，在转弯过程中要考虑方形底盘与前面和两侧面的安全距离，驱动电机速度调节较复杂，势必加剧AGV机械振动，影响稳定性。本文设计的AGV圆形底盘结构在直角弯的优势明显，可将AGV简化为有一定半径的质心，且可通过多种运动组合形式来通过直角弯，比如横向、纵向和原地旋转组合，圆弧轨迹，斜向和原地旋转组合。通过表1数据分析可知，斜向运动的距离和所用时间最短，从安全距离分析，直线运动方式顺利通过的转弯半径最小、运动控制最为简单。

表1 不同方式直角弯道运动数据表

注：为圆形底盘的半径，mm；max为AGV的最大速度，m/s。

4 总结

通过对目前AGV产品灵活性差问题的描述分析，通过TIRZ理论中的功能分析和因果分析，找出问题的主要原因，并用矛盾矩阵和发明原理从不同角度提出了多种用于提升AGV灵活性的解决方案。通过TRIZ理论在AGV行走机构改进的尝试，验证了其可行性，今后可以继续利用TRIZ理论来解决AGV在定位导航精度、节能及重载等方面性能提升的技术问题。

[1]张燕超，崔吉. 全方位移动机器人动力学研究[J]. 机械，2019，46（3）：18-21.

[2]张勇. 基于3C自动化加工中心的AGV小车车载控制系统的设计与研究[D]. 广州：广东工业大学，2018：1-4.

[3]陆群，顾新春. 点石成金——大学生创新激发及创新实践指导[M]. 南京：南京大学出版社，2016：55-60.

[4]赵敏. TRIZ入门及实践[M]. 北京：科学出版社，2009.

[5]黄兆飞，谢三山. 基于TRIZ的往复式线切割机床贮丝筒创新设计[J]. 机床与液压，2018，46（7）：97-101.

[6]尹健康，陈昌华，等. 基于TRIZ理论的卷烟分拣作业中喷码系统创新设计[J]. 包装工程，2018，39（9）：108-114.

[7]熊爱奎. 基于TRIZ理论解决大型压机快速和节能的问题[J]. 机械设计，2018，35（1）：377-381.

[8]田鹏，刘伟，等. 基于TRIZ理论的板坯角部裂纹控制[J]. 连铸，2017，42（4）：53-60.

[9]朱建江，邢雯丽. 应用ADAMS与ANSYS实现Mecanum轮参数设计优选[J]. 机械设计与研究，2017，33（1）：186-189.

[10]陈光超. 基于AVR的差速驱动导引小车运动控制[D]. 合肥：合肥工业大学，2016.

Application of TRIZ Theory in the AGV Performance Improvement

CUI Ji，DUAN Xiangjun，ZHAO Haifeng

( School of Intelligent Manufacturing, Nanjing College of Information Technology, Nanjing 210023, China )

Aimed to the current problem that the maneuverability and stability of the automatic guided car are not enough, the TRIZ is applied to find where conflicts exist through system components’ functional and causal analysis. The solution of the problem that AGV maneuverability and stability are presented according to 40 inventive principles, and a number of programs for product performance improvement are listed out. In the process of the problem solving, the feasibility of the TRIZ theory in product design is discussed, which will provide reference for the improvement of other functional parameters of AGV.

automatic guided vehicle；TRIZ theory；function analysis；innovative design

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.02.003

1006－0316 (2020) 02－0014－05

2019－04－09

南信院院级自然科研基金项目青年重点项目（YK20160201）；南信院工程研发中心开发基金项目（KF20170201）；2018年江苏高校“青蓝工程”优秀教学团队培养对象——工业机器人技术专业教学团队（2018-4）；江苏省高校自然科学研究面上项目（18KJB530012）

崔吉（1982－），男，山东泰安人，硕士，副教授、TRIZ国家二级咨询师，主要研究方向为工业机器人、机电一体化。