0 引言
TRIZ是“发明问题解决理论”的俄文简称。它的主要目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则；它是一种建立在技术系统进化规律基础上的问题解决系统。TRIZ表面的意思是强调解决实际问题，特别是发明问题，隐含的意思是由解决发明问题而最终实现(技术和管理)创新。
20世纪90年代以来，机器人技术的应用开始从制造领域扩充到非制造(比如宇宙探测、海底探察、管道铺设和检修、医疗、军用、娱乐等)领域，因而，人们对于机器人的性能提出了更高的要求；从而基于非结构环境、极限环境下的先进和特种机器人技术及应用研究已成为机器人技术研究和发展的主要方向。地球生物在35亿年的进化过程中，发展出来的灵巧的运动机构和机敏的运动模式，便成为机器人技术创新发展的来源。
1 TRIZ理论冲突矩阵
TRIZ提出用39个通用工程参数来描述冲突，用40条发明创造原理来指导设计人员的创新设计。并且将39个工程参数与40条发明原理建立对应关系，设计了冲突矩阵。冲突矩阵第一行是需要改进的39个技术参数，即恶化参数；矩阵第一列为引起恶化的39个技术参数，即优化参数。冲突矩阵的行与列交叉就形成了系统的技术冲突，在矩阵交叉的方格里，列写出了TRIZ推荐使用的发明创造原理序号。当面对实际问题时，找出系统的冲突参数，在冲突矩阵中找到它们的交叉点，就能得到解决问题的推荐发明原理。TRIZ中的技术矛盾解题流程，如图1所示。
图1 技术冲突解题流程
2 TRIZ理论在微型探测机器人创新设计中的应用
用TRIZ的39个通用工程参数将上述冲突矩阵抽象成一般问题的描述。
2.1 希望改善的参数如下
1）微型探测机器人整体结构设计应该紧凑合理，并且简单。过于复杂的结构设计会影响系统的完整性以及系统各部分之间的关系，因此整体结构要具有稳定性。
2）微型机器人能够通过传感器探测障碍物，从而沿着可行进的路线前行。系统要在规定的方法以及状态下完成一定的功能，要具有可靠性。
3）由于探测机器人工作环境的不确定性以及多变性，导致系统要有适应外部变化的能力，对于不同的环境要有应变的能力，即适用性及多用性。
2.2 导致恶化的参数
1）可制造性。微型探测机器人或系统制造的过程要简单，过于精密的结构会导致制造和维修上的困难。
2）可操作性。对于规定的功能，要简单易行并且方便操作。
3）系统的复杂性。过分复杂的系统，虽然能精确地完成各项功能，但是繁多的原件数目以及工作的多样性会导致控制以及制造上的问题出现。
由TRIZ理论列出冲突矩阵，如表1所示。其中对于此创新设计希望改进的参数序号为13、27、32，导致恶化的参数序号为33、35、36。参数之间相互交叉出现的序号即为得到的发明原理。即得到以下需要用发明原理解决的冲突矩阵，如表2所示。
表1 冲突矩阵表
表2 冲突矩阵
2.3 借用发明原理
根据由冲突矩阵得出的创新原理，拟定机器人的创新设计方案，通过筛选，发现可以用到的发明原理有：
1）分割原理：（1）将物体分成独立的部分；（2）使物体成为可拆卸的；（3）增加物体的分割程度。2）动态化：（1）使一个物体或其环境在操作的每一个阶段自动调整，以达到优化的性能；（2）把一个物体划分成具有相互关系的元件，元件之间可以改变相对位置；（3）如果一个物体是刚性的，使之变为可活动的或可改变的。
探测机器人的主要功能是实现在不同环境下的探测任务，对于不同的路面环境也要做出不同的步行系统与步态规划，因此采用分割原理，可将机械腿与整体结构分离，同时将身体结构与探测器分离。这样应用“局部性质”，可使身体结构、机械腿、探测器各部分结构标准化、模块化，便于更换和维修，降低成本及制造难度。
探测机器人如何躲避障碍物、准确并能够达到前行探测的任务，与机械腿的自由程度、探测系统的设计以及信号反馈快慢有关，这些都是确定探测机器人迁移性、灵活性程度高低的主要指标；同时对于不同的探测任务，需要更换不同的传感器来实现不同的探测功能，探测器的独立标准化、模块化可以帮助微型探测机器人实现多功能的探测任务。
3 微型探测机器人创新设计
应用TRIZ理论的动态化原理设计了微型探测机器人的腿部结构，一般采用具有三个转动关节的结构：其中根关节用于侧摆，髋关节用于俯仰，膝关节用于屈伸，每个关节都由独立电机驱动。由于腿部关节是铰接，因而在步行时即使出现失稳现象也具有较强的姿态恢复能力。应用仿生机器人目前发展的情况，可利用仿生六足机器人机械腿部设计来完成创新，机构示意图，如图2所示。
1-身体结构；2-侧摆腿；3-髋关节；4-髋关节电机；5-仰俯腿；
6-膝关节；7-膝关节电机；8-伸缩腿；9-伸缩腿电机
图2 微型探测机器人机构
腿部与整体结构应用分割原理，即对于不同的环境状况，可换用不同的机械腿，如轮式移动方式机械腿、履带式等。文中采取六足腿部结构进行创新研究，腿部的三个独立电机中有两个分别控制两个转动关节，另外一个实现机械腿的伸缩功能，便于探测机器人的攀爬。六足微型机器人的步态以典型的“3+3”行走步态设计，将微型机器人的六条腿分为两组，以腿1，3，5为一组，命名A组，以2，4，6为一组，命名B组，以A组到B组的摆腿顺序，规划微型机器人在一个步态周期中的步行，如图3所示。
图3 六足步态规划
1）机器人开始运动，A组准备向前摆动，B组处于支撑状态；2）A组摆起，向前跨步，B组支撑，重心前移；3）B组腿一边支撑机器人本体，一边驱动机器人使其向前移动半个步长；4）在机器人移动到位时，A组放下，变成支撑态，使机器人的重心变成在这三腿所构成的三角形内部，原B组支撑腿抬起，准备向前摆动；5）B组摆起，向前跨步，A组支撑，重心前移；6）支撑腿一边支撑机器人本体，一边驱动机器人使其向前移动一个步长。
每条腿的末端都可以伸长或者缩短，当遇到障碍物时可以调节长度，便于越过障碍物。当障碍物的高度满足一定的条件时，微型机器人越障将采用“三角步态”来越过障碍；若障碍物的高度超过一定范围，机器人将采用“多边形步态”来进行越障，并且采用“多边形步态”，机器人的越障能力明显会提高。
微型机器人的背部可更换不同的传感器来对完成不同的探测任务，采用“局部性质”，可以使身体结构与探测器可分离，有利于探测器的标准化与模块化。
4 结束语
通过分析微型探测机器人设计中存在的技术冲突问题，结合六足仿生机器人的研究现状，设计出了一种标准化、模块化的微型探测机器人，能够完成在不同环境下探测的任务，同时具有一定的越障能力，能够帮助搜救人员在自然灾害以及意外事故中，准确探测到伤者所处的地理位置，方便救援。
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本文标题：基于TRIZ理论的微型探测机器人创新设计
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