基于需求分析和TRIZ的草莓采摘機器人產(chǎn)品創(chuàng)新方法研究.pdf

包 裝 工 程 第 45 卷 第 22 期 114 PACKAGING ENGINEERING 2024 年 11 月 收稿日期 2024 06 08 通信作者 基于需求分析和 TRIZ 的草莓采摘機器人產(chǎn)品 創(chuàng)新方法研究 席上琳 劉鍵 付思雯 北京工業(yè)大學 北京 100124 摘要 目的 當前我國草莓種植方式普遍較為傳統(tǒng) 而草莓的采摘 分揀 收獲環(huán)節(jié)需耗費大量人工勞 動力 因此設(shè)計出適用于地壟式栽培的草莓采摘機器人具有現(xiàn)實意義 方法 圍繞人 機 環(huán)境三方面探 究設(shè)計需求 提出融合 FBS 模型與 TRIZ 理論的設(shè)計方法 并探究數(shù)字仿真模型如何在設(shè)計流程中輔助 功能結(jié)構(gòu)優(yōu)化 構(gòu)建草莓采摘機器人設(shè)計方法理論框架 同時使用數(shù)字內(nèi)容生成軟件搭建場景模型及機 器人模型以輔助生成設(shè)計方案 結(jié)果 使用軌跡仿真與動力學仿真插件 對機器人的機械臂運動空間 果實夾持組件及行走機構(gòu)進行模擬 設(shè)計方案被初步驗證可行 結(jié)論 該框架能夠客觀地從多維度信息 中獲取產(chǎn)品核心需求 并引入數(shù)字仿真工具 將其與功能結(jié)構(gòu)分析和發(fā)明問題解決理論結(jié)合到設(shè)計過程 中 用于農(nóng)業(yè)機器人的創(chuàng)新設(shè)計方法探索 關(guān)鍵詞 產(chǎn)品設(shè)計 發(fā)明問題解決理論 TRIZ 數(shù)字仿真 農(nóng)業(yè)機器人 中圖分類號 TB472 文獻標志碼 A 文章編號 1001 3563 2024 22 0114 13 DOI 10 19554 ki 1001 3563 2024 22 012 Innovative Methods for Strawberry Picking Robot Products Based on Need Analysis and TRIZ XI Shanglin LIU Jian FU Siwen Beijing University of Technology Beijing 100124 China ABSTRACT The current strawberry cultivation methods in China are generally traditional and the picking sorting and harvesting of strawberries require a lot of manual labor Therefore designing a strawberry picking robot suitable for ridge cultivation has practical significance The design needs were explored around the three aspects of user machine envi ronment A design method that integrated the FBS model and the TRIZ theory was proposed and the ways to assist in structural optimization in the design process by digital simulation models were explored A theoretical framework was constructed for the design method of strawberry picking robots and digital content generation software was used to build scene models and robot models to assist in generating schemes Trajectory simulation and dynamic simulation plugins were used to simulate the motion space of the robot s robotic arm fruit gripping components and driving mechanism and the design scheme was preliminarily verified to be feasible This framework can objectively obtain core product needs from multidimensional information It can be incorporated into digital simulation tools to combine them with functional structure analysis and invention problem solving theory in the design process so as to explore innovative design methods of agricultural robots KEY WORDS product design Theory of Inventive Problem Solving TRIZ digital simulation agricultural robots 在智慧農(nóng)業(yè)背景下 發(fā)展采收機器人有著重要的 意義和必要性 主要體現(xiàn)在可以緩解農(nóng)業(yè)勞動力短缺 的問題 節(jié)省人力成本 保障農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)質(zhì)量等 當下我國面臨實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的全面建設(shè)社會 主義現(xiàn)代化國家重大任務(wù) 計劃將先進技術(shù)與現(xiàn)代裝 備等引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 提升農(nóng)業(yè)設(shè)施裝備條件 創(chuàng)造和 第 45 卷 第 22 期 席上琳 等 基于需求分析和 TRIZ 的草莓采摘機器人產(chǎn)品創(chuàng)新方法研究 115 使用新型農(nóng)業(yè)機械裝備 借力智能技術(shù)和設(shè)備 能進 一步強化生產(chǎn)性服務(wù)業(yè) 提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的能力 1 創(chuàng) 新設(shè)計主導的農(nóng)業(yè)機器人產(chǎn)品 其造型設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè) 計將受到不同要素的限制 如機器人作業(yè)對象的作物 特性 2 使用者專業(yè)知識限制等 有必要結(jié)合人工智 能數(shù)據(jù)分析方法與設(shè)計科學理論體系 實踐于采摘機 器人產(chǎn)品創(chuàng)新 1 草莓采摘機器人研究現(xiàn)狀 1 1 產(chǎn)品現(xiàn)狀分析 目前對草莓采摘機器人的研發(fā)已取得一定進展 主要聚焦于高效采收分一體化作業(yè)以及降低果實受 損率兩方面 在提升采收分一體化作業(yè)效率方面 日 本國家農(nóng)業(yè)和食品研究組織的 Yamamoto 等 3 研制了 一種與高架種植平臺相結(jié)合的草莓采摘機器人 并具 有自主定位和檢測果實形狀的功能 在降低果實受損 率方面 比利時的 Octinion 公司 4 在全自動機器人的 基礎(chǔ)上 開發(fā)出一款可根據(jù)視覺數(shù)據(jù)調(diào)整抓手力度的 柔性 3D 打印末端執(zhí)行器 挪威生命科學大學 5 開發(fā) 了纜索驅(qū)動的包裹切割式末端執(zhí)行器 采用從下至上 的作業(yè)路線 無接觸地套入果實并剪斷果梗 然而 以上研究大多適用于高架栽培模式 產(chǎn)品受到種植環(huán) 境的約束 現(xiàn)有概念方案的落地轉(zhuǎn)化潛力不足 無法 服務(wù)于我國基數(shù)龐大的傳統(tǒng)高壟種植戶群體 1 2 草莓采摘作業(yè)空間 地壟式栽培為目前我國較為普遍的栽培方式 6 草莓的種植方式 植株形態(tài)以及果實在植株間的分布 情況決定著采摘機器人的作業(yè)空間 通過田野調(diào)查發(fā) 現(xiàn) 以華北地區(qū)常見的紅顏草莓種植環(huán)境為例 草莓種 植地壟截面近似于等腰梯形 壟臺頂端寬約 400 mm 壟臺底部寬約 600 mm 高 約 150 mm 壟溝間距平均 為 300 mm 成熟的草莓果實垂掛于植株兩側(cè) 果實 密度自上而下依次增加 地壟式種植環(huán)境下的草莓采 摘作業(yè)空間見圖 1 鑒于種植方式傳統(tǒng) 操作空間狹 窄 目前在我國草莓采收工作多數(shù)仍停留在人工作業(yè) 階段 圖 1 草莓植株采摘作業(yè)空間 Fig 1 Operational space for strawberry picking 圖 2 人工草莓采摘切片流程 Fig 2 Flow of artificial strawberry picking and slice 116 包 裝 工 程 2024 年 11 月 草莓的揀選和包裝在生產(chǎn)過程中占據(jù)超過 60 的勞動力 7 目前 草莓生產(chǎn)機械化水平總體偏低 對人工的依賴非常嚴重 草莓果實的成熟期僅持續(xù) 20 30 d 且不同用途的草莓對應(yīng)不同的最佳采摘時 期 8 這意味著在短時間內(nèi)需要大量勞動力 經(jīng)設(shè)計 團隊實地調(diào)研發(fā)現(xiàn) 人工采摘草莓流程較為繁瑣 其 中包含大量重復性的彎腰或下蹲等動作 且有可能因 為操作不當導致果實受損 人工草莓采摘切片流程如 圖 2 所示 因此 我國草莓種植業(yè)對機械化代替人工 勞動力有著大量需求 同時采摘機器人具有極大的開 發(fā)空間 2 融合需求分析和 TRIZ 的采摘機器人設(shè) 計方法流程構(gòu)建 2 1 計算機虛擬仿真輔助設(shè)計 計算機虛擬仿真驅(qū)動的設(shè)計是一種利用計算機 模型和仿真技術(shù)來指導和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計的方法 Computer Simulation Methods 以下簡稱為 CSM 它可以幫助設(shè)計師在虛擬環(huán)境中快速地探索不同的 設(shè)計方案 評估產(chǎn)品的性能和可行性 發(fā)現(xiàn)和解決設(shè) 計問題 提高設(shè)計的效率和質(zhì)量 數(shù)字基于模型驅(qū)動 的思想 將產(chǎn)品設(shè)計分為不同的層次和階段 從抽象 到具體 從概念到細節(jié) 形成一個完整的設(shè)計流程 此類工具除了提供數(shù)字數(shù)據(jù)外 還向設(shè)計師呈現(xiàn)出視 覺反饋 同時加快評估時間 Vasileiou 等 9 將 CAD 繪制的被動兩足機器人結(jié)構(gòu)導入多體軟件 MSC Adams 中 建立了被動兩足機器人數(shù)字孿生的多體 動力學仿真模型 結(jié)合被動兩足機器人的實際模型 完成了被動兩足機器人設(shè)計 王昆侖等 10 采用 UE 設(shè) 計了一款應(yīng)用于仿生水下機器人的動態(tài)交互仿真測 試平臺 通過有效性測試結(jié)果證明其該平臺表現(xiàn)出較 強的交互性 真實性與可視性 考慮到數(shù)字虛擬仿真中的功能性和嚴謹性 Zhang 等 11 提出了一個五維框架 對于各個功能單 元 可以從 幾何 物理 性能 行為 約束 5 個維度建立 數(shù)字虛擬映射 幾何層描述三維模型的形狀 大小 位置等 物理層包括和物理世界相同的物理規(guī)則和特 性 性能層描述功能單元的特定能力 例如摘取物件 裝載設(shè)備等 行為層是指在程序邏輯下 數(shù)字模型執(zhí) 行與物理世界相應(yīng)的行為動作 規(guī)則層指仿真模擬運 行中的各種規(guī)則 包括派生規(guī)則 關(guān)聯(lián)規(guī)則 約束規(guī) 則等 本文將該五維框架作為藍本來指導數(shù)字仿真模 型的搭建 以輔助產(chǎn)品的需求尺度分析以及可行性驗 證 2 2 設(shè)計需求分析與問題解決方法 現(xiàn)階段已有大量研究采用層次分析法 KANO 模 型 質(zhì)量功能展開等經(jīng)典產(chǎn)品設(shè)計方法進行方案選 擇 需求權(quán)重分配 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化 設(shè)計過程管理等 相關(guān)研究 在農(nóng)業(yè)機械的創(chuàng)新設(shè)計領(lǐng)域 趙啟明等 12 基于人因工程學相關(guān)理論 對微耕機的設(shè)計缺陷進行 分析并提出改進策略以消除事故隱患 文俊中等 13 提出了 AHP FBS TRIZ 的設(shè)計流程 通過獲取關(guān)鍵產(chǎn) 品特性 建立概念性功能系統(tǒng) 隨后求解功能實現(xiàn)的 結(jié)構(gòu)載體 實現(xiàn)果園管理機要素優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計 蘇 建寧等 14 采用 AHP QFD TRIZ 的設(shè)計方法 分析了 結(jié)構(gòu) 功能及造型等關(guān)鍵要素 完成玫瑰花蕾采摘機 改進設(shè)計 使花蕾采集作業(yè)效率得到提高 本研究以 FBS 模型作為基準流程框架 并應(yīng)用 TRIZ 理論作為解決沖突的指導方法 情境 FBS 模型 15 16 是在傳統(tǒng) FBS 功能 行為 結(jié)構(gòu) 模型 17 基礎(chǔ)上 引入三種遞歸連接的環(huán)境 分別為客觀世界 解讀世 界和預期世界 提出了功能 行為及結(jié)構(gòu)這三種變量 的轉(zhuǎn)化可能發(fā)生在上述三種不同類型的環(huán)境里 并貫 穿于規(guī)劃 Formulation 合成 Synthesis 分析 Analysis 和評估 Evaluation 過程中 作為設(shè)計 活動的參考過程 TRIZ 理論主要應(yīng)用于解決產(chǎn)品設(shè) 計中的矛盾問題 首先要確定矛盾的屬性 然后運用 相應(yīng)的工程技術(shù)參數(shù)進行描述 并選擇矩陣中的發(fā)明 原理解決矛盾 本研究選用以上兩種方法 對采摘機 器人的設(shè)計流程而言 可以從結(jié)構(gòu)化信息中總結(jié)出 功能模型 輔助設(shè)計者做出更加客觀有效的產(chǎn)品優(yōu) 化決策 2 3 采摘機器人設(shè)計思路框架 由于在設(shè)計過程中需要不斷發(fā)現(xiàn)問題并進行方 案的調(diào)整修正 故本研究采取 通過設(shè)計做研究 Research through Design RtD 18 的研究范式 這 是一種基于設(shè)計的研究方法 旨在通過設(shè)計的過程和 結(jié)果來產(chǎn)生和傳播新的知識 并強調(diào)對設(shè)計過程的反 思和記錄 數(shù)字仿真技術(shù)驅(qū)動下 以需求分析 問題 解決為導向的草莓采摘機器人造型設(shè)計流程如圖 3 所示 在設(shè)計方法層面 使用 KJ 法整合用戶需求并獲 取草莓采摘機器人及相關(guān)技術(shù)專利文本進行 TF IDF 重要度分析和主題聚類 探索產(chǎn)品的需求要素 將數(shù) 據(jù)分析結(jié)果進行功能定位后 進一步映射生成功能 行為 結(jié)構(gòu)框架 基于此構(gòu)建產(chǎn)品功能模型分析圖并 發(fā)現(xiàn)潛在沖突問題 選擇相應(yīng) TRIZ 理論重新整合草 莓采摘機器人的機身結(jié)構(gòu) 分析各裝置結(jié)構(gòu)功能設(shè)計 中的多對矛盾沖突 隨后利用阿奇舒勒矩陣分離原理與 發(fā)明原理 確定采收分系統(tǒng)的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和 參數(shù) 與此同時 使用數(shù)字虛擬軟件搭建采摘環(huán)境模型 以及采摘機器人方案數(shù)字孿生體 完成草莓采摘機器 人的整體概念設(shè)計 并在視景仿真場景中初步進行方 案可用性驗證 該流程除了對設(shè)計理論作出擴展外 還向設(shè)計師呈現(xiàn)出視覺反饋 同時加快了評估效率 第 45 卷 第 22 期 席上琳 等 基于需求分析和 TRIZ 的草莓采摘機器人產(chǎn)品創(chuàng)新方法研究 117 圖 3 草莓采摘機器人設(shè)計流程 Fig 3 Design process of strawberry picking robot 3 草莓采摘機器人設(shè)計實踐 3 1 基于 人 機 環(huán)境 的設(shè)計需求分析 本研究圍繞 人 機 環(huán)境 三方面進行設(shè)計需求 分析 將需求分類為用戶需求 產(chǎn)品技術(shù)需求以及空 間尺度需求 首先 通過尋找種植戶 農(nóng)場主等相關(guān) 從業(yè)人員進行訪談 將訪談內(nèi)容采用 KJ 法 19 歸納得 出用戶需求 隨后 篩選獲取草莓采摘機器人相關(guān)專 利摘要文本 將文本清洗后 使用 LDA 主題模型聚 類法獲取各功能模塊的技術(shù)需求 實地測量草莓種植 園區(qū)中道路寬度 植株高度 壟溝深度等數(shù)據(jù) 分析 其關(guān)鍵節(jié)點的空間尺度需求 并在數(shù)字軟件中搭建仿 真環(huán)境為后續(xù)工作提供參考 選取華北地區(qū)三個村鎮(zhèn)的草莓種植戶 農(nóng)場主 農(nóng)業(yè)從業(yè)者等 11 人 采用半結(jié)構(gòu)化訪談法鼓勵以上 用戶開展思維發(fā)散 回放訪談音頻 列舉出能夠轉(zhuǎn)化 為用戶需求的相關(guān)訪談內(nèi)容見表 1 通過收集訪談數(shù) 據(jù)并進行焦點小組討論 基于用戶對功能的偏好程度 進行規(guī)范精簡用語 整合同義需求 去除重復需求 最終提取出 14 項功能性指標 根據(jù)功能卡片的親和 度采用 KJ 法進行分類 得出三個需求門類分別為 功能需求 操作需求和外觀需求 為確保技術(shù)的可行性 通過專利摘要文本的主題 聚類得出主要功能模塊及其技術(shù)應(yīng)用 以確定設(shè)計方 案具備進一步開發(fā)和應(yīng)用的基礎(chǔ) 由于專利中的摘要 蘊含大量技術(shù)信息要點 可以幫助設(shè)計者快速了解專 業(yè)技術(shù)領(lǐng)域 技術(shù)問題 技術(shù)方案和主要用途等 20 表 1 用戶需求清單 Tab 1 User needs 訪談內(nèi)容 需求提取 類別 別太占地方 否則儲物間放不下 節(jié)省空間 晚上把棉被放下來保溫 晚上不是怕冷嗎 里面沒有燈 希望這個時候也能工 作 可以夜間工作 游客摘剩下的我們都得自己處理 這就需要加緊 效率高 如果能分大小就好了 機器的話可能同一個模式按它的標準來 不一定適合 自動給果實分類 像我們這邊都是橫著一排排種的 每行只有七八米的長度 希望它知道該怎么 走 不用我們手動去挪它 自動導航 發(fā)現(xiàn)有磕壞的還要揀出來 很麻煩 減少果實磕損 功能需求 如果把機器搬進大棚需要費時費力的話 那還不如自己摘 方便移動 直觀交互 我們不太會操作現(xiàn)在的新設(shè)備 語音控制就挺好 最好機器也能給出反饋 告 訴我們目前進度怎么樣了 顯示工作進度 每個園子的品種不一樣 如果需要更換籃子的話最好能方便一些 方便拆卸更換 機器呀 首先成本吧 一般先考慮的都是成本 使用成本較低 操作需求 造型美觀 識別度高 希望能用上物美價廉的產(chǎn)品 外觀可以樸素一些 不用特別高科技 走在園子 里面的時候最好能顯眼一點 需要的時候一眼就能找到它在哪兒 產(chǎn)品親和力 外觀需求 118 包 裝 工 程 2024 年 11 月 選擇將草莓采摘機器人相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠鳛榉治鰧ο?專利檢索詞條內(nèi)容為 草莓采摘 應(yīng)用領(lǐng)域限定在 農(nóng)業(yè) 大類下的二級領(lǐng)域 農(nóng)業(yè)機械和機具 專 利類型限定為發(fā)明專利和實用新型專利 主題聚類如 表 2 所示 根據(jù)產(chǎn)品創(chuàng)新技術(shù)主題聚類 結(jié)合采摘機 器人的作業(yè)流程 近年來采摘機器人的相關(guān)專利成果 指向三大技術(shù)需求 分別為場景勘測與行駛 自動化 采摘與果實分揀收集 草莓種植園區(qū)是采摘機器人的主要工作場景 包 括壟臺 壟溝 植物 通行道路等諸多節(jié)點 因此設(shè) 計過程中不僅需要考量用戶需求 技術(shù)可行性 還需 要兼顧草莓種植環(huán)境中的各種尺度和約束 以北京郊 區(qū)的某草莓種植園為例 通過實地觀察法對園區(qū)的各 個節(jié)點進行信息采集 成立焦點小組研討采摘機器人 在工作場景中可能面臨的情況 以挖掘產(chǎn)品對環(huán)境的 需求 如表 3 所示 依據(jù)領(lǐng)域?qū)＜乙庖妼⑸鲜龅贸龅挠脩粜枨?技術(shù) 需求及環(huán)境需求與功能主題對應(yīng) 對需求要素進行整 合 其中導航系統(tǒng)可以滿足用戶無需操控的需求 圖 像識別功能配合特定的果實收集裝置可以滿足輔助 分揀的需求 行走機構(gòu)中減震 爬坡 轉(zhuǎn)彎功能用于 滿足復雜環(huán)境下的作業(yè)需求 用戶提到的 對機器的 操控感 則需要由交互功能模塊來實現(xiàn) 3 2 功能 行為 結(jié)構(gòu)映射 以上述得出的采摘機器人四項需求模塊為基本 功能層 將實現(xiàn)其功能的設(shè)備行為作為轉(zhuǎn)化因子 執(zhí) 行 FB BS 映射 實現(xiàn)產(chǎn)品 功能 行為 結(jié)構(gòu) 的轉(zhuǎn)化 21 表 2 草莓采摘機器人專利技術(shù)主題詞匯 Tab 2 Theme vocabulary of patent technology for strawberry picking robot 主題 主題詞匯 技術(shù)需求 Topic 1 采摘機器人 驅(qū)動 面板 電機 車體 收集 刀片 系統(tǒng) 移動 導軌 伸縮 隔板 伸縮桿 Topic 2 驅(qū)動系統(tǒng) 支撐 驅(qū)動 機械 智能 電機 自動化 動輪 采摘車 行走 支撐架 攝像 場景勘測與行駛 Topic 3 機械臂 模塊 連接 收集 視覺 傳感器 機械臂 驅(qū)動 連桿 鉤爪 滑塊 氣缸 執(zhí)行 Topic 4 遠程控制 控制器 連接 電機 運動 遠程 過程 終端 步進 提供 智能 無線通信 Topic 5 自動化采摘 執(zhí)行 行走機構(gòu) 機械臂 連接 視覺 固定 成熟 末端 識別 特征 組成 自動化采摘 Topic 6 果實采集輸送 面板 成熟度 檢測 存儲 摩天輪 剪切 輸送 機架 剪切機 輸送機 Topic 7 智能識別 果品 智能 成熟 前端 遠程 協(xié)作 信息 圖像 自動 類別 標注 判別 果實分揀收集 表 3 環(huán)境需求分析 Tab 3 Analysis of environmental needs 場景 節(jié)點 介紹 圖片 需求 草莓植株 成熟的草莓呈下垂狀態(tài) 位置靠下 上方有葉 片遮擋 靈活的采摘機構(gòu) 光線補充 壟溝 寬度狹窄 僅能容納一人通過 行走機構(gòu)占用空間較少 種植田 土壤 土壤凹凸不平 行走機構(gòu)減震 斜坡 壟溝和道路之間有高度落差 由斜坡相連 爬坡功能 道路 在田地一側(cè) 供種植人員行走 較為平坦 寬 度不到 1 5 m 減少轉(zhuǎn)彎半徑 通道 儲物間 通常建在大棚入口處 里面放有農(nóng)具等雜物 門框較窄 寬度不超過 80 cm 車身尺寸限制 第 45 卷 第 22 期 席上琳 等 基于需求分析和 TRIZ 的草莓采摘機器人產(chǎn)品創(chuàng)新方法研究 119 在此過程中需要將提取到的功能要素轉(zhuǎn)化為 行為的 實現(xiàn)方式 而后根據(jù)上述行為變量列舉出 達到功 能目的的結(jié)構(gòu)組件 通過定位 采摘果實 放置果 實等一系列行為動作映射出智能采摘機器人的結(jié)構(gòu) 需求 見圖 4 第一步是功能 F 行為 B 映射 總功能層 分解為場景勘測與行駛 自動化采摘 果實分揀收集 交互四個子功能層 考慮地壟式草莓種植場景和條 件 將每個子功能轉(zhuǎn)換為操作行為 即描述每個子功 能如何運作或表現(xiàn) 第二步是行為 B 結(jié)構(gòu) S 映射 結(jié)構(gòu)被定 義為人工制品的組件元素及其關(guān)系 是產(chǎn)品或系統(tǒng)的 組成部分或?qū)崿F(xiàn)方式 如適用于在不規(guī)則地形行駛的 三角履帶 可用于判定形狀的雙目攝像機等 根據(jù)預期結(jié)構(gòu)要素及其相互作用原理 建立采摘 機器人功能模型見圖 5 確定元件間關(guān)系中的標準作 用 并用不同線形區(qū)別不足作用 過剩作用和有害作 用 22 該圖也能展現(xiàn)零件或設(shè)備的布局和用途 輔助 設(shè)計者創(chuàng)建硬件設(shè)計的藍圖 以便于后續(xù)優(yōu)化過程中 規(guī)劃產(chǎn)品的結(jié)構(gòu) 功能和邏輯 圖 4 功能 行為 結(jié)構(gòu)映射 Fig 4 Function behavior structure mapping 圖 5 草莓采摘機器人功能模型 Fig 5 Functional model of strawberry picking robot 120 包 裝 工 程 2024 年 11 月 3 3 設(shè)計要素沖突的 TRIZ 轉(zhuǎn)化 TRIZ 是俄文 發(fā)明問題解決理論 的首字母 是 由阿奇舒勒團隊從 250 多萬份高水平專利中總結(jié)出 來 應(yīng)用于創(chuàng)新問題解決的系統(tǒng)化理論體系 23 在 擬 定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框架的過程中 為滿足異質(zhì)化的產(chǎn)品功 能 導致形成一些相互矛盾的問題 見表 4 例如 為減少采摘機器人的作業(yè)次數(shù) 果實收納裝置需要較 大的儲物空間 但機器人又要盡量具有較小的體量 以通過空間有限的種植田 草莓種植地壟之間的可通 過空間較為狹窄 平均寬度僅為 30 cm 左右 而采摘 機器人需要安裝多種機械元件 對采摘機器人的造型 結(jié)構(gòu)和行駛方式來說是一種挑戰(zhàn) 機器人在田間行駛 時難免產(chǎn)生顛簸 而草莓的表皮組織極為脆弱 如 果放置于普通容器中則容易受到碰撞擠壓 導致果 實損傷 表 4 沖突分析及解決原理 Tab 4 Principles of conflict analysis and resolution 沖突類型 沖突 改善參數(shù) 惡化參數(shù) 推薦發(fā)明 分離原理 原理說明 物理沖突 作業(yè)空間與機器人 體積 空間分離原理 元件某一部分具有特性 P 另一部 分具有特性 P 在空間上分離該 兩部分 收納裝置的容量與 果實易受損程度 NO 7 運動 物體的體積 NO 27 可 靠性 1 11 40 1 分割原理 11 預先應(yīng)急措施原理 40 復合材料原理 技術(shù)沖突 功能增加與操作便 捷性 NO 35 適用 性及多用性 NO 33 可 操作性 24 10 24 中介物原理 10 預先作用原理 采摘機器人的行進系統(tǒng)需具有較高的地形通過 性 需要提高履帶對地面的附著力與牽引力 常規(guī)的 解決方案是增加履帶寬度和機身寬度 然而 草莓種 植田中壟溝的單列寬度僅有 30 cm 由于行走空間狹 窄 導致機器人的尺寸需求存在物理沖突 采用空間 分離原理 讓機器人的履帶在草莓植株左右兩側(cè)的壟 溝處行進 將采摘系統(tǒng)與收納裝置設(shè)置于草莓植株上 方 與行進系統(tǒng)在空間上得以分離 在草莓園中 機 器人還面臨著行駛到田地盡頭時 由于道路狹窄而難 以轉(zhuǎn)向的問題 解決方案如圖 6 所示 安裝四個電機 分別獨立控制四個履帶輪 通過兩側(cè)輪胎正反轉(zhuǎn)向?qū)?現(xiàn)在狹小空間內(nèi)原地調(diào)頭等動作 圖 6 機器人轉(zhuǎn)向示意 Fig 6 Diagram of robot steering 解決技術(shù)沖突問題 即找出問題中涉及的兩個工 程參數(shù) 并在 TRIZ 的 39 個工程參數(shù)中確定需要改 進的參數(shù)和可能惡化的參數(shù) 例如選擇第 27 個參數(shù) 可靠性 作為要改善的參數(shù) 選擇第 7 個參數(shù) 運 動物體的體積 作為要削弱的參數(shù) 查找 TRIZ 的矛 盾矩陣 得到以下四個序號 14 1 40 11 根據(jù) 先驗知識選取分割原理 預先應(yīng)急措施原理和復合材 料原理 為實現(xiàn)采收分一體化作業(yè) 對已分類草莓高效無 損傷存放成為關(guān)鍵問題 根據(jù) 17 號多維化原理和 24 號中介物原理 將收納轉(zhuǎn)盤設(shè)計為可拆卸的模塊化多 層結(jié)構(gòu) 外圈的每個卡槽內(nèi)鑲嵌有彈性橡膠夾持構(gòu) 件 末端執(zhí)行器摘取草莓后 將收納盤上的滑塊向內(nèi) 推 直至里層卡扣將夾爪位置鎖定 此時果梗在被放 置的過程中逐漸被夾持穩(wěn)固 草莓懸掛于轉(zhuǎn)盤上能夠 減少相互碰撞 待機狀態(tài)下 果農(nóng)可將收納轉(zhuǎn)盤拆除 另行存放 同時機械臂呈折疊狀態(tài) 可節(jié)省采摘機器 人所占用的空間 在現(xiàn)階段 已有研究 4 5 通過末端執(zhí)行器上攝像 頭配合視覺識別算法對草莓的尺寸和成熟度進行判 定 但隨著采摘機器人組件和功能的增加其操作便捷 程度也逐漸降低 參考 10 號預先作用原理 收納裝 置可同時被賦予分揀裝置的功能 基于此 使用者在 每次機器人作業(yè)后直接收取已經(jīng)分類完成的果實 減 免人工分類的工作量 同時 當草莓以懸掛的形式被 收納 非常規(guī)的收納裝置增加了用戶操作的復雜程 度 為改善可操作性 將草莓收納盤設(shè)計為模塊化可 拆卸組件 并在其上設(shè)置鏤空連接結(jié)構(gòu)以便于使用者 在采收作業(yè)前后安裝和拆卸 單個收納盤可穩(wěn)定放置 于桌面 工作臺等平面上 以便后續(xù)果實加工處理 模塊化果實收納裝置見圖 7 第 45 卷 第 22 期 席上琳 等 基于需求分析和 TRIZ 的草莓采摘機器人產(chǎn)品創(chuàng)新方法研究 121 圖 7 模塊化果實收納裝置 Fig 7 Modular fruit storage device 3 4 采摘機器人的數(shù)字仿真模型搭建 為配合采摘機器人結(jié)構(gòu)方案的可行性設(shè)計 搭建 視景仿真的三維場景 其主要內(nèi)容是對仿真實體建模 并運用數(shù)據(jù)來驅(qū)動模型 24 仿真環(huán)境建模包括種植地 形 草莓植株 采摘機器人等 借此直觀地觀察田間 草莓采摘作業(yè)流程 數(shù)字模型的構(gòu)建應(yīng)從 幾何 物 理 性能 行為 規(guī)則 5 個維度進行映射 在幾何層面 需按照真實草莓種植田地尺寸搭建場景模型 而后將 采摘機器人 CAD 模型導入數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)作 Digital Content Creation DCC 工具中進行網(wǎng)格化預處理 并創(chuàng)建材質(zhì)及紋理特征 在物理層面 對模型設(shè)置碰 撞體和摩擦力等 在性能層面 需體現(xiàn)出機器人各組 件的功能 例如機械臂的自由度 工作空間 運動速 度等 在行為層面 設(shè)置機器人各個組件在關(guān)鍵點 位的空間位置 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)等 插入關(guān)鍵幀 通過動 畫觀察數(shù)字仿真模型的行為軌跡 在規(guī)則層面 包 括但不限于模擬采摘機器人在種植田中的行駛路 線 為機械臂各關(guān)節(jié)的運動模式設(shè)定限位等 以確 保仿真模型合理運行 采摘機器人數(shù)字仿真模型搭 建示意圖見圖 8 圖 8 數(shù)字仿真模型搭建 Fig 8 Digital simulation modelling 122 包 裝 工 程 2024 年 11 月 4 方案生成與可用性驗證 4 1 采摘機器人設(shè)計方案 采摘機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 9 所示 提出了一種基 于獨立電機控制的三角履帶式行走結(jié)構(gòu) 可以大幅提 高復雜地形的通過性 滿足了中國式農(nóng)村草莓種植園 環(huán)境的設(shè)計需求 采摘機器人運行的空間需橫跨地壟 式種植環(huán)境下草莓單行種植區(qū)域 尺寸長 110 cm 寬 76 cm 底盤高 50 cm 機器人車身與每個履帶輪組 的連接處分別裝有扭轉(zhuǎn)電機 可獨立控制履帶轉(zhuǎn)角完 成小半徑轉(zhuǎn)向 考慮到體積限制 選用 CyberGear 型 號驅(qū)動電機安裝在每個履帶輪組的支撐架內(nèi) 驅(qū)動電 機的輸出軸與履帶的驅(qū)動齒輪固定連接 固定攝像頭 位于車身前端靠右位置且其底部通過螺釘固定安裝 在車身機箱上 用于采集作業(yè)環(huán)境中的圖像 識別作 業(yè)環(huán)境中的較大尺寸目標物 并與激光雷達聯(lián)合執(zhí)行 導航任務(wù) 機器人搭載采收分一體化功能 視覺系統(tǒng) 設(shè)備采用 ZED mini 型雙目深度相機 采用 眼在手 上 系統(tǒng)的安裝方式固定在機械臂末端 在采摘的過 程中相機跟隨機械臂運動 采用基于人工智能的目標 檢測算法可完成對成熟草莓的自動識別和坐標定位 定位完成后調(diào)整機械臂位置 位于末端執(zhí)行器上半部 分的刀片將果實梗切斷 同時下半部分的橡膠墊保持 夾持狀態(tài) 末端執(zhí)行器一次作業(yè)結(jié)束 把果實送到相 應(yīng)的收納盤卡槽內(nèi) 造型設(shè)計突出親和力 使用具有抗沖擊力和耐腐 蝕性的玻璃纖維外殼 主體選擇銀灰色與深灰色相搭 配 減小農(nóng)戶對人工智能替代人力造成的異質(zhì)感 方 案效果如圖 10 所示 針對草莓這類軟果類果實需要 特殊采摘收納方式的現(xiàn)狀 將盤旋式果實無損收納裝 置同草莓機器人造型融為一體 大幅度提高了果實收 納容量 本研究提出的草莓采摘機器人可以晝夜作 業(yè) 大幅度縮短采摘周期的同時 也降低了人工采摘 對草莓造成的損害 對于中國農(nóng)村空巢老齡化 勞動 力不足等現(xiàn)實問題具有一定的應(yīng)用價值 4 2 結(jié)構(gòu)功能可行性驗證 4 2 1 機械臂運動空間 為分析采摘機械臂的運動空間 本研究借助三維 軟件 Blender 骨骼模式下的 IK 功能進行姿態(tài)模擬 圖 9 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案 Fig 9 Product structure scheme 圖 10 產(chǎn)品效果圖 Fig 10 Product rendering 第 45 卷 第 22 期 席上琳 等 基于需求分析和 TRIZ 的草莓采摘機器人產(chǎn)品創(chuàng)新方法研究 123 反向動力學 Inverse Kinematics IK 算法是指在給 定末端骨骼的位置信息后 根據(jù)末端骨骼的位置信息 反向推導出該骨骼繼承鏈上 N 級前置骨骼及關(guān)節(jié)的 位置信息 25 26 根據(jù)機械臂構(gòu)造綁定骨骼并設(shè)置限 位 將末端骨骼定位于末端執(zhí)行器上 分別選取果 實生長位置 果實輸送過程 最下端果實收納盤 最上 端果實收納盤作為關(guān)鍵節(jié)點 觀察到末端執(zhí)行器位 于這些節(jié)點時 機械臂結(jié)構(gòu)未發(fā)生碰撞且各關(guān)節(jié)未 產(chǎn)生扭曲 初步證實了采摘執(zhí)行機構(gòu)方案的可行性 見圖 11 圖 11 機械臂姿態(tài)模擬 Fig 11 Posture simulation of robotic arm 4 2 2 果實夾持穩(wěn)定性 果實收納盤上的夾指需要穩(wěn)定夾持草莓果梗 避 免果實掉落導致的碰撞損傷 當夾指夾緊果梗時 設(shè) 定被夾持部分為規(guī)則圓柱體 以果梗的橫截面為 xOy 二維坐標平面 并以果梗軸線為 z 軸 點 O 在 z 軸上 設(shè)夾指對果梗兩側(cè)的接觸正壓力分別為 F 1 和 F 2 建 立穩(wěn)定夾持下的簡化力學模型如圖 12 所示 夾指接觸面對果梗產(chǎn)生的正壓力均通過圓心點 O 當穩(wěn)定夾持果梗時 獲得靜力學平衡方程為 2 1 i i F G 1 式中 F i 為材料接觸面對果梗接觸正壓力 為 摩擦因數(shù) G 為果實受到的重力 由于夾爪處于鎖止狀態(tài) 果梗的接觸正壓力來源 于夾指材料形變產(chǎn)生的應(yīng)力 應(yīng)力 及彈性模量 E 的 公式分別為 i F S 2 E 3 式中 S 為物體受力面積 為夾指上彈性材料 的應(yīng)變 夾指擬選用軟體機器人常用的硅橡膠材料 dragon 10 skin medium 當該材料垂直于受力方向的應(yīng)變?yōu)?0 2 時 彈性模量約為 0 025 MPa 27 根據(jù)前期實驗 28 橡膠材料與植物果梗之間的摩擦因數(shù)取 0 85 為保險 起見 草莓果實受到的重力取 0 8 N 聯(lián)立方程式 求得當夾指厚度至少為 9 4 mm 時 可以提供足夠的 摩擦力保持果實被夾持在收納盤上不會掉落 繪制單個夾爪的簡化裝配體模型見圖 13 使用 圖 12 草莓果梗受力分析 Fig 12 Force analysis of strawberry stem 圖 13 果實夾取狀態(tài)仿真 Fig 13 Simulation of fruit picking status 124 包 裝 工 程 2024 年 11 月 Solidworks 中的 motion 模塊進行運動算例仿真 設(shè)定 夾指的材料參數(shù)并定義摩擦因數(shù) 推動滑塊使得左右 夾指呈平行狀態(tài)夾緊果實 隨后模擬果實在收納盤上 的運動路徑 讓夾爪與果實圍繞收納盤的半徑旋轉(zhuǎn) 360 跟蹤果實坐標 Y 分量的線性速度生成時間 速 度和時間 加速度變化圖 當 0 4 s 時夾爪鎖止后 果 實在豎直方向的速度與加速度均保持為 0 這意味著 理想狀態(tài)下果實被掛在收納盤上時不會發(fā)生脫落 4 2 3 輪組減震性能 在 Solidworks 中構(gòu)建行走機構(gòu)的三維簡化模型 為各組件添加驅(qū)動副約束并對驅(qū)動輪設(shè)置驅(qū)動函數(shù) 使行走機構(gòu)產(chǎn)生運動趨勢 搭建用于運動仿真的行駛 系統(tǒng)虛擬樣機如圖 14 所示 該模型由 1 個車身和 4 個履帶行走機構(gòu)組成 履帶行走機構(gòu)位于車身兩側(cè) 通過固定副與車身連接 每一組履帶行走機構(gòu)包含 1 個驅(qū)動輪 1 個張緊輪 3 個支重輪 3 個懸掛及 1 條履帶 支重輪通過旋轉(zhuǎn)副與懸掛相連 在支重輪的 懸臂與支撐架之間設(shè)置有旋轉(zhuǎn)彈簧阻尼器 采摘機器 人常規(guī)行駛平均速度為 2 5 km h 對應(yīng)驅(qū)動輪馬達的 函數(shù)為 STEP TIME 0 0D 0 656D 同時建立對照組三 維模型 對照組行走機構(gòu)由 1 個車身和 4 個普通車輪 組成 車身長 寬 高保持不變 僅將行走機構(gòu)的履 帶輪組改為常規(guī)車輪 讓兩組模型以相同的速度行 圖 14 履帶輪組結(jié)構(gòu) Fig 14 Structure of track wheel group 進 通過同一種不規(guī)則地形 對比兩組車身的俯仰角 度 29 作為行駛穩(wěn)定性的指標 為模擬采摘機器人行駛作業(yè)環(huán)境 將采集到的土 壤圖像進行灰度值 30 特征提取后 將灰度圖導入 DCC 軟件以創(chuàng)建數(shù)字仿真土壤地形 31 灰度圖構(gòu)建 三維地形是一種利用灰度值表示高程的方法 可以在 計算機圖形中生成三維地形模型 車身俯仰角度隨時間變化圖見圖 15 當采用履 帶輪組時 車身在不規(guī)則土壤中的俯仰角度相較普通 車輪更為平緩 體現(xiàn)出本設(shè)計方案在不規(guī)則地形上具 有較好的穩(wěn)定性 圖 15 行走機構(gòu)仿真 Fig 15 Simulation of walking mechanism 5 結(jié)語 本研究以設(shè)計適用于地壟式種植環(huán)境下的草莓 采摘機器人為出發(fā)點 對草莓種植環(huán)境實地調(diào)研后 提出將基于需求分析和 TRIZ 的集成模型作為指導框 架 運用設(shè)計理論指導草莓采摘機器人的設(shè)計過程 同時使用數(shù)字仿真技術(shù)搭建草莓采摘場景 實現(xiàn)了草 莓采摘機器人作業(yè)流程的可視化 為設(shè)計提供了有效 的數(shù)據(jù)支撐 采摘機器人方案在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上增 加了適用于地壟間行駛的結(jié)構(gòu) 并搭載采收分一體化 功能以減少人工勞作 在全面推進鄉(xiāng)村振興背景下具 有一定的應(yīng)用價值 最終功能仿真分析結(jié)果較為理 想 驗證了該設(shè)計框架在農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品開發(fā)中的合理 性 后續(xù)有待細化數(shù)字仿真系統(tǒng) 并進一步全面化 多維度地探討產(chǎn)品研發(fā)需求 推進農(nóng)業(yè)機械化產(chǎn)品開 發(fā) 為農(nóng)作物采收場景提供參考 優(yōu)化資源配置 助 力提升農(nóng)業(yè)全要素生產(chǎn)率 參考文獻 1 馬紅坤 毛世平 陳雪 小農(nóng)生產(chǎn)條件下智慧農(nóng)業(yè)發(fā) 展的路徑選擇 基于中日兩國的比較分析 J 農(nóng)業(yè) 經(jīng)濟問題 2020 41 12 87 98 MA H K MAO S P CHEN X Exploring the Develop ment Path of Smart Agriculture in China Based on the Comparative Analysis between China and Japan J Is sues in Agricultural Economy 2020 41 12 87 98 第 45 卷 第 22 期 席上琳 等 基于需求分析和 TRIZ 的草莓采摘機器人產(chǎn)品創(chuàng)新方法研究 125 2 劉成良 貢亮 苑進 等 農(nóng)業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)研究 現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 J 農(nóng)業(yè)機械學報 2022 53 7 1 22 LIU C L GONG L YUAN J et al Current Status and Development Trends of Agricultural Robots J Trans actions of the Chinese Society for Agricultural Machin ery 2022 53 7 1 22 3 YAMAMOTO S HAYASHI S SAITO S et al Devel opment of Robotic