当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

基于AD和TRIZ的空间机器人手爪创新设计


基于AD和TRIZ的空间机器人手爪创新设计
The innovation design of space robot gripper based on AD and TRIZ 尚 万1,2,赵 武1,2,罗纯静2,王 晨2 SHANG Wan1,2, ZHAO Wu1,2, LUO Chun-jing2, WANG Chen2
(1. 上海市空间飞行器机构重点

实验室,上海 201108;2. 四川大学 制造科学与工程学院,成都 610065) 摘 要:为了解决目前空间机器人手爪存在的功能单一、结构复杂、体积大以及不灵巧等问题,对AD 与TRIZ理论的集成进行分析研究,并将AD与TRIZ集成理论运用到空间机器人手爪创新设计 中,对空间机器人手爪进行功能分析,解决设计中存在的冲突,设计了一种灵巧多功能空间 机器人手爪。手爪本体为圆筒形状,手指由电机驱动和滚珠丝杠传动并嵌套于圆筒手掌中, 设计手指更换接口,可更换不同构型弹性手指。空间机器人手爪功能多样、结构简单、灵 巧、传动平稳、驱动控制简单、工作稳定可靠,满足空间多种任务要求。 关键词:空间机器人手爪;AD;TRIZ;创新设计 中图分类号:TH122 文献标识码:A 文章编号:1009-0134(2014)07(上)-0019-04 Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2014.07(上).06

0 引言
随着空间技术的不断发展,探索太空的活动 得到了进一步延伸,完成了从大气层到外层空 间,月球到火星的逐步拓展。在恶劣的空间环境 中,采用空间机器人协助或代替宇航员完成大量 艰巨危险的任务正成为世界各空间大国的一致目 标[1]。空间机器人的作业能力和效率依赖于手爪的 作业能力,研究具有良好适应性、通用性的灵巧 空间机器人手爪具有重要意义。 国外在空间机器人手爪研究方面起步较早, 从结构上划分为外抓式、内撑式和其他结构。外 抓式又分为二指、三指和多指结构。目前国外比较 成功的有日本的ETS-VII舱外两指手爪[2],采用开合 手指并有对准机构;加拿大的手爪SARAH [3],采 用欠驱动机构,三个手指完成空间抓取。我国在 这一领域的研究起步较晚,哈尔滨工业大学研制 了一种空间机器人手爪[4],采用两指对目标进行包 络和抓捕,后来北京邮电大学[5]对该手指的结构和 工艺性进行改进。以上这些手爪都偏重对空间目 标的抓捕,功能单一,结构复杂,体积较大、不 够灵巧。 空间机器人手爪的设计面临的技术问题,用 传统方法已经难以完成高质量的设计,本文运用 AD和TRIZ来引导设计,设计出一种能够实现多种 任务的灵巧的空间机器人手爪。

1 AD与TRIZ集成理论
AD是公理设计(Axiomatic Design)的英文缩 写,是美国麻省理工学院Suh教授于20世纪80年提 出的一种结构性设计方法[6]。公理设计包含功能独 立公理和信息量最少原理,独立公理是保证设计 功能需求FRs ( functional requirements )的独立性; 信息公理是在满足独立公理的所有设计方案中, 最优的设计所含的信息内容少。 公理设计理论认为产品设计是在一定约束条 件下功能要求和设计参数之间的映射过程:         [A]为设计矩阵,根据[A]的不同形式,设计可 分为三种类型:非耦合设计、准耦合设计以及耦 合设计,如图1所示。
 

图1 设计矩阵三种形式

通过设计矩阵分析、判断功能要求和设计参 数的关系,根据功能独立公理,在设计过程中, 当设计为耦合设计时,可能存在冲突,必须调整 功能需求或设计参数,使其转变为非耦合设计;当 设计为准耦合设计时,要按照一定的顺序选择设

收稿日期:2014-05-15 基金项目:国家自然科学基金(51175357);上海市空间飞行器机构重点实验室资助项目(HG2013031) 作者简介:尚万(1989 -),男,云南曲靖人,硕士研究生,研究方向为创新设计与智能制造,企业信息化与系统集成。 第36卷? 第7期? 2014-07(上)? 【19】

计参数。此外,设计参数的选择会受到约束条件 的限制,在映射过程中某一物理参数或者过程参 数不能满足某个约束条件时也存在冲突。 AD给出了评判设计的公理,但没有给出解决 问题的方法。R. A. Shirwaiker · G. E. Okudan、檀润 华等为代表的研究人员提出了充分运用TRIZ的相 关理论工具来解决AD分析中存在的冲突问题[7,8]。 TRIZ(theory of inventive problem solving)意译为 发明问题的解决理论。TRIZ理论成功地揭示了创 造发明的内在规律和原理,着力于澄清和强调系 统中存在的矛盾,其目标是完全解决设计中的冲 突,获得创新解。 因此,充分利用AD和TRIZ的优势,在产品设 计过程中将二者有机结合,AD用来分析产品功能 要求,并发现技术问题的矛盾或冲突;TRIZ则用 来帮助设计人员在产品设计过程中解决发现的技 术矛盾或冲突,提高设计效率和设计质量。将二 者结合起来,最终得到创新技术方案。AD与TRIZ 集成的产品设计流程如图2所示。
?ェ??

1)任务及功能分析 根据设计任务获取设计需求,然后对产品功 能进行分析,建立功能—结构模型,包括设计矩 阵和设计约束。 2)冲突分析并产生原理解 对设计矩阵和设计约束进行分析,发现存在 的冲突,并运用TRIZ相关工具进行冲突的消除和 功能的完善,得到创新原理解。 3)冲突解决,得到方案 据所得原理解,结合已有知识产生设计方 案,对方案进行评估,最终得出满足要求的创新 方案。

2 空间机器人手爪创新设计
2.1 AD功能—结构模型建立
2.1.1 设计任务分析

$'??

???? ?ェ??

?ェ??

???? ?????
?

ゝ??? 75,=??
?

?㏎?? ?? ???㏎

???㏎

????
?ェ?? 墏??
?

????

?
???ェ ???
?
?

空间机器人需要完成的作业包括:通过机械 手臂捕捉失效卫星进行回收利用、在轨修理飞行 器及补充燃料以延长飞行器工作寿命、进行大 型空间机构的搬运和组装、清理太空垃圾以避免 与卫星相撞和进行航天飞机和空间站的对接分离 操作,以及舱内科学实验的维护。目前针对空间 机器人的手爪研究多集中于实现空间抓捕功能的 手爪,存在功能单一、结构复杂以及不灵巧等问 题。本文旨在设计出一种多功能的灵巧空间机器 人手爪,能完成空间拧螺丝、插拔插头及抓拿漂 浮物以及空间科学实验器材夹持等操作,要求手 爪具有良好的通用性、灵活性、可靠性以及操作 的精确性。此外,由于空间环境复杂恶劣,设计 的空间机器人手爪还要满足以下的要求: 1)由于运载火箭的能力及其有效包络的限 制。要求空间机器人手爪的体积较小,重量轻, 耗能较少; 2)由于在轨维修困难,要求空间机器人手爪 工作寿命尽可能长,具有高可靠性; 3)由于重量限制及高可靠性的要求,需要空 间机器人的结构组成简单,保证可靠性要求。
2.1.2 功能-结构模型建立

????

图2 AD与TRIZ理论集成的产品设计流程

图2所示设计流程分为以下三个步骤:
【20】? 第36卷? 第7期? 2014-07(上)

分析设计任务,空间机器人手抓作用目标物 有方形、圆柱形以及不规则等物体,因此空间机 器人手爪的功能可分解为抓握和夹持两个子功能, 与子功能对应的结构可描述为手掌和手指。从而空 间机器人手爪设计的功能-结构模型描述如下:

FR1:夹持; DP1:手指夹持机构; FR2:抓握; DP2:手掌及抓握定位机构。 设计矩阵:

表1 TRIZ矛盾矩阵局部表 恶化参数 改善参数 能量损失 …… …… …… 29,15,28,37 适应性及多用性

运动物体体积 7,15,13,16 装置的复杂性   

手爪的设计约束: C1:要求手爪体积小、重量轻; C2:要求手爪有效、精确完成任务; C 3:要求手爪结构简单,降低风险,保证高 可靠性; C4:要求手爪功能完整、通用性良好。 2.2 冲突分析及原理解产生 上述AD功能-结构模型中,设计矩阵为准耦合 矩阵,要按照一定的顺序选择设计参数,可以先 设计手指,然后设计定位的手掌。空间机器人手 爪的设计包括驱动方式、传动方式以及执行机构 的选择与设计。分析已有机器人手爪设计知识[3], 发现影响手爪体积、重量的根本原因是驱动源, 驱动形式有电机驱动、液(气)驱动以及记忆合 金驱动等。根据空间复杂恶劣的环境条件要求, 选择体积小、输出力大的电机来驱动;影响手爪 稳定性和灵活性的是传动方式,初步选择滚珠丝 杆传动方式,可以保证传递快速稳定;手指则设 计为开合机构,便于夹持和抓取;手掌与手指配 合完成空间抓握、夹持。 分析设计约束: 1)约束C1要求空间手爪体积小、重量轻,但 可能会导致功能不能有效、准确的完成,不满足 约束C2,设计出现冲突,该冲突为技术冲突TC1, 参照TRIZ标准工程参数,该冲突中改善参数为: 运动物体的体积,恶化参数为:能量损失。 2)约束C3要求手爪结构简单,这将导致手爪 适应性变差,功能单一,设计任务可能无法完成 从而不满足约束C 4,设计存在冲突,该冲突为技 术冲突TC2,参照TRIZ标准工程参数,该冲突中改 善参数为:装置的复杂性,恶化参数为:适应性 及多用性。 查阅TRIZ矛盾矩阵表,得到以上两个冲突的 推荐发明原理[8],如表1所示。

2.3 冲突解决,方案产生 分析解决冲突TC 1 的发明原理,发明原理7 (嵌套)对解决问题有帮助。手爪要求体积小、 重量轻,而同时要求具有有效功能,运用发明原 理7的第二条:“使一个物体穿过另一个物体的空 腔”,考虑将与驱动传动机构联接的手指嵌套在 手掌中,手掌本体可设计为圆形套筒,由套筒底 端面充当手掌。 分析解决冲突TC 2 的发明原理,发明原理15 (动态化)对问题解决有帮助。手爪要求完成抓 握、夹持等任务,而又不使结构复杂,运用发明 原理15(动态化)的第二条:“将一个物体划分 为具有相互关系的元件,元件之间可改变相对位 置”,因此根据不同操作任务,将手指设计成不 同构型,手爪上设置更换接口,用于更换不同构 型的手指,从而可完成不同条件下的空间任务; 另外运用发明原理15(动态化)的第一条:“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”,考虑将手指设计为弹 性手指,增强夹持的柔性和对被抓取物体被动自 适应夹持。 2.4 空间机器人手爪创新方案 综合上述两个问题的解决方案,得到空间机 器人手爪的总体方案,如图3所示。包括由前端套 筒5和尾端套筒4组成的本体、与前端套筒联接的 驱动电机7、设置在本体内的滚珠丝杆9、设置在 前端套筒内与丝杆和电机7联接的联轴器6、丝杆 支撑件8、设置在尾端套筒内的更换接口12以及尾 端弹性手指1,两个手指由弹簧13支撑。 图3所示尾端手指为夹具型手指,主要抓取空 间物体或工具,用于空间生产装配、维修等。手 指的指尖采用弹性材料和弹性连接,可对夹持物 体自适应夹持。 除了图3所示的夹具型手指之外,还设计有如 图4(a)所示的夹持器手指和图4(b)所示的抓捕手指。 它们都由接头和弹性指尖构成,其中夹持器
第36卷? 第7期? 2014-07(上)? 【21】

1. 手指;2. 驱动块;3. 销轴;4. 尾端套筒;5. 前端套筒; 6. 联轴器;7. 驱动电机;8. 丝杆支撑件;9. 滚珠丝杆; 10. 紧固件;11. 驱动块槽口;12. 更换接口;13. 弹簧

图5 更换接口

图3 灵巧多功能空间机器人手爪创新方案

手指主要用于夹持空间科学实验器材;抓捕手指 两指设计成圆弧形状用以在抓捕时导引并包络目 标,完成空间漂浮物和接口的抓捕。 图3所示的更换接口12设计为如图5所示结构。

3 结论
在空间机器人手爪设计过程中,运用AD与 TRIZ的集成理论,分析了设计任务及手爪功能需 求,建立空间机器人手爪功能-结构模型,并解决 了设计存在的冲突,得出了空间机器人手爪创新 方案。手爪由电机驱动,滚珠丝杆传动,手爪本 体采用圆筒结构并将手指及其传动部件嵌套在套 筒中,手指设计为不同构型,具有柔性和自适应 性,并设计手指更换接口,满足空间基本任务要 求的同时,具有功能多样、结构简单、体积小、 夹持力大、传动平稳、驱动控制简单、工作可靠 等优点。 参考文献:
[1] 张文辉,叶小平,季晓明,等.国内外空间机器人技术发展 综述[J].飞行力学,2013,31(3):198-202. [2] Sato N,Wakabayashi Y.JEMRMS design features and topics from testing[C].Proceedings of the IEEE International Conference on Artificial Intelligence,Robotics and Automation in Space.Quebec,Canada,2001:1298-1307. [3] 骆敏舟,杨秀清,梅涛.机器人手爪的研究现状与进展[J]. 机器人技术与应用,2008,(2):24-35. [4] 高 晓 辉 , 朱 映 远 , 刘 宏 . 空 间 机 器 人 手 爪 [ P ] . 中 国:200510010535.8.2006-04-19. [5] 杨亮.空间机器人抓获手爪的研究[D].北京:北京邮电大 学,2008. [6] 张立彬,史伟民,鲍官军,等.基于公理设计的通用设计过 程模型[J].机械工程学报,2010,46(23):166-173. [7] R.A.Shirwaiker·G.E.Okudan.TRIZ and axiomatic design: a review of case-studies and a proposed synergistic use [J].J Intell Manuf,2008,(19):33-47. [8] 檀润华.TRIZ及应用:技术创新过程与方法[M].北京:高 等教育出版社,2010:178-209.

(a) 夹持器手指

(b) 抓捕手指

图4 不同构型手指

其更换手指过程为:在接入手指时,将所更 换手指插入接口中,顺时针旋转90o后,接头旋入 接口中固定;退出手指时,将接头旋出接口,手 指逆时针旋转90o,手指即可退出接口,完成手指 更换。 设计的空间机器人手爪工作原理为:驱动电 机7动作,通过联轴器6带动丝杆转动,通过滚珠 丝杆9传动将丝杆的转动转化为驱动块2的直线运 动,最后通过驱动块2与手指1的相互作用,当驱 动块2的向前直线运动就可以实现手指的闭合动 作,从而尾端套筒4和手指1共同完成目标的抓取与 夹持;当驱动块2的向后直线运动时,由于手指的 弹性支撑实现张开动作,从而完成目标的释放。 该空间机器人手爪结构简单、体积小、重量 轻、夹持力大、传动平稳、驱动控制简单、工作 稳定可靠。另外手爪可以更换多种构型手指工 具,包括抓捕手指、夹具型手指和夹持器手指 等,从而一种手爪就可完成空间维修、空间生产 装配以及空间科学实验维护等多种任务。

【22】? 第36卷? 第7期? 2014-07(上)

基于AD和TRIZ的空间机器人手爪创新设计
作者: 作者单位: 尚万, 赵武, 罗纯静, 王晨, SHANG Wan, ZHAo Wu, Luo Chun-jing, WANG Chen 尚万,赵武,SHANG Wan,ZHAo Wu(上海市空间飞行器机构重点实验室,上海201108; 四川大学制造科学与工程 学院,成都610065), 罗纯静,王晨,Luo Chun-jing,WANG Chen(四川大学制造科学与工程学院,成都 ,610065) 制造业自动化 Manufacturing Automation 2014(13)

刊名: 英文刊名: 年,卷(期):

参考文献(8条) 1.张文辉;叶小平;季晓明 国内外空间机器人技术发展综述 2013(03) 2.Sato N;Wakabayashi Y JEMRMS design features and topics from testing 2001 3.骆敏舟;杨秀清;梅涛 机器人手爪的研究现状与进展 2008(02) 4.高晓辉;朱映远;刘宏 空间机器人手爪 2006 5.杨亮 空间机器人抓获手爪的研究 2008 6.张立彬;史伟民;鲍官军 基于公理设计的通用设计过程模型 2010(23) 7.R.A.Shirwaiker;G.E.Okudan TRIZ and axiomatic design:a review of case-studies and a proposed synergistic use 2008(19) 8.檀润华 TRIZ及应用:技术创新过程与方法 2010

引用本文格式:尚万.赵武.罗纯静.王晨.SHANG Wan.ZHAo Wu.Luo Chun-jing.WANG Chen 基于AD和TRIZ的空间机器人手爪创新设计[期 刊论文]-制造业自动化 2014(13)


相关文章:
创新设计课结课作业
? ? ? 小型机器人专项机构设计; 带弯头管道夹持手的设计; 涡轮盘夹持装置...提供的好书:“哇??发明家诞生了 TRIZ 创造性解决问题的理论和方法” ...
机器人手爪与灵巧手
手爪采模块化结构设计, 手指的配置方式类似于人手,...传感器是空间机器人手爪获取内部和外部环境信息的主要...在机器人自主抓取的研究中,大多进行基于视觉的控制...
创新设计实例
基于 TRIZ 理论的家用吸尘器概念设计优雅完美的居室,...手推式,从下至上依次安放滤尘袋,风机和电机, 吸尘...(2)理想解是什么?自主获取能量的机器人节能 型...
TRIZ创新设计复习题
机器人④类比求优:本田摩托⑤反求:山寨 6,TRIZ 理论创新设计法 3、创新思维...隐形眼镜 7、物理矛盾分离原理:空间分离,时间分离,基于条件分离,整体与部分分离...
机械手手爪部位毕业设计说明书
暂无评价|0人阅读|0次下载|举报文档 机械手手爪部位...1 温州大学毕业论文 基于 PLC 控制的机械手设计 1...(2)能够伸入形腔式机器内部。 (3)空间定位比较...
工业机器人毕业设计
结构设计概述 2.2 基本设计参数 2.3 工作空间的分析 2.4 驱动方式 2.5 传动...机器人的结构设计 3.1 驱动和传动系统的总体结构设计 3.2 手爪驱动气缸设计...
创新案例专题讲座 最新试卷 87分卷
暂无评价|0人阅读|0次下载|举报文档创新案例专题讲座...消除冲突是 TRIZ 的核心概念,典型的系统冲 突包括(...(A) 重量强度 (B) 空间与时间 (C) 形成...
空间机器人机械臂
在进行操作前,手爪物体接触,ARH 上利 用手指...u AD ? E( R1 R4 ? ) R1 ? R2 R3 ? R4 ...接收电路的设计》 [3]朱毅麟 《空间机器人浅说》 ...
工业机器人课程设计
河南机电高等专科学校设计说明书 河南机电高等专科学校...和机械手爪的拼装,共同完成慧鱼软件的程序编程和把...电子产品和各种创新机械结构的 出现,工业机器人的...
继续教育 创新案例 试卷及答案
人、 受制于 人的局面 有利于转变发展观念、 创新...消除冲突是 TRIZ 的核心概念,典型的系统 冲突包括(...(AD)A 在实践上证明了,利用 体细胞进行动物克隆的...
更多相关标签:
triz创新方法 | triz杯创新方法大赛 | triz技术创新理论认为 | triz理论创新实例 | triz创新方法案例 | 创新的triz法则有哪些 | triz创新理论 | triz创新方法大赛 |