1、2022-6-11工业机械手概念设计及设计过程中的创新设计研究答 辩 人： 刘伟 指导教师：李宗斌 教授申请学位：机械工程硕士西安交通大学硕士学位论文答辩2022-6-12提纲1.论文工作概述论文工作概述2.工业机械手概念设计方案求解工业机械手概念设计方案求解3.概念设计功能实现原理的创新概念设计功能实现原理的创新4.概念设计的方案元机构创新概念设计的方案元机构创新工业机械手概念设计及设计过程中创新问题的研究5.结论结论2022-6-13概念设计概念 概念设计是产品设计的先导，又是产品的构型设计的前提，其目标是获得产品的基本形式或形状。 Pahl和Beitz在其Engineering Desi
2、gn一书中将概念设计定义为：“在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计。 工业机械手概念设计及设计过程中创新问题的研究2022-6-14需解决的两个基本问题 模型问题：对产品相关的各种知识和推理信息的表达方式； 推理问题：产生合理的产品概念设计解的求解、推理和决策等技术 ；工业机械手概念设计及设计过程中创新问题的研究2022-6-15现有技术不足之处知识的表达是否支持计算机推理信息的表达是否完备对概念设计过程中的创新问题的支持工业机械手概念设计及设计过程中创新问题的研究2022-6-16创新设计研究现
3、状 对于概念设计中的创新问题，现阶段主要从两个层次进行研究 一部分理论工作者研究普适性概念设计原理，如研究产品创新中的概念设计过程优化模型、创新的基本原理、基本方法和基本工具 。 另一部分研究领域知识，如机械工程领域中的一部分研究人员专门研究机械机构创新原理。 领域知识是普适性原理的支撑，普适性原理与领域知识相结合将促进产品创新。 2022-6-17本文在创新问题上的研究 本文对概念设计中创新问题的研究也从两个层次进行应用TRIZ理论进行功能实现原理上的创新应用结构推理方法进行方案元的机构创新功能实现原理的创新功能实现原理的创新方案元的结构创新方案元的结构创新第一层第一层第二层第二层2022-
4、6-18本文论文完成的工作 工业机械手的概念设计方案求解 结合多色集合理论和功能方法树进行产品信息建模及推理 构建了方案贴进度函数 给出了工业机械手的概念设计步骤及流程图 运用TRIZ理论解决概念设计中功能实现原理的创新问题 对冲突解决方法进行了改进 将TRIZ理论集成到概念设计过程中 给出了创新中的相应实例 应用结构推理方法进行方案元的机构创新 给出结构推理过程模型 提出了结合功能推理和结构推理的概念设计系统模型 给出一个应用该推理方法的具体实例 开发了一个工业机械手概念设计系统 工业机械手概念设计及设计过程中创新问题的研究2022-6-19提纲1.论文工作概述论文工作概述2.工业机械手概念
5、设计方案求解工业机械手概念设计方案求解3.概念设计功能实现原理的创新概念设计功能实现原理的创新4.概念设计的方案元机构创新概念设计的方案元机构创新工业机械手概念设计及设计过程中创新问题的研究5.结论结论2022-6-110对象研究及功能确定 工业机械手的组成结构：执行机构驱动系统控制系统位置检测装置 执行机构的功能可分为三个子功能：夹放工件调整工件的空间方位调整工件的空间位置 本文仅考虑对执行机构的概念设计工业机械手概念设计及设计过程中创新问题的研究2022-6-111多色集合理论简介 多色集合是一种新的系统理论和信息处理工具。多色集合数学模型的成分是多色集合的元素、统一颜色和个人颜色及其相互
6、关系和联系。多色集合的统一颜色描绘了多色集合整体的性质，它的个人颜色描绘了多色集合元素的性质。 传统集合论和多色集合论的区别在于传统集合是元素的全体，元素所不同的仅仅是名字，它们任何别的性质形式上都没有表示出来。很明显，这些性质在普通集合理论中用显现的方式是无论如何也表示不出来的。而在多色集合中，不仅它的元素，而且它的整体本身都能被同时涂上一些不同的颜色，用来表示研究对象和它的元素的性质，普通集合的元素是多色集合的元素。 工业机械手概念设计及设计过程中创新问题的研究2022-6-112多色集合理论简介个人颜色与统一颜色的关系nimnmimjnjijnimjfffcccccccccFFF1)()
7、()(1)()()(1)1()1()1(11)()()(),()(AFaFcAFaFji如果个人颜色 影响到统一颜色 的存在，则ifjF1)(jic2022-6-113多色集合理论简介个人元素与统一颜色的关系nimnmimjnjijnimjaaaaaaaaaaaaFFF1)()()(1)()()(1)1()1()1(11)()(,)(AFAaAFAji如果 ，则)(ijaFF 1)(jia2022-6-114信息建模 结合功能方法树和多色集合理论建立模型 将系统按功能方法树逐层分解，每层包括功能、方法，功能与方法、层与层之间用线段连接。多色集合中，元素和集合本身都可通过着色来描述，能很好的描述
8、层与层之间的关系，从多色集合的角度，把每个方法作为元素，元素具有统一颜色和个人颜色。 对每一层而言，其中的统一颜色就是该层方法所要实现的功能，可以看成是上层向该层的输入，个人颜色就是对该方法的描述。个人颜色分两种情况： 1.如果该方法不是功能方法树的最低层，那么个人颜色也就是该方法向下一层提出的功能需求。 2.如果该方法是在功能树的最低层，则该方法是方案元。 2022-6-115工业机械手功能方法树.F11F12. . . . . . . . F21F22. . . . . .第二层统一颜色个人颜色a1a2. .统一颜色F131F221a27夹取工件 调整工件方位调整工件位置传力机构手指气吸磁
9、吸腕部臂部机械手第一层方案1方案2方案j方案 n方案1方案n方案1方案n方案元方案元方案元方案元方案元方案元方案元方案元方案元2022-6-116推理机制 将系统按功能方法树逐层分解后，形成分层的阶系统，利用多色集合对分层递阶系统的优秀描述能力进行信息的层层传递处理，其间推理有下面两种情况： 如果当前层不在功能方法树的最低层，推理方法是用多色集合中个人颜色与统一颜色的关系矩阵 找到满足统一颜色的个人颜色的组合，每个组合就是一种在该层上的方案； 如果当前层在功能树的最低层，则通过多色集合中元素与统一颜色的关系矩阵 找到满足该层统一颜色的个人颜色的组合，即方案元的组合，也就是最终的候选方案；)()
10、(AFaF)(AFA2022-6-117手部实例 从功能方法树可看出手部的概念设计分两层： 第一层： 统一颜色：对手部的基本功能需求的描述，这里我们从工件着手抽象出需求基本功能，即 ，是从工件的形状、尺寸、重量、材料以及抗损坏性性质中抽象出来的。 元素：第一层的方案1.方案n（本层的输出，也是下一层的输入） 个人颜色：对元素的描述，传力机制： ；手指： ；吸附原理： （负压气吸附）， （磁力吸附） 约束条件为： 关于传力装置的为一组； 关于手指的为一组；在推理时，如果采用夹钳式手部，则需从以上每组中选择一个且只能一个，如采用吸附式则从 和 中选择一个。 1712111.,FFF11F72221
11、2.,FFF1229282.,FFF132F142F722212.,FFF1229282.,FFF132F142F2022-6-118手部信息建模及推理 推理矩阵：方案的选择通过如下统一颜色和个人颜色的关系矩阵推理得到。F11F12F13 F14F15F16F17F18 F19F110F111F112F113F114F115F116F117 F21 F22 F23 F24 F25 F26 F27 F28 F29 F210 F211 F212 F213 F2142022-6-119手部信息建模及推理第二层： 统一颜色：即第一层中方案的个人颜色 ；这些颜色的值可以通过上一层求解得到。 元素：对应的
12、传力装置结构方案、手指结构方案或吸附结构方案 ，在方案元库图中可找到对应的结构；此外，因为这是最底层，每个功能方案对应一个实体，我们的任务是找出实体的解，在这里就不用定义个人颜色了。 约束条件： 都是传力装置的方案，所以为一组，指定为第一组； 都是关于手指的方案元，它们指定为第二组；其余的 为第三组；在推理时，如为夹钳式则只能取第一组其中一项作为传力机构，再从第二组中取一项作为手指，如选择吸附式则从第三组中取一项，作为方案元。 推理矩阵：个人元素与统一颜色的关系矩阵，如下页所示，方案元的最后选取是通过它推理得到的。1422212.,FFF1621.,aaa7654321,aaaaaaa1211
13、1098,aaaaa16151413,aaaa2022-6-120手部信息建模及推理F11F12F13 F14F15F16F17F18 F19F110F111F112F113F114F115F116F117 F21 F22 F23 F24 F25 F26 F27 F28 F29 F210 F211 F212 F213 F2142022-6-121方案元库2022-6-122方案贴进度的建立系统通过多色集合理论选出的方案，能满足功能需求，但是很可能有功能冗余的现象，贴近度函数给出一个关于方案功能相对需求功能冗余程度的数学模型，将通过给定冗余允许值排除不合理方案。贴近度函数 方案贴进度计算流程 F
14、aFiiFaF,1),(需求统一颜色个数 FAXQ个人颜色（方案）推 理 矩 阵统一颜色个数FAMZ正向推理推 理 矩 阵反向推理距离=FAMZFAXAQ所有统一颜色个数n2022-6-123机械手概念设计流程 选择基本需求功能计算贴近度搜索第一层方案 提取合理方案的个人颜色计算贴近度搜索第二层方案基本需求功能矩阵一、三、五贴近度函数反推矩阵矩阵二、四、六任务工 作 步 骤 工 作 结 果方案1.方案n 合理方案第二层的统一颜色 方案原理解(方案元）可行方案元 支 持 库213456方案选择最优方案贴近度函数7 第一层的统一颜色2022-6-124提纲1.论文工作概述论文工作概述2.工业机械手
15、概念设计方案求解工业机械手概念设计方案求解3.概念设计功能实现原理的创新概念设计功能实现原理的创新4.概念设计的方案元机构创新概念设计的方案元机构创新工业机械手概念设计及设计过程中创新问题的研究5.结论结论2022-6-125功能实现原理的创新问题 概念设计首先需确定待设计的功能，之后是确定实现该功能的作用原理，即完成从功能到作用原理的映射。当给定功能，没有相应的作用原理与其对应时，这时需考虑创新。 对于基于多色集合理论的概念设计模型而言上，功能实现原理的创新出现在功能方法树的第一层。2022-6-126解决思路 利用TRIZ理论解决发明问题的思维模式，找出创新问题的冲突点，将冲突转化为标准冲
16、突参数，再利用冲突解决矩阵找出解决原理，最后通过基于已有解决原理的实例类比联想将解决原理具体化。2022-6-127技术冲突的出现形式 在一个子系统中引入一有用功能，导致另一子系统产生一有害功能，或加强了已存在的有害功能 消除一有害功能导致另一子系统有用功能变坏 有用功能的加强或有害功能的减少使另一子系统或系统变得太复杂 2022-6-128TRIZ理论相关技术技术冲突一般化 通过对250万件专利的详细研究，TRIZ理论提出用39个通用工程参数描述冲突。实际应用中，首先要把组成冲突的双方用该39个工程参数中的2个来表示。 序号名称序号名称1运动物体的重量21功率2静止物体的重量22能量损失3运
17、动物体的长度23物质损失4静止物体的长度24信息损失5运动物体的面积25时间损失6静止物体的面积26物质的数量7运动物体的体积27可靠性8静止物体的体积28测试精度9速度29制造精度10力30作用于物体的外部有害因素11应力或压力31物体产生的有害因素12形状32可制造性13结构的稳定性33可操作性14强度34可维修性15运动物体作用时间35适应性及多用性16静止物体作用时间36装置的复杂性17温度37监控与测试的困难程度18光照度38自动化程度19运动物体的能量39生产率20静止物体的能量2022-6-129TRIZ理论相关技术发明原理 发明原理是在分析大量已有专利基础上，从中抽象出通用规则
18、。 序号名称序号名称序号名称序号名称1分割11预补偿21快速作用31多孔材料2分离12等势性22变有害为有益32改变颜色3局部质量13反向23反馈33同质性4不对称14曲面化24中介物34抛弃与修复5合并15动态化25自服务35参数变化6多用性16未达到或超过的作用26复制36状态变化7套装17维数变化27低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体37热膨胀8质量补偿18振动28机械系统的替代38加速氧化性9预加反作用19周期性作用29气动与液压结构39惰性材料10预操作20有效作用的连续性30柔性壳体或薄膜40复合材料2022-6-130TRIZ理论相关技术冲突解决矩阵 矩阵中的行所表示的工程
19、参数为冲突中恶化一方方，列所代表的工程参数是欲改善的一方，矩阵元素中的数字表示可用原理。 参数No.1No.2No.3No.4No.5.No.39No.115,8,29,3429,17,38,3435,3,24,37No.210,1,29,351,28,15,35No.38,15,29,3415,17,414,4,28,29No.435,28,40,2930,14,7,26No.52,17,29,414,15,16,410,26,34,2.No.3935,26,24,3728,27,15,318,4,28,3830,7,14,2610,26,34,3恶化参数恶化参数改善参数改善参数2022-6
20、-131TRIZ解决问题过程2022-6-132冲突解决方法的改进 冲突解决过程实际操作中的不足冲突区域的确定解决原理的具体化 改进方法利用物质场分析工具进行冲突区域的确定对已有发明实例进行类比联想完成解决原理的具体化2022-6-133功能原理创新解决流程图功 能 分 析冲 突 区 域 确 定一 般 技 术 冲 突解 决 原 理 （ 一 般 解 ）领 域 解 问 题 分 析 冲 突 解 决初 始 问 题是 否 可 行重 新 定 义 初 始 问 题物 质 场 分 析标 准 参 数 表冲 突 解 决 矩 阵类 比 联 想最 终 解已 有 实 例2022-6-134与原有概念设计系统的集成选择基本
21、需求功能是否存在搜 索 方 案YesNo添加新的需求功能重新分析现有系统需 创 新具体到某一模块抽象出技术冲突通用工程参数表解决原理（一般解）冲突解决矩阵类 比 联 想已 有 实 例计 算 贴 近 度提取合理方案个人颜色搜索第二层方案更新现有系统NoYes计 算 贴 进 度方 案 选 择贴近度函数个人颜色与统一颜色关系矩阵元素与统一颜色关系矩阵贴近度函数基本需求功能客 户 需 求 功 能最 优 方 案特 定 解特 定 问 题物 质 场 分 析是否满足创新创新2022-6-135实例分析 初始问题：需要夹持的工件属于高温工件 问题分析 物质场模型 冲突模型 F 机械场/液压场S2 手指S1 工件
22、S1.1（高温工件）S1.2FMS2(手指）（油液构件）2022-6-136实例分析（二） 冲突描述应尽量减少高温工件对油液构件的损害夹持工件的温度过高 冲突一般化欲改善参数：物体产生的有害因素（No.31）负面影响参数：温度（No.17） 解决原理 No.2：分离No.22：变有害为有利 No.24：中介物 No.35：参数变化 2022-6-137实例分析（三） 可用原理No.2：分离No.24：中介物 创新解的特定化手指可伸缩指端接触面内衬陶瓷 2022-6-138提纲1.论文工作概述论文工作概述2.工业机械手概念设计方案求解工业机械手概念设计方案求解3.概念设计功能实现原理的创新概念设
23、计功能实现原理的创新4.概念设计的方案元机构创新概念设计的方案元机构创新工业机械手概念设计及设计过程中创新问题的研究5.结论结论2022-6-139问题的提出 大多数的概念设计方法是采用以问题为中心的设计思想，通过对问题(如用户需求)的抽象，产生一系列可能概念，即多个设计方案。对推理得到的原始设计方案而言：一方面，候选方案很多，可能产生方案爆炸，不易于设计者从中选出最优方案来；另一方面，可能原始方案很少，对设计者而言反而没有选择的余地； 2022-6-140解决方法 对第一种情况，需要好的信息的组织及推理机制，前面谈到的概念设计模型及推理在这方面有一定的优越性。此外，方案贴近度的建立对于方案的
24、择优可起到一定的辅助作用。 针对第二种情况或最优方案已选出的情况，在方案元为机械运动机构的前提下，我们运用运用Freudenstein和Maki提出“功能与结构分离”的方法，不以功能为先导，而在机构的结构上作文章，即在原有系统可用方案元的基础上，运用运动链图谱方法进行机构类型创新，我们称之为结构推理方法。即进行概念设计创新问题第二个层次上的解决。 2022-6-141基于结构推理的创新设计过程模型原 有 机 械 方 案方案抽象化表示机械方案非同构结构机械方案元型集候 选 方 案 集确定机架确定驱动副类型替换杆组识别一 般 化拓扑特性运动链发散2022-6-142相关技术之一：一般化机 械 装
25、置构 件运 动 副一 般 化 连 杆一 般 化 运 动 副一 般 化 机 械 装 置一 般 化 链一 般 化 运 动 链复 合 运 动 副固 定 件一 般 化 转 动 副一 般 化 规 则一 般 化 原 则2022-6-143相关技术之二：运动链发散 运动链发散是将一般化后得到一般化链发散得到与其对应的非同构一般化链图谱 一般化链图谱的获得基于图论和超图理论的一些概念，从平面块图可引出对应的一般化链。在一般化链和平面块图之间存在一对一的映像 。本论文采用此方法。连杆类配必须用到所有的连杆，以使链连通必须用到所有的运动副，以使链闭合不应形成分离杆一个运动副只能与两个连杆附随，以使链只含简单运动副
26、 不以多于一个的运动副联接两个连杆 2022-6-144集成功能推理和结构推理的概念设计过程 功能推理主要解决功能到结构之间的映射，通过结构部件组合途径形成方案。基于多色集合理论的概念设计推理的过程可看作是基于功能推理方式的。 结构推理是从结构部件的拓扑结构上通过机构演绎(机架变换,主动件位置变换以及运动副类型变换)途径对机构进行变异创新。 本文提出集成功能推理和结构推理的概念设计过程模型，使设计方案不再是一张原理草图，而是一张定性的设计图形，以更好的支持下一设计阶段详细设计。 2022-6-145集成功能推理和结构推理的概念设计模型（二）设 计 要 求原始方案生成候选方案生成 基于多色集合的
27、功能推理基于运动链图谱的结构推理 方案元件是否存在机构No 基于TRIZ理论的功能实现原理创新Yes需 创 新NoYes2022-6-146方案元机构创新实例分析 连杆杠杆式手部基本结构2022-6-147方案元机构创新实例分析（二） 抽象化表示一般运动化链一般化链2022-6-148方案元机构创新实例分析（三） 一般运动链图谱有三杆回路，应删去可行运动链图谱2022-6-149方案元机构创新实例分析（四） 确定可行方案元型原有方案结构原有方案结构2022-6-150方案元机构创新实例分析（四） 创新方案元机构简图2022-6-151提纲1.论文工作概述论文工作概述2.工业机械手概念设计方案求解工业机械手概念设计方案求解3.概念设计功能实现原理的创新概念设计功能实现原理的创新4.概念设计的方案元机构创新概念设计的方案元机构创新工业机械手概念设计及设计过程中创新问题的研究5.结论结论2022-6-152结论 给出了基于多色集合理论和功能方法树的工业机械手概念设计信息建模及推理机制 应用TRIZ理论研究了概念设计中的功能实现原理创新问题 应用基于运动链图谱的结构推理方法进行了方案元机构创新 提出了集成功能推理和结构推理的概念设计系统模型 开发了工业机械手概念设计系统2022-6-153谢谢！
