03工業(yè)機械手概念設(shè)計課件

2023/6/31工業(yè)機械手概念設(shè)計及設(shè)計過程中的創(chuàng)新設(shè)計研究答辯人：劉偉

指導(dǎo)教師：李宗斌教授申請學(xué)位：機械工程碩士西安交通大學(xué)碩士學(xué)位論文答辯2023/6/32提綱論文工作概述工業(yè)機械手概念設(shè)計方案求解概念設(shè)計功能實現(xiàn)原理的創(chuàng)新概念設(shè)計的方案元機構(gòu)創(chuàng)新工業(yè)機械手概念設(shè)計及設(shè)計過程中創(chuàng)新問題的研究結(jié)論2023/6/33概念設(shè)計概念概念設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計的先導(dǎo)，又是產(chǎn)品的構(gòu)型設(shè)計的前提，其目標(biāo)是獲得產(chǎn)品的基本形式或形狀。Pahl和Beitz在其《EngineeringDesign》一書中將概念設(shè)計定義為：“在確定任務(wù)之后，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砑捌浣M合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案，這一部分設(shè)計工作叫做概念設(shè)計。

工業(yè)機械手概念設(shè)計及設(shè)計過程中創(chuàng)新問題的研究2023/6/34需解決的兩個基本問題模型問題：對產(chǎn)品相關(guān)的各種知識和推理信息的表達方式；

推理問題：產(chǎn)生合理的產(chǎn)品概念設(shè)計解的求解、推理和決策等技術(shù)；工業(yè)機械手概念設(shè)計及設(shè)計過程中創(chuàng)新問題的研究2023/6/35現(xiàn)有技術(shù)不足之處知識的表達是否支持計算機推理信息的表達是否完備對概念設(shè)計過程中的創(chuàng)新問題的支持工業(yè)機械手概念設(shè)計及設(shè)計過程中創(chuàng)新問題的研究2023/6/36創(chuàng)新設(shè)計研究現(xiàn)狀對于概念設(shè)計中的創(chuàng)新問題，現(xiàn)階段主要從兩個層次進行研究一部分理論工作者研究普適性概念設(shè)計原理，如研究產(chǎn)品創(chuàng)新中的概念設(shè)計過程優(yōu)化模型、創(chuàng)新的基本原理、基本方法和基本工具。另一部分研究領(lǐng)域知識，如機械工程領(lǐng)域中的一部分研究人員專門研究機械機構(gòu)創(chuàng)新原理。領(lǐng)域知識是普適性原理的支撐，普適性原理與領(lǐng)域知識相結(jié)合將促進產(chǎn)品創(chuàng)新。

2023/6/37本文在創(chuàng)新問題上的研究本文對概念設(shè)計中創(chuàng)新問題的研究也從兩個層次進行應(yīng)用TRIZ理論進行功能實現(xiàn)原理上的創(chuàng)新應(yīng)用結(jié)構(gòu)推理方法進行方案元的機構(gòu)創(chuàng)新功能實現(xiàn)原理的創(chuàng)新方案元的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新第一層第二層2023/6/38本文論文完成的工作工業(yè)機械手的概念設(shè)計方案求解結(jié)合多色集合理論和功能方法樹進行產(chǎn)品信息建模及推理構(gòu)建了方案貼進度函數(shù)給出了工業(yè)機械手的概念設(shè)計步驟及流程圖運用TRIZ理論解決概念設(shè)計中功能實現(xiàn)原理的創(chuàng)新問題對沖突解決方法進行了改進將TRIZ理論集成到概念設(shè)計過程中給出了創(chuàng)新中的相應(yīng)實例應(yīng)用結(jié)構(gòu)推理方法進行方案元的機構(gòu)創(chuàng)新給出結(jié)構(gòu)推理過程模型提出了結(jié)合功能推理和結(jié)構(gòu)推理的概念設(shè)計系統(tǒng)模型給出一個應(yīng)用該推理方法的具體實例開發(fā)了一個工業(yè)機械手概念設(shè)計系統(tǒng)

工業(yè)機械手概念設(shè)計及設(shè)計過程中創(chuàng)新問題的研究2023/6/39提綱論文工作概述工業(yè)機械手概念設(shè)計方案求解概念設(shè)計功能實現(xiàn)原理的創(chuàng)新概念設(shè)計的方案元機構(gòu)創(chuàng)新工業(yè)機械手概念設(shè)計及設(shè)計過程中創(chuàng)新問題的研究結(jié)論2023/6/310對象研究及功能確定工業(yè)機械手的組成結(jié)構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)控制系統(tǒng)位置檢測裝置執(zhí)行機構(gòu)的功能可分為三個子功能：夾放工件調(diào)整工件的空間方位調(diào)整工件的空間位置本文僅考慮對執(zhí)行機構(gòu)的概念設(shè)計工業(yè)機械手概念設(shè)計及設(shè)計過程中創(chuàng)新問題的研究2023/6/311多色集合理論簡介

多色集合是一種新的系統(tǒng)理論和信息處理工具。多色集合數(shù)學(xué)模型的成分是多色集合的元素、統(tǒng)一顏色和個人顏色及其相互關(guān)系和聯(lián)系。多色集合的統(tǒng)一顏色描繪了多色集合整體的性質(zhì)，它的個人顏色描繪了多色集合元素的性質(zhì)。傳統(tǒng)集合論和多色集合論的區(qū)別在于傳統(tǒng)集合是元素的全體，元素所不同的僅僅是名字，它們?nèi)魏蝿e的性質(zhì)形式上都沒有表示出來。很明顯，這些性質(zhì)在普通集合理論中用顯現(xiàn)的方式是無論如何也表示不出來的。而在多色集合中，不僅它的元素，而且它的整體本身都能被同時涂上一些不同的顏色，用來表示研究對象和它的元素的性質(zhì)，普通集合的元素是多色集合的元素。

工業(yè)機械手概念設(shè)計及設(shè)計過程中創(chuàng)新問題的研究2023/6/312多色集合理論簡介個人顏色與統(tǒng)一顏色的關(guān)系如果個人顏色影響到統(tǒng)一顏色的存在，則2023/6/313多色集合理論簡介個人元素與統(tǒng)一顏色的關(guān)系如果，則2023/6/314信息建模結(jié)合功能方法樹和多色集合理論建立模型將系統(tǒng)按功能－方法樹逐層分解，每層包括功能、方法，功能與方法、層與層之間用線段連接。多色集合中，元素和集合本身都可通過著色來描述，能很好的描述層與層之間的關(guān)系，從多色集合的角度，把每個方法作為元素，元素具有統(tǒng)一顏色和個人顏色。對每一層而言，其中的統(tǒng)一顏色就是該層方法所要實現(xiàn)的功能，可以看成是上層向該層的輸入，個人顏色就是對該方法的描述。個人顏色分兩種情況：

1.如果該方法不是功能方法樹的最低層，那么個人顏色也就是該方法向下一層提出的功能需求。

2.如果該方法是在功能樹的最低層，則該方法是方案元。

2023/6/315工業(yè)機械手功能－方法樹2023/6/316推理機制

將系統(tǒng)按功能方法樹逐層分解后，形成分層的階系統(tǒng)，利用多色集合對分層遞階系統(tǒng)的優(yōu)秀描述能力進行信息的層層傳遞處理，其間推理有下面兩種情況：如果當(dāng)前層不在功能方法樹的最低層，推理方法是用多色集合中個人顏色與統(tǒng)一顏色的關(guān)系矩陣找到滿足統(tǒng)一顏色的個人顏色的組合，每個組合就是一種在該層上的方案；如果當(dāng)前層在功能樹的最低層，則通過多色集合中元素與統(tǒng)一顏色的關(guān)系矩陣找到滿足該層統(tǒng)一顏色的個人顏色的組合，即方案元的組合，也就是最終的候選方案；2023/6/317手部實例

從功能方法樹可看出手部的概念設(shè)計分兩層：第一層：統(tǒng)一顏色：對手部的基本功能需求的描述，這里我們從工件著手抽象出需求基本功能，即，是從工件的形狀、尺寸、重量、材料以及抗損壞性性質(zhì)中抽象出來的。元素：第一層的方案1…….方案n（本層的輸出，也是下一層的輸入）個人顏色：對元素的描述，傳力機制：；手指：；吸附原理：（負壓氣吸附），（磁力吸附）約束條件為：關(guān)于傳力裝置的為一組；關(guān)于手指的為一組；在推理時，如果采用夾鉗式手部，則需從以上每組中選擇一個且只能一個，如采用吸附式則從和中選擇一個。

2023/6/318手部信息建模及推理推理矩陣：方案的選擇通過如下統(tǒng)一顏色和個人顏色的關(guān)系矩陣推理得到。2023/6/319手部信息建模及推理第二層：統(tǒng)一顏色：即第一層中方案的個人顏色；這些顏色的值可以通過上一層求解得到。元素：對應(yīng)的傳力裝置結(jié)構(gòu)方案、手指結(jié)構(gòu)方案或吸附結(jié)構(gòu)方案，在方案元庫圖中可找到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)；此外，因為這是最底層，每個功能方案對應(yīng)一個實體，我們的任務(wù)是找出實體的解，在這里就不用定義個人顏色了。約束條件：都是傳力裝置的方案，所以為一組，指定為第一組；都是關(guān)于手指的方案元，它們指定為第二組；其余的為第三組；在推理時，如為夾鉗式則只能取第一組其中一項作為傳力機構(gòu)，再從第二組中取一項作為手指，如選擇吸附式則從第三組中取一項，作為方案元。推理矩陣：個人元素與統(tǒng)一顏色的關(guān)系矩陣，如下頁所示，方案元的最后選取是通過它推理得到的。2023/6/320手部信息建模及推理2023/6/321方案元庫2023/6/322方案貼進度的建立系統(tǒng)通過多色集合理論選出的方案，能滿足功能需求，但是很可能有功能冗余的現(xiàn)象，貼近度函數(shù)給出一個關(guān)于方案功能相對需求功能冗余程度的數(shù)學(xué)模型，將通過給定冗余允許值排除不合理方案。貼近度函數(shù)

方案貼進度計算流程2023/6/323機械手概念設(shè)計流程2023/6/324提綱論文工作概述工業(yè)機械手概念設(shè)計方案求解概念設(shè)計功能實現(xiàn)原理的創(chuàng)新概念設(shè)計的方案元機構(gòu)創(chuàng)新工業(yè)機械手概念設(shè)計及設(shè)計過程中創(chuàng)新問題的研究結(jié)論2023/6/325功能實現(xiàn)原理的創(chuàng)新問題

概念設(shè)計首先需確定待設(shè)計的功能，之后是確定實現(xiàn)該功能的作用原理，即完成從功能到作用原理的映射。當(dāng)給定功能，沒有相應(yīng)的作用原理與其對應(yīng)時，這時需考慮創(chuàng)新。對于基于多色集合理論的概念設(shè)計模型而言上，功能實現(xiàn)原理的創(chuàng)新出現(xiàn)在功能方法樹的第一層。2023/6/326解決思路

利用TRIZ理論解決發(fā)明問題的思維模式，找出創(chuàng)新問題的沖突點，將沖突轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)沖突參數(shù)，再利用沖突解決矩陣找出解決原理，最后通過基于已有解決原理的實例類比聯(lián)想將解決原理具體化。2023/6/327技術(shù)沖突的出現(xiàn)形式在一個子系統(tǒng)中引入一有用功能，導(dǎo)致另一子系統(tǒng)產(chǎn)生一有害功能，或加強了已存在的有害功能消除一有害功能導(dǎo)致另一子系統(tǒng)有用功能變壞有用功能的加強或有害功能的減少使另一子系統(tǒng)或系統(tǒng)變得太復(fù)雜

2023/6/328TRIZ理論相關(guān)技術(shù)——技術(shù)沖突一般化

通過對250萬件專利的詳細研究，TRIZ理論提出用39個通用工程參數(shù)描述沖突。實際應(yīng)用中，首先要把組成沖突的雙方用該39個工程參數(shù)中的2個來表示。

2023/6/329TRIZ理論相關(guān)技術(shù)——發(fā)明原理

發(fā)明原理是在分析大量已有專利基礎(chǔ)上，從中抽象出通用規(guī)則。

2023/6/330TRIZ理論相關(guān)技術(shù)——沖突解決矩陣

矩陣中的行所表示的工程參數(shù)為沖突中惡化一方方，列所代表的工程參數(shù)是欲改善的一方，矩陣元素中的數(shù)字表示可用原理。

惡化參數(shù)改善參數(shù)2023/6/331TRIZ解決問題過程2023/6/332沖突解決方法的改進沖突解決過程實際操作中的不足沖突區(qū)域的確定解決原理的具體化改進方法利用物質(zhì)場分析工具進行沖突區(qū)域的確定對已有發(fā)明實例進行類比聯(lián)想完成解決原理的具體化 2023/6/333功能原理創(chuàng)新解決流程圖2023/6/334與原有概念設(shè)計系統(tǒng)的集成創(chuàng)新2023/6/335實例分析初始問題：需要夾持的工件屬于高溫工件問題分析物質(zhì)場模型沖突模型

2023/6/336實例分析（二）沖突描述應(yīng)盡量減少高溫工件對油液構(gòu)件的損害夾持工件的溫度過高沖突一般化欲改善參數(shù)：物體產(chǎn)生的有害因素（No.31）負面影響參數(shù)：溫度（No.17）解決原理

No.2：分離No.22：變有害為有利No.24：中介物No.35：參數(shù)變化

2023/6/337實例分析（三）可用原理No.2：分離No.24：中介物創(chuàng)新解的特定化手指可伸縮指端接觸面內(nèi)襯陶瓷

2023/6/338提綱論文工作概述工業(yè)機械手概念設(shè)計方案求解概念設(shè)計功能實現(xiàn)原理的創(chuàng)新概念設(shè)計的方案元機構(gòu)創(chuàng)新工業(yè)機械手概念設(shè)計及設(shè)計過程中創(chuàng)新問題的研究結(jié)論2023/6/339問題的提出

大多數(shù)的概念設(shè)計方法是采用以問題為中心的設(shè)計思想，通過對問題(如用戶需求)的抽象，產(chǎn)生一系列可能概念，即多個設(shè)計方案。對推理得到的原始設(shè)計方案而言：一方面，候選方案很多，可能產(chǎn)生方案爆炸，不易于設(shè)計者從中選出最優(yōu)方案來；另一方面，可能原始方案很少，對設(shè)計者而言反而沒有選擇的余地；2023/6/340解決方法對第一種情況，需要好的信息的組織及推理機制，前面談到的概念設(shè)計模型及推理在這方面有一定的優(yōu)越性。此外，方案貼近度的建立對于方案的擇優(yōu)可起到一定的輔助作用。針對第二種情況或最優(yōu)方案已選出的情況，在方案元為機械運動機構(gòu)的前提下，我們運用運用Freudenstein和Maki提出“功能與結(jié)構(gòu)分離”的方法，不以功能為先導(dǎo)，而在機構(gòu)的結(jié)構(gòu)上作文章，即在原有系統(tǒng)可用方案元的基礎(chǔ)上，運用運動鏈圖譜方法進行機構(gòu)類型創(chuàng)新，我們稱之為結(jié)構(gòu)推理方法。即進行概念設(shè)計創(chuàng)新問題第二個層次上的解決。

2023/6/341基于結(jié)構(gòu)推理的創(chuàng)新設(shè)計過程模型2023/6/342相關(guān)技術(shù)之一：一般化2023/6/343相關(guān)技術(shù)之二：運動鏈發(fā)散

運動鏈發(fā)散是將一般化后得到一般化鏈發(fā)散得到與其對應(yīng)的非同構(gòu)一般化鏈圖譜一般化鏈圖譜的獲得基于圖論和超圖理論的一些概念，從平面塊圖可引出對應(yīng)的一般化鏈。在一般化鏈和平面塊圖之間存在一對一的映像。本論文采用此方法。連桿類配必須用到所有的連桿，以使鏈連通必須用到所有的運動副，以使鏈閉合不應(yīng)形成分離桿一個運動副只能與兩個連桿附隨，以使鏈只含簡單運動副不以多于一個的運動副聯(lián)接兩個連桿

2023/6/344集成功能推理和結(jié)構(gòu)推理的概念設(shè)計過程

功能推理主要解決功能到結(jié)構(gòu)之間的映射，通過結(jié)構(gòu)