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基于TRIZ理论的服务机器人创新实践教学研究

2021-01-28 来源:《高教学刊》作者:常熟理工学院电气与自动化工程学院 毛丽民 刘叔军 杨海萍 陈勇
摘要:针对我国高校机器人教育起步晚学生在机器人创新实践教学中表现出创新能力不足的问题,文章将TRIZ理论应用于服务机器人的创新实践教学中。文章以TRI,理论的发明问题解决过程模型为依据,针对服务机器人得出了一套比较完整地创新设计方案并对方案进行了实施及相关计算,并将分割原理、局部特性原理及动态性原理等创新原理应用于改进设计中,使改进后的服务机器人在自动化程度及稳定性上有了一定的提升。实践证明TRIZ,理论的在创新实践教学中具有广阔的应用前景。
关键词:TRIZ;理论服务机器人;创新实践;教学
一.概述
随着科技及经济的迅猛发展机器人将越来越多地应用于服务领域。在智能家居.社会治安、医疗陪护等方面中发挥了巨大的作用。
机器人教育逐渐成为国内外教育各界关注的热点。但总体而言机器人教育在全球范围内都处于起步阶段。因此,在机器人课程资源开发方面缺乏系统的理论指导,导致机器人课程参差不齐教学目标不明确[1,2]。
目前国内有很多高校新开设了机器人相关专业进行机器人相关的教学取得了很好的成果,但在机器人创新实践教学方面有待提高。针对该情况本文提出了将TRIZ理论应用到服务机器人的创新实践教学中,利用该方法,开阔学生的设计思路丰富教师的课堂教学。
二.TRIZ理论分析
TRIZ作为一种不断发展的创新理论为人们提供了一套完整的创新原理和解决技术难题的方法体系[3]。
TRIZ理论将产品创新设计问题抽象为发现和消除产品设计过程出现的矛盾产品的创新设计以满足人的需求为目标这个矛盾自然而然地就成为了科技进步与人类需求的矛盾通过准确定义矛盾问题借助TRIZ理论消除矛盾来获得产品创新进而满足社会的需求[4]。解决路线见图1。
三.服务机器人项目分析
本文以服务机器人为教学案例对目前的机器人进行功能分解。首先是该机器人的工作环境(需集成温度、烟雾等传感器)然后该机器人的服务对象(医护人员与病人);最后机器人的功能要求(将工作环境通过摄像头发送到上位机机器人能识别人体动作根据识别到的动作机器人能自主的运动)。具体功能分解如表1所示。
该服务机器人Kinect 采用全新空间定位技术的3D体感摄像头利用即时动态捕捉﹑影像辨识等功能,系统通过手势向机器人下达指令,传感器实时捕捉使用者的动作达到输入功能,摆脱了传统输入设备的束缚。上位机利用LabVIEW处理数据,下位机执行命令。系统工作流程如图2所示。
目前存在的主要问题:1.随着人的抖动,会导致摄像头的手势识别出现误差和错误输出的骨骼图将会发生偏折造成不稳定的问题2.自动化的程度较低整个操作过程还不太流畅。
解决方案:1.与RGB图像相比深度图像具有物体三维特征信息。由于深度图像不受物体表面的发射特性及光源照射的景影响识别手势更加准确稳定。2.为了尽量避免,减轻骨骼图成像错乱的问题该设计在Kinect程序初始化阶段就为其加入了骨骼平滑算法该算法将会互相约束骨骼点的间距,根据现有的骨骼点推算其余骨骼点的位置,保持骨架呈现的比较完整。3.系统控制器采用STC单片机具有高速、低功耗、抗干扰能力强等特点。利用LabVIEW实现数据采集.数据分析、串口控制.GPIB、数据存储及数据显示等功能提高医疗服务机器人的自动化程度。
四,基于TRIZ.理论的服务机器人改进研究
在整个的教学研究过程中为了实现医疗服务机器人更多的功能及应用充分的利用了TRIZ.理论创新办法在教学中设计出了一份创新的设计方案[5]。
(一)基于分割原理的改进
分割原理是使物体成为可组合的(易于拆卸和组装)的部分。在一个完整的系统中,当其中一部分存在问题的时候需要将整个系统分割成若干的部分将其中有害或有益的部分抽取。为了使医疗服务机器人的结构功能框架更加的完善将其分割成控制器最小系统、电源电路系统、电机系统﹑模拟舵机系统、驱动系统和稳压系统。系统模块分割如图3所示。同样的,当模块的某一部分出现问题时,需要将其单独拿出具体分析并且完备功能。在设计的过程中会出现摄像头的手势识别出现误差和错误输出的骨骼图将会发生偏折,造成不稳定的问题,在解决问题的时候需将其单独抽出。
(二)基于局部特性原理的改进
局部特性原理是将物体或外部环境的同类(均匀)结构转换成异类(非均匀)结构。在方案的设计中使系统各个模块部分充分的展现其功
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