TRIZ关于机械臂的作品申报书.docx

TRIZ关于机械臂的作品申报书.docx

《TRIZ关于机械臂的作品申报书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《TRIZ关于机械臂的作品申报书.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

TRIZ关于机械臂的作品申报书

附件3

序号：

编码：

黑龙江省第三届“TRIZ”杯大学生创新设计大赛

作品申报书

作品名称：

跟焦式机械臂

申报团队：

　　　　EA三队　　　　　

所在院校：

指导教师：

联系方式：

类别：

☑发明制作类

□论文创意类

第三届“TRIZ”杯大学生创新设计大赛组委会制

说明

1．申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。

2．申报者在填写申报作品情形时只需依照项目报名情形填写A表，依照作品类别（科技发明制作、自然科学类学术论文）别离填写B一、B2表，依照TRIZ理论把握情形志愿填写B3表。

所有申报者需详细填写C表。

3．表内项目填写时一概打印，要求申报者一概按原表复制。

4．序号、编码由第三届“TRIZ”杯大学生创新设计大赛组委会填写。

5．所有科技发明制作必需撰写研究报告，并将研究报告打印在表F处，研究报告字数在2000字左右。

6．学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必需是中文，用小四号仿宋体字（正文）打印在A4纸上，附于申报书后，论文字数8000字之内，（文章版面尺寸：

上下，左右）。

7．作品申报书须按要求由各学校统一报送。

8．所有参赛作品必需按规按时刻报送。

9．报送地址：

哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学船海楼313室

邮编：

150001

电子版发送到（邮件题目中注明学校）

联系：

5，

联系人：

贾刚

A．团队大体情形

团队名称

EA三队

所在院校

通信地址

指导教师

邮政编码

性别

出生年月

身份证

职称

联系电话

联系人

E-mail

QQ号码

团

队

成

员

姓名

性别

年龄

专业

联系电话

E-mail

资

格

认

定

学

籍

负

责

部

门

意

见

是否为在2012年10月1日前正式注册的在校全日制非成人教育、非在职的各类学生（含专科生、本科生、研究生）

☑是□否

若是，其学号是：

负责人签名：

部门盖章：

年月日

学

校

负

责

部

门

意

见

本作品是否为课外非教学学术科技活动成果

☑是□否

负责人签名：

部门盖章：

年月日

B1．申报作品情形（科技发明制作）

作品全称

跟焦式机械臂

作品分类

（B）A.计算机技术（包括软件、硬件技术）

B.机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等）

C.通讯与电子（包括通讯、电信、电子等）

D.能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化工、生态、环保等）

E.数理（包括数学、物理、地球与空间科学）、其它

作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标

1、设计目的

人类用双手创造了今天辉煌的文明，灿烂的历史。

然而人的双手也有众多局限性，比如它不能像黑猩猩手臂那样强劲有力，像吊车那样能托起千斤巨物；不能在某些特定环境下工作，如深海作业、外太空作业、拆弹作业等；而且现有的机械臂需要专业的驾驶员去操纵，普遍使用性不够高，且灵活性不够高。

为解决这个问题，跟焦式机械臂由此诞生，它能有人类手臂的灵活性而且兼具一般机械臂的高性能。

2、基本思路

用机械手臂控制板（自制）和NRF24L01无线模块组合而成的无线机械手臂控制器控制舵机转动，电位器作为角度传感器，获取关节的角度变化，舵机的转动基本和电位器同步，将已经做好的机械臂连接到控制器，将电位器做成摇杆支架，那么我们就能操纵摇杆和机械臂同步动作。

这样一个能跟踪人的手臂动作并把动作复制给机械臂的控制系统，相当于把操作员手臂动作的有效负载放大了，可以完成一些人的手臂无法承受的操作，如此一来机械臂既有人手臂的灵活性又有机械的工程性。

实验阶段仿生机械臂由多个大力矩的舵机作为动力输出，4种类型的铝合金支架组合成6自由度臂体，用铝合金圆盘与机械轴承组合成360度云台,有效臂长32cm，用六个同等的滑动变阻器装在一个六自由度操作把的关节处，当操作员带上这个操作把活动时，用ADC采集每个滑动变阻器引起的电压的变化并反馈给控制器，经数据处理后驱动舵机运动，把操作员手臂的动作同步复制出来。

3、创新点

改变了传统的按钮式控制或控制杆式的机械臂控制方法，采用自动跟焦式仿生控制，有效的提高了控制效率和简化了控制难度。

4、技术关键

1）、ADC精确采集操纵臂的数据并反馈给处理器作精确处理；

2）、处理器精确控制舵机的运转进行动力输出；

3）、数据的稳定有效传递。

5、主要技术指标

1）、供电电源5V；

2）、动作同步延迟时间1秒；

3）、抓举重量1kg；

4）、抓举范围为32cm有效臂长。

作品发明过程中运用到的“TRIZ”理论（详细说明）

TRIZ认为,产品进化过程就是不断解决产品所存在冲突的过程，设计人员在设计过程中不断地发现并解决冲突，是推动其向理想化方向进化的动力。

技术冲突是典型的工程妥协问题，即当提高系统某一技术特性（参数）时，另一特性（参数）会恶化。

TRIZ创新原理的核心就是解决技术系统中存在的冲突，冲突解决矩阵是解决技术冲突的有效工具。

它是由TRIZ研究者通过专利分析确定的39个通用工程参数和40条发明原理及其它们之间的对应关系组成的。

一旦技术问题抽象成技术冲突的形式，就要用该问题所处的技术领域中的特定术语描述这个冲突，然后将这个冲突转换成TRIZ的通用工程参数,最后由通用工程参数在技术冲突解决矩阵中选择可用的发明原理。

在本案例中，传统的机械臂操作方式与适用范围存在着相容性差的矛盾。

如需要专业的熟练操作员才能有效操作机械臂工作；而且必须现场使用操纵杆来操作，手工操作中存在着多次操作后手腕酸痛，操作效率低等问题。

为了解决这些问题，应对现有操作方式和装置进行升级改造，达到既降低操作强度和难度，稳定操作，同时又增加了远程非现场操作和趣味操作。

基于TRIZ理论的技术冲突解决原理分析存在的矛盾，可以得到一系列的发明原理，在这些原理的指导下可以找到改进创新的方向，综合考虑各影响因素的作用及查找到的发明原理给出的设计方向。

本设计的模仿式同步机械臂控制系统在分析技术冲突解决原理的基础上，提出了几项改进措施，具有自己的创新点，具有一定的实用价值。

作品的科学性、先进性（应说明与现有技术相比，该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。

请提供技术性分析说明和参考文献资料）和实用性

市场上现有的机械臂多为操作箱按钮控制或者单一的自动控制，灵活性不够好且工作场合固定，只能实现特定的功能。

大多数现场控制式机械臂操作需要专业的操作员，这样的话就限制了机械臂的应用范围，不具有大众性。

该设计的跟焦式模仿方式是根据人手操作摇杆进行模仿控制，没有特定的运行轨迹，运动状态几乎是复制操作者的动作进行的。

由于操作数据是由（NRF24L01）无线传输，采用CRC冗余校验来保证控制指令传输的可靠性，所以操作者可以进行非现场控制来完成作业。

跟焦式的另一个优点是，任何操作者经过短时间的练习就能随心所欲的控制机械臂的运作，只要你的手臂能做出的动作它都能模仿完成，这为其适用范围提供了巨大空间。

实用性：

1）、可以代替操作员在恶劣环境下进行作业；

2）、可进行非现场控制；

3）、比一般的工程机械臂灵活性高；

4）、操作简单只需稍加练习就能控制该机械臂；

5）、易于与载体对接搭配使用。

作品所处阶段

D.（自填）

技术转让方式

作品可展

示的形式

□实物、产品□模型□图纸□磁盘

☑现场演示□图片□录像□样品

使用说明及该作品的技术特点和优势，请提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测

该作品操作简单，只需为机械臂和摇杆提供电源，待摇杆和机械臂控制板通过无线握手通信成功之后，改变手臂摇杆的状态即可让机械臂模仿操作者的动作。

该作品的运动状态取决于操作者的手臂姿态，具有良好的灵活性和随意性，不拘束于特定动作，能帮助操作者完成个人能力所及但条件不允许的操作。

该作品具有结构简单，易于操作，易于与载体搭配组装，能胜任特殊条件下的特殊操作要求等特点，如深海作业，拆弹作业，太空作业。

所以本作品可用于日常生活中的特殊环境或工程中的危险、特殊项目。

一台设备能够同时用在多种场合，是多个行业的高效利器，具有很强的实用性。

所以，本作品具有很大的市场潜力，经济效益可观。

专利申请情况

□提出专利申请申请号：

申请日期年月日

□已获专利权批准批准号：

批准日期年月日

☑未提出专利申请

B3．申报作品TRIZ理论应用情形

项目名称

跟焦式机械臂

项目来源

从科幻大片《环太平洋》中的机甲战士得到的灵感

研究领域

机械控制

项目概述

课题项目源于传统机械臂在应用领域中存在的局限性，对机械臂的控制方式进行改革创新，在不改变其原有的作用前提下，弥补不足，使之向着智能化，轻便化，大众化的方向发展。

材质上使用合金材料，适应操作者需要的便携、安全的要求，充分的适应各种场合的需求。

问题描述

（要求应写清楚系统的工作原理；主要问题；限制条件；类似产品的解决方法）

系统工作原理：

使用ATmega16单片机为主控芯片制作机械臂控制板，结合NRF24L01无线数据传输模块便组成无线舵机控制器；摇杆部分也使用ATmega16单片机作为主控芯片，用其内部8路ADC采集电位器状态来获取姿态数据，分析处理转化为控制指令，经无线传输发送给舵机控制器，这样以来就实现了跟焦的功能，舵机的转动与摇杆动作同步，这样操作机械臂完成动作就很方便了。

主要问题：

如何精确采集电位器的状态变化？

如何保证摇杆和舵机控制器之间通信的可靠性，不丢失数据？

如何保证控制和动作同步？

限制条件：

摇杆和舵机控制器间有效的通信距离受环境的影响；

远距离操作时操作者的操作视野受限；

长时间工作时能量的持续供给受环境条件限制。

类似产品的解决方法：

采用大功率无线发射器，增大传输距离距离；在机械臂上增加摄像头扩展操作者的视野；采用大容量移动电源或燃料发电机。

TRIZ解题流程

系统分析

（系统完备性法则、功能分析、九屏图、生命曲线）

系统完备性法则:

动力装置：

5V（10A）直流电源、舵机；

传输装置：

无线数据传输模块；

控制装置：

ATmega16单片机、摇杆；

执行装置：

舵机驱动器。

功能分析:

摇杆是获取控制信号的载体，无线数据传输模块是控制信息传输的途径，机械臂控制器是接收控制信息的终端。

资源分析

（系统内部资源——现有资源、派生资源；系统可引用的资源）

现有资源：

本系统采用单片机控制系统，控制简单，系统清晰，使之向着智能化的方向发展。

空间资源：

本系统的采用模块化设计，模块之间互不影响，互不干涉，使得控制系统空间得到合理利用。

产品体积可大可小，以适应不同的操作要求。

系统可引用资源：

摄像头、移动载体。

最终理想解

最终理想解是实现远距离精确跟焦式遥控操作。

运用TRIZ工具

（技术矛盾、物理矛盾、物-场分析）

解决方案

（方案、方案评价）

确定最终方案

注：

1．本表中如能用图的请尽可能用图表示；

2．尽可能地运用多种TRIZ工具解题；

3．解决方案应为多种，确信最终方案应为一种或两种皆可。

C．当前国内外同类课题研究水平概述

说明：

1.申报者可依照作品类别和情形填写。

2.填写此栏有助于评审。

机械臂发展状况如下：

（1）第一代机械臂，即按事先示教的位置和姿态进行重复的动作的机械。

它也可以简称为示教／再现方式的机械臂或是T/P方式（Teaching/Playback）的机械臂。

目前国际上使用的机械臂大多仍是这种工作方式。

由于这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态进行重复的动作而对周围环境无感觉的功能，其应用范围受到一定的限制，主要用于材料的搬运、喷漆、点焊等工作。

（2）第二代机械臂，即具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。

这种机械臂由于具有外部的感觉功能，因此可以根据外界的情况修改自身的动作，从而完成较为复杂的作业。

（3）第三代机械臂，这类机械臂除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策的功能。

从而可以适应因为环境的变化而自主进行的工作。

第三代机器人目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。

本设计属于第二代机械臂，功能上还有很大的发展空间。

D、推荐者情形及对作品的说明

说明：

一、由推荐者本人填写；

二、推荐者必需具有高级专业技术职称，并是与申报作品相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体推荐亦可）；

3、推荐者填写此部份，即视为同意推荐；

4、推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。

推荐者情况

姓名

性别

男

年龄

49

职称

副教授

单位

电话

推荐者单位签章

（签章）年月日

请对申报者申报情况的真实性作出阐述

作品由参赛学生完成，真实可靠。

请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价

该作品采用无线控制，多维仿生操作功能，具有一定的创新性，可在危险地区使用。

若能增加无线控制距离、远程观察功能和机械臂取物重量应用范围会更加广阔并具有良好的市场前景。

其它说明

E．大赛组织委员会资格和形式审查意见

组委会资格审查意见

审查人（签名）

年月日

组委会形式审查意见

审查人（签名）

年月日

组委会审查结果

□合格□不合格

负责人（签名）

年月日

F．参赛作品打印处

《跟焦式机械臂》说明书

一、研究目的

人类用双手制造了今天辉煌的文明，灿烂的历史。

但是人的双手也有众多局限性，比如它不能像黑猩猩手臂那样强劲有力，像吊车那样能托起千斤巨物；不能在某些特定环境下工作，如深海作业、外太空作业、拆弹作业等；而且现有的机械臂需要专业的驾驶员去操纵，普遍利用性不够高，且灵活性不够高。

为解决那个问题，跟焦式机械臂由此诞生，它能有人类手臂的灵活性而且兼具一样机械臂的高性能。

二、大体思路（TRIZ理论解决方式）及创新点

用自制机械手臂操纵板和NRF24L01无线数据传输模块制作而成的无线机械手臂操纵器，能够利用电位器操纵舵机，舵机的转动大体和电位器同步，将已经做好的机械臂连接到操纵器，将电位器做成摇杆支架，那么咱们就能够操纵摇杆和机械臂同步动作。

关于操作机械臂很方便。

如此一个能跟踪人的手臂动作并把动作复制给机械臂在机械臂上表现出来的操纵系统，相当于把操作员手臂动作的有效负载放大了，能够完成人的肉体手臂无法完成的一些操作，如此一来机械臂既有人手臂的灵活性又有机械的工程性。

实验时期仿生机械臂由多个大力矩的舵机作为动力输出，4种类型的铝合金支架组合成6自由度臂体，用铝合金圆盘与机械轴承组合成360度云台,有效臂长32cm，用六个一样的电位器装在一个六自由度摇杆的关节处，当操作员带上那个操作把活动时，用ADC搜集每一个滑动变阻器引发的电压的转变并反馈给操纵器，经数据处置后驱动舵机运动，把操作员手臂的动作同步复制出来。

能够代替操作员在恶劣环境下进行作业；

可进行非现场操纵；

比一样的工程机械臂灵活性高；

操作简单只需略加练习就能够操纵该机械臂；

易于与载体对接搭配利用。

三、装置结构图

实物图：

四、建造及利用方式

本作品要紧利用铝合金打造，材质轻盈，结构简单，繁重性能良好；云台采纳高强度机械轴承作为转向舵盘，转向轻便灵活；机械臂活动关节装有大力矩舵机作为动力输出，底座留有足够接口方便与载体搭配组装。

电子电路设计部份，结构紧凑走线清楚，电子元件一目了然（批量生产时还可缩小面板体积使其加倍集成化）。

电子设计方面：

动作搜集部份利用ATmega16单片机片内资源8通道10位ADC搜集各个关节的操纵信息，单片机分析处置以后，经无线数据模块传递给舵机操纵器。

利用方式：

一、将机械臂底座固定好，手动恢复到机械臂的的初始状态。

二、打开机械臂终端和摇杆电源开关，待两部份握手连接完成。

3、当二者握手连接成功以后即可操作摇杆进行自由操纵。

五、作品的创新点

解放了机械臂传统的按钮式和操纵杆式操纵方式。

采纳自动跟焦式操纵使机械臂的操作像运动自己的手臂一样随意方便，且操作动作细致，可专用于某些特定场合，比如地震救援操，深海搜集等，使得操作加倍人性化。

操作再也不需要现场操纵，可使操作者远离危险特殊环境。

六、作品的科学性、先进性和有效性

该设计的跟焦式操纵方式是依照人手操作摇杆进行仿照操纵，没有特定的运行轨迹，运动状态几乎是复制操作者的动作进行的。

由于操作数据是由（NRF24L01）无线传输，采纳CRC冗余校验来保证操纵指令传输的靠得住性，因此操作者能够进行非现场操纵来完成作业。

跟焦式的另一个优势是，任何操作者通太短时刻的练习就能够为所欲为的操纵机械臂的运作，只要你的手臂能做出的动作它都能仿照完成，这为其适用范围提供了庞大空间。

七、作品的技术特点和优势，适应范围及推行前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测。

该作品具有结构简单，易于操作，易于与载体搭配组装，能胜任特殊条件下的特殊操作要求等特点，如深海作业，拆弹作业，太空作业。

因此本作品可用于日常生活中的特殊环境或工程中的危险、特殊项目。

一台设备能够同时用在多种场合，是多个行业的高效利器，具有很强的有效性。

因此，本作品具有专门大的市场潜力，经济效益可观。

G1．大赛评审委员会预审意见

G2．大赛评审委员会终审意见