趙 瑋

(承德石油高等?？茖W(xué)校，機(jī)械工程系，河北 承德 067000)

傳統(tǒng)的零售店問題日趨嚴(yán)重，一方面因?yàn)閭鹘y(tǒng)零售的人力成本逐年增加，另一方面因?yàn)樨浳飿邮蕉?，管理困難大，并且由于新冠疫情的影響，人與人接觸的零售模式受到了很大的沖擊，因此實(shí)現(xiàn)對超市的自動(dòng)化、智能化、安全化管理是至關(guān)重要的。本文運(yùn)用TRIZ理論對無人超市購物小車進(jìn)行因果分析并建立了功能模型[1-2]，結(jié)合沖突解決理論和進(jìn)化工具進(jìn)行無人超市購物小車的設(shè)計(jì)。

1 無人超市購物小車的工作原理及存在的問題

1.1 工作原理

如圖1所示的無人超市自動(dòng)取貨小車可以根據(jù)采購者輸入的貨物編號(hào)，自動(dòng)地定位到該貨物所在的貨架，通過攝像頭掃描二維碼的方式確定該貨架上的商品是否和采購者輸入的貨物一致。如果一致，就通過機(jī)械手臂將該貨物抓取并放入貨物斗中；如果不一致或貨架已空，則產(chǎn)生報(bào)警音，繼續(xù)去抓取下一個(gè)貨物。當(dāng)所有的貨物采購?fù)戤吅?，取貨小車將自?dòng)返回起始位置，等待采購者進(jìn)行打包及付款操作。

1.2 存在的問題

無人超市購物小車在工作的過程中會(huì)持續(xù)不斷的抓取貨物到貨斗中，在這個(gè)過程中會(huì)出現(xiàn)以下問題：

1)由于貨物會(huì)增加小車的不平衡性及小車行進(jìn)過程中的打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致小車的行駛路線發(fā)生偏差，甚至碰到貨架出現(xiàn)事故，無法正確取到所有貨物。

2)小車在識(shí)別貨物時(shí)，由于超市內(nèi)的光線或二維碼的角度問題，會(huì)導(dǎo)致識(shí)別失敗從而不能正確抓取貨物。

3)抓取貨物的機(jī)械手在放置貨物時(shí)，相同尺寸的貨物會(huì)越累積越高，在小車啟動(dòng)時(shí)貨物由于慣性的作用會(huì)倒下并落在貨物斗以外的地面上。

1.3 現(xiàn)有解決方案

針對上述問題，目前有如下改進(jìn)方案，但是可靠性并不高。

1)采用避障裝置，當(dāng)小車要碰到貨架時(shí)使之向相反方向運(yùn)動(dòng)。該方案只能確保不出現(xiàn)碰撞事故，并不能保證行駛路線完全正確。

2)在掃描二維碼攝像頭處增加閃光燈，并進(jìn)行多次識(shí)別。該方案可以彌補(bǔ)光線不足帶來的識(shí)別錯(cuò)誤，并不能徹底解決二維碼角度不正帶來的識(shí)別錯(cuò)誤。

3)人為干預(yù)，即遇到貨物掉落時(shí)，由管理人員撿起地上的貨物放入貨斗內(nèi)。該方案隨可以解決貨物掉落問題，但是降低了無人超市的自動(dòng)化程度。

2 基于TRIZ理論的無人超市購物小車設(shè)計(jì)

2.1 TRIZ理論

TRIZ理論是前蘇聯(lián)發(fā)明家、教育家G.S.Altshuller和他的研究團(tuán)隊(duì)，通過分析大量的專利得到的一種解決發(fā)明創(chuàng)造問題的理論和工具，它提供了沖突解決理論和進(jìn)化工具等原理及工具，能夠有效解決在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的矛盾[3]。TRIZ理論拋棄了工程應(yīng)用中常見的試錯(cuò)思想，從待解決的問題出發(fā)，通過建立系統(tǒng)的功能模型來進(jìn)行因果分析，從而確定問題的關(guān)鍵點(diǎn)，然后經(jīng)過對理想解及可用資源的分析，利用TRIZ工具得到多種解決問題的方案。最后通過對各種方案的可行性評(píng)估得到最優(yōu)的解?；赥RIZ理論的發(fā)明問題解決過程如圖2所示。

2.2 問題分析

運(yùn)用TRIZ理論解決無人超市購物小車問題時(shí)，首先要將系統(tǒng)中的元件按照制品、系統(tǒng)元件和超系統(tǒng)元件進(jìn)行分類，如表1 所示。

根據(jù)系統(tǒng)分析中得到的各元件，按照TRIZ理論規(guī)定的功能描述方式繪制出系統(tǒng)的功能模型圖，如圖3所示。系統(tǒng)的功能模型圖展示了系統(tǒng)中所有元件間的功能關(guān)系，通過標(biāo)準(zhǔn)作用和有害作用來描述各元件間的相互作用。通過功能模型，可以找到四個(gè)有害作用：

表1 系統(tǒng)分析

有害作用1：車輪在地面上行駛時(shí)會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

有害作用2、3：空氣和光照條件會(huì)影響攝像頭的二維碼識(shí)別成功率。

有害作用4：貨物會(huì)從貨斗中掉落。

通過系統(tǒng)的功能模型中的有害作用來進(jìn)行因果分析，如圖4所示。

通過對有害作用進(jìn)行因果分析得到了解決問題的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

問題關(guān)鍵點(diǎn)一：行駛時(shí)小車行駛路線產(chǎn)生偏差。

問題關(guān)鍵點(diǎn)二：攝像頭不能正確識(shí)別貨物。

問題關(guān)鍵點(diǎn)三：貨物超出貨物斗邊緣。

2.3 問題解決

針對因果分析得到的三個(gè)問題關(guān)鍵點(diǎn)，利用適合的TRIZ工具來解決問題。

1)問題關(guān)鍵點(diǎn)一：行駛時(shí)小車行駛路線產(chǎn)生偏差。

TRIZ工具：沖突解決理論。

為了修正行駛時(shí)小車的位置偏差，就需要在系統(tǒng)中增加糾偏裝置，但是增加糾偏裝置后會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。將糾偏裝置和增加系統(tǒng)的復(fù)雜性轉(zhuǎn)化成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突后，通過查找沖突矩陣可以得到如下發(fā)明原理。

表2 問題關(guān)鍵點(diǎn)一的矛盾分析

方案一：依據(jù)No.10(預(yù)操作)發(fā)明原理，得到解如下：

定義為軌道方案，在無人超市內(nèi)部預(yù)先安裝有取貨車行走的軌道，使取貨車每次轉(zhuǎn)彎時(shí)都按照軌道的路線進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。

方案二：根據(jù)No.10(預(yù)操作)發(fā)明原理，得到解如下：

定義為磁導(dǎo)航方案，在無人超市的地面下，提前放置磁條；在小車內(nèi)放置磁導(dǎo)航傳感器，通過磁力的作用，修正小車的位置，使小車始終行駛在有磁條的地方。

2)問題關(guān)鍵點(diǎn)二：攝像頭不能正確識(shí)別貨物。

TRIZ工具：進(jìn)化分析。

步驟①：通過對先有的技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化過程進(jìn)行分析[4]，選擇技術(shù)進(jìn)化定律“向復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)化”。

無人超市采貨小車經(jīng)歷了如下三個(gè)階段：

固定采購車(自動(dòng)販賣機(jī))—推車進(jìn)行采貨(大型無人超市)—自動(dòng)采貨(大型智能化無人超市)

步驟②：依據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化發(fā)展過程，選擇技術(shù)進(jìn)化路線“增加部件的多樣性”。

固定采貨車(自動(dòng)販賣機(jī))—推車進(jìn)行采貨(大型無人超市)—自動(dòng)采貨(大型智能化無人超市)—人工智能自動(dòng)采貨車(人工智能無人超市)

步驟③：按照選定的技術(shù)進(jìn)化路線，判斷現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)在進(jìn)化路線上的位置，進(jìn)而確定潛力狀態(tài)。

按照潛力狀態(tài)，得到解決方案三：定義為圖片識(shí)別方案，增加帶有圖片識(shí)別功能的攝像頭，可以在進(jìn)行掃碼失敗時(shí)自動(dòng)啟用，通過圖片比對的方式對貨物進(jìn)行識(shí)別，如圖6所示。

3)問題關(guān)鍵點(diǎn)三：貨物超出貨物斗邊緣。

TRIZ工具：沖突解決理論。

為了使貨物能夠在貨物斗內(nèi)穩(wěn)定的存放，我們需要一個(gè)很大的貨物斗，使貨物不超過貨物斗的邊緣，但是這樣會(huì)增加貨物斗的尺寸。將穩(wěn)定的存放和增加貨物斗的尺寸轉(zhuǎn)化成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突后，通過查找沖突矩陣可以得到如下發(fā)明原理。

表3 問題關(guān)鍵點(diǎn)三的矛盾分析

方案四：依據(jù)No.14(曲面化)發(fā)明原理，得到解如下：

定義為圓形貨斗方案，將貨物斗的底面做成球面，當(dāng)貨物被放到貨物斗內(nèi)會(huì)自動(dòng)尋找平衡點(diǎn)，使多個(gè)相同的貨物在同一點(diǎn)被放下時(shí)，不會(huì)再進(jìn)行高度上的累加，如圖7所示。

方案五：依據(jù)No.24(中介物)發(fā)明原理，得到解如下：

定義為振動(dòng)方案，在貨物斗內(nèi)安裝振動(dòng)裝置，在每次放置貨物后啟動(dòng)振動(dòng)裝置，使貨物斗內(nèi)的貨物進(jìn)行重新布局，防止高度累加。

2.4 最優(yōu)解確定

對上述四個(gè)方案從技術(shù)難度、操作難度和成本三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]，得到方案評(píng)價(jià)表，如表4所示。

表4 方案評(píng)價(jià)與可用性分析

根據(jù)表4中對所有解決方案的評(píng)價(jià)與可用性分析，結(jié)合購物小車及無人超市內(nèi)部的具體環(huán)境要求，得到的最優(yōu)解為：

在無人超市內(nèi)安裝磁條，在取貨車上安裝磁導(dǎo)航，使小車可以無偏離行駛，使機(jī)械手能夠正常抓取到貨物；在小車上增加帶有圖像識(shí)別的攝像頭，當(dāng)掃碼失敗時(shí)利用圖像識(shí)別進(jìn)行貨物確認(rèn)；將貨物斗的底面做成球面，使貨物在貨物斗內(nèi)擺放時(shí)高度降低，防止掉落貨物斗外。

3 結(jié)語

本文根據(jù)無人超市購物小車現(xiàn)存的問題運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行了創(chuàng)新方案的設(shè)計(jì)：對小車進(jìn)行系統(tǒng)分析、建立功能模型及因果分析，并在因果分析的基礎(chǔ)上得到了解決問題的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)沖突解決理論與進(jìn)化工具得到了五種解決方案，最后通過對五種解決方案進(jìn)行評(píng)價(jià)與可用性分析，得到了最優(yōu)解。TRIZ理論提供的工具可以在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)并解決出現(xiàn)的矛盾，是一種科學(xué)有效的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。