「技术」基于TRIZ的吊轨式自动送餐设备的改进设计 |机器人|物理|设计|

吊轨式自动送餐设备是餐馆自动送餐中应用的一种新型设备，与现存送餐机器人有所不同，该设备通过移动装置在吊轨上进行移动，配合升降装置，将做好的餐品送至顾客桌面上，非常方便快捷。国内外学者围绕吊轨式自动送餐设备展开了部分研究[1-4] ，推动了其向前发展，但是设备依然存在设备成本高、续航时间短以及启动时驱动力不足等问题。
发明问题解决理论（TRIZ）作为一种创新方法，揭示了创造发明的内在规律和原理，能够大大加快人们创造发明的进程并得到高质量的创新产品[5,6] 。 TRIZ的两个解题工具：分离原理和40个发明原理，在解决问题过程中应用广泛，本文通过应用这两个解题工具对吊轨式自动送餐设备进行改进。
1 基于发明原理的送餐设备供电方式的改进作为TRIZ理论的重要工具之一——发明原理，其主要解题对象是技术冲突类问题。技术冲突是发生在两个参数之间的冲突，即系统的一个方面得到改进时，削弱了另一方面。此类问题，通常先用39个通用工程参数进行描述，将技术冲突转化为TRIZ的标准冲突，然后到冲突矩阵中查找相应的发明原理来解决。
考虑到降低成本，本设计将送餐设备的移动装置和升降装置设置为一体式，所带来的问题是蓄电池无法满足所耗电量，即存在如下的冲突：一体式装置提高了速度，但在移动的过程中两装置很难与电源形成闭合回路，无法获得源源不断的电能。转化成标准冲突，改善的参数：通用工程参数9（速度）；恶化的参数：通用工程参数：19（运动物体的能量）。由冲突矩阵查找到以下发明原理：
（1）15号原理（动态化）：将电力传输设备改为移动式，即在吊轨的上方加装一条和吊轨路径一致的通电轨道，采用移动触滑器对两装置进行供电，移动触滑器上端可在通电轨道上滑动，下端分别与移动装置和升降装置中的两步进电机相连，形成运动的回路，不间断地为两装置供电。
（2）35号原理（参数变化）：将吊轨、移动装置和升降装置三者接触的位置全部换成导体材料，改变其导电性，给吊轨通电。虽然同样能为两装置提供电能，但很容易造成整个设备短路或漏电，会带来巨大安全隐患，故不予考虑。
依据上述分析，采用以下方案：在吊轨的上方加装一条和吊轨路径一致的通电轨道，采用移动触滑器对两装置进行供电(移动触滑器可在通电的状态下随两装置在通电轨道上移动) ，如图1所示。

本文插图
2 基于分离原理的送餐设备升降装置的改进分离原理主要是面向物理冲突类问题加以改进和创新设计。所谓物理冲突，是指发生在一个参数上的冲突，即对同一个参数提出了不同的需求，一般直接用分离原理求解，分离原理包括四种：时间分离、空间分离、条件分离、系统分离。
送餐设备运行过程中，若步进电机直接驱动升降装置，为保证步进电机平稳运行不过负载，对升降力矩上限的要求为尽量小，而为了提高升降装置的运载能力，对升降力矩上限的要求为尽量大，由此判断存在一对物理冲突。
对冲突进一步分析，如果在步进电机和升降装置之间加入防止步进电机过负载的中间装置，通过中间装置继续提高升降力矩上限，那么便可提高升降装置运载能力。
因此该冲突可用条件分离原理解决，即在步进电机和升降装置之间加入带有动滑轮的滑轮组，通过滑轮组传动相当于将步进电机输出力矩增大数倍（取决于动滑轮个数），避免了步进电机重载驱动不稳定的情况发生，同时提高了升降装置的运载能力。
综上述分离原理，最终将升降装置做出如下改进：通过步进电机在旋转过程中对滑轮组进行缠线和放线，带动伸缩杆完成对应过程的缩短和伸长，最终配合整个升降装置完成平稳升降，如图2所示。