巡檢機器人的全周期設計與研究

張騰騰 程文婷

摘要：為規(guī)范巡檢類產(chǎn)品設計流程，提升最終設計的用戶滿意度，實現(xiàn)結(jié)構分布合理、造型美觀、使用人性化等目標，文章基于對巡檢機器人全周期設計流程的系統(tǒng)分析，提出了一種將KANO模型、QFD（質(zhì)量屋）與TRIZ相關理論融合的全周期設計流程模型。首先進行KANO問卷分析，得到提高巡檢效率的用戶需求及重要度排序，以此確定QFD的關鍵需求要素，然后利用質(zhì)量屋對巡檢機器人的質(zhì)量特性進行映射，并對質(zhì)量屋的用戶需求與質(zhì)量特性關系進行權重計算，確定重點設計要素。其次劃分重點設計要素的矛盾矩陣，借助40條發(fā)明原理、技術知識和經(jīng)驗等，優(yōu)化得出最終的創(chuàng)新設計方案。文章集成KANO和QFD理論，有效彌補了用戶需求分析過于依賴感性的局限，并結(jié)合TRIZ理論縮短了解決巡檢機器人矛盾的時間。應用結(jié)果表明，這種集成方法能有效指導巡檢類機器產(chǎn)品的創(chuàng)新設計，提高產(chǎn)品設計的效率和質(zhì)量。

關鍵詞：KANO；QFD；TRIZ；巡檢機器人；全周期設計流程

中圖分類號：TP242；TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）09-00-03

隨著數(shù)字技術和人工智能的不斷發(fā)展，巡檢類機器人在變電站的應用場景越來越廣泛。在巡檢強度大的變電站，利用好現(xiàn)有巡檢機器人，為傳統(tǒng)人工巡檢減負增效，為電網(wǎng)巡檢人員及時獲取設備狀態(tài)提供準確依據(jù)，對大幅減少供電事故方面具有重要意義［1］。但目前國內(nèi)市場上的大部分巡檢機器人設計主要以功能為導向，從結(jié)構堆疊入手，未充分考慮巡檢機器人適應巡檢環(huán)境的潛在需求及行駛路況的復雜性和多元性［2］，同時驅(qū)動機構對環(huán)境感知器的干涉方面缺乏突破性的創(chuàng)新方案［3］。因此，如何從產(chǎn)品創(chuàng)新方法層面解決前述諸多問題及在設計過程中過于依賴設計者的經(jīng)驗和知識的問題，提高巡檢機器人的巡檢效率和用戶滿意度，值得進一步思考。

1 KANO、QFD、TRIZ的集成設計方法

基于產(chǎn)品創(chuàng)新設計流程的規(guī)范研究，學術界已有一定的成果。石元伍等利用KANO模型獲悉了醫(yī)療服務機器人的關鍵用戶需求及重要度，并在用戶需求與質(zhì)量特性矩陣分析上進行了成功的實踐，提出了運用KANO理論能夠較好地解決QFD中顧客需求滿意評價信息不準確、不確定的問題［4］。劉宗明等利用KANO問卷分析，獲取了較為準確的兒童家具輕設計用戶需求，并基于TRIZ矛盾解決方法研究了兒童家具輕設計的矛盾沖突，建立了創(chuàng)新功能模型，得到了創(chuàng)新的兒童輕設計方法［5］。張彩麗等研究了TRIZ和QFD的集成模式，得到了確定及解決問題的創(chuàng)新設計新思路［6］。但總體上缺乏對全周期設計流程的探討與實踐，單一使用某種理論或集成其中兩種理論，較少兼顧產(chǎn)品設計的整體流程，在獲取關鍵需求和定義上會出現(xiàn)一定的偏差。

QFD作為用戶需求與質(zhì)量特性關系矩陣的分析方法，能夠較為理想地分析出設計重點要素，但在用戶需求獲取上缺乏客觀性和準確性，輸出的設計重點要素也不具有解決矛盾的有效方法，因此，還需引入用戶需求和設計矛盾解決方法。本研究引入TRIZ矛盾解決理論，可以較為理想地解決前述設計重點要素的矛盾，而引入的KANO模型則可以解決QFD中關鍵用戶需求及其重要度數(shù)據(jù)，對用戶核心需求的判斷及后期設計決策具有重要意義。

本研究綜合運用KANO-QFD-TRIZ集成方法。首先利用KANO模型確定關鍵用戶需求及重要度，其次借助QFD方法將用戶需求映射為質(zhì)量特性，結(jié)合用戶需求與質(zhì)量特性矩陣的分析，輸出其設計重點要素及矛盾問題，最后利用TRIZ矛盾解決理論，深入分析其設計重點要素之間的矛盾沖突，通過40條發(fā)明原理、技術知識和經(jīng)驗等優(yōu)化得出最終設計方案。

2 基于KANO、QFD、TRIZ的巡檢機器人設計

2.1 量化KANO獲取用戶需求重要度

本研究以變電站場景下的巡檢機器人為例，闡述基于KANO-QFD-TRIZ集成理論對巡檢機器人進行創(chuàng)新設計的過程。用戶需求要素的提取是KANO問卷調(diào)查的關鍵步驟，對目標用戶真實需求的反映，將直接影響KANO數(shù)據(jù)分析的準確性。本研究選取某變電站15名有豐富經(jīng)驗的巡檢運維老員工進行需求訪談，根據(jù)主要性能、輔助性能、操作性需求和經(jīng)濟性需求進行分類，并對巡檢機器人的用戶需求進行收集和整理分析。

根據(jù)前述確定的用戶需求開展KANO問卷調(diào)研，本次調(diào)查以某大型變電站的運維人員及維修人員為主要對象，發(fā)放問卷共計100份，回收有效問卷96份，問卷有效率為96%。問卷從主要性能、操作性、可靠性這三個方面設置了14個需求指標。KANO問卷設置為正反兩個問題。正向為：如果滿足某需求，你感覺如何？反向為：如果沒滿足某需求，你感覺如何？受訪者分別從正反兩個問題選擇5項滿意度的任意一項，這5項的滿意度分別為很滿意、理應如此、無所謂、不滿意和很不滿意。然后統(tǒng)計分析KANO調(diào)查問卷的結(jié)果，計算出平均滿意度得分和不滿意度得分。常見的需求分類是將滿意度之間的關系與質(zhì)量特性直接進行對應劃分，屬于簡單的二維屬性歸類方式，當需求要素的正反兩項數(shù)值接近時，容易誤判屬性分類。為提高需求重要度的準確性，根據(jù)KANO模型的定量參數(shù)公式計算出需求的重要程度，該定量參數(shù)公式可由某項需求的平均用戶滿意度和平均不滿意度的平方表示。

通過KANO的分析結(jié)果，利用Better-Worse坐標（滿足該需求時的平均用戶滿意度得分，未滿足該需求時的平均用戶滿意度得分）系數(shù)來劃分各個需求的屬性區(qū)間：當Better＞2時，Worse＜2為必備因素；當Better＞2時，Worse＞2為期望因素；當Better＜2時，Worse＞2為魅力因素；當Better＜2時，Worse＜2為無差異因素。根據(jù)巡檢機器人的Better-Worse坐標可知，巡檢機器人設計首先滿足因素可以實時監(jiān)控環(huán)境、可以輸出表盤等檢查日志、遇到異常信號能夠報警、具有較強的耐臟耐磨性能、安裝方便快捷且成本不能太昂貴，其次滿足因素適用室內(nèi)和室外路況、能區(qū)分異常信號的源頭和維修起來方便快捷，最后滿足因素機器人可以定期自檢報修、感知器不能受驅(qū)動底盤影響、可以更換組件升級和維護費用低。而對無差異因素具備改裝的后續(xù)潛力來說，并不會影響用戶滿意度，可將具備改裝的后續(xù)潛力因素刪除。

2.2 基于KANO-QFD模型的質(zhì)量特性映射分析

本研究以量化KANO得到的用戶需求要素為基礎，通過QFD拓展巡檢機器人的功能特性，從而構建需求要素與功能要求的質(zhì)量屋，以此得到功能要求權重及巡檢機器人的設計重點?；诹炕疜ANO提取的巡檢機器人需求要素，對功能要求進行映射與拓展，旨在提升功能設計要求的合理性與轉(zhuǎn)化質(zhì)量。首先將一級用戶需求要素映射為質(zhì)量二級特征，然后拓展二級用戶需求，并結(jié)合質(zhì)量二級特征的類別劃分得到質(zhì)量三級特征。利用映射關系進行可視化拓展，可得出對應的質(zhì)量特性。

質(zhì)量屋是確定用戶需求與功能特性關系的圖示方法，能夠較為直觀地展示功能需求對相應用戶需求的貢獻和影響程度。質(zhì)量屋的天花板采用巡檢機器人功能要求要素，左墻采用用戶需求要素。質(zhì)量屋由6名資深巡檢人員評分，將用戶需求與功能要求的相關程度表示為強相關、中等相關、弱相關和無相關，分別記為5分、3分、1分和0分。依次計算二級功能要求的絕對權重，并分析用戶需求重要度與功能要求關系指標，最終獲得影響用戶滿意度的關鍵工程特性及重點設計要素。根據(jù)計算出的數(shù)據(jù)可知，圖像采集、造型簡潔醒目、獨立的感知器布局、感應器模塊化、伸縮與旋轉(zhuǎn)結(jié)構都是有較高權重的功能要求，這些功能要求將是巡檢機器人設計的重點內(nèi)容。

從質(zhì)量屋的用戶需求與功能要求關系矩陣可以看出，在巡檢機器人快速行駛的要求下，既要滿足輪式移動又要滿足履帶移動以適應復雜的巡檢路況，是底盤結(jié)構部分的設計重點；攝像云臺的伸縮與旋轉(zhuǎn)結(jié)構、在運動過程中的結(jié)構可自鎖、維修與保養(yǎng)時的結(jié)構可拆卸性，是伸縮機構部分的設計重點；感應器模塊化、獨立的感知器布局、多感應器的整合是多維感知應用的設計重點；圖像采集、報警組件及無線天線是攝像云臺的設計重點；有效降低風阻的流線型造型、零部件的模塊化設計和材料工藝合理是整體外觀的設計重點。

2.3 TRIZ矛盾沖突分析及問題解決

根據(jù)巡檢機器人質(zhì)量屋的功能要求展開表，對各個功能要求進行兩兩相關性分析，以此構建成質(zhì)量屋的屋頂。根據(jù)前述分析結(jié)果可以看出，巡檢機器人的質(zhì)量特性要素主要存在6對技術沖突和2對物理沖突，并用“—”來表示兩兩要素間的矛盾沖突。輪式移動不適用于復雜的室外巡檢路況，而越障性能強的履帶移動又不能滿足快速行駛需求，因此認為快速行駛—復雜路況、快速行駛—履帶移動、輪式移動—履帶移動為負沖突。報警組件與無線天線加載到攝像云臺上，會增加伸縮機構的負擔和能耗，因此認為伸縮與旋轉(zhuǎn)結(jié)構—報警組件、伸縮與旋轉(zhuǎn)結(jié)構—無線天線為負沖突。

通過TRIZ的矛盾解決方法及40條推薦發(fā)明原理，深入分析前述設計重點元素的矛盾沖突，列出問題并求解［7］。對巡檢機器人快速行駛—復雜路況、快速行駛—履帶移動、履帶移動—輪式移動這3對底盤功能的矛盾沖突，根據(jù)TRIZ分離發(fā)明原理，通過將輪、履分成可拆卸的獨立部分，預先設定巡檢路況，并選擇相應的移動方式，獲得最佳的巡檢行駛方式。針對攝像云臺部分的報警組件—伸縮與旋轉(zhuǎn)結(jié)構、無線天線—伸縮與旋轉(zhuǎn)結(jié)構這2對矛盾，根據(jù)TRIZ拆出發(fā)明原理，將攝像云臺的報警組件和無線天線拆分出去，使伸縮機構達到最佳工作狀態(tài)。針對環(huán)境感知器—結(jié)構整合這對物理矛盾沖突，根據(jù)TRIZ分離發(fā)明原理，將環(huán)境感知器組件從底盤結(jié)構中獨立出來，配置在攝像云臺附近并伴隨其伸縮或旋轉(zhuǎn)作業(yè)，以避免受驅(qū)動結(jié)構干涉，并保證巡檢數(shù)據(jù)的準確性。通過TRIZ矛盾沖突發(fā)明原理分析與推理，得到以下創(chuàng)新概念設計方案。

第一，根據(jù)巡檢機器人底盤功能的沖突，提出一種輪履可切換的底盤設計方案。在變電站室內(nèi)路況下，切換為行駛速度較快的輪式方案；在惡劣天氣、經(jīng)過臺階、電阻軟石層等復雜室外巡檢環(huán)境下，切換為越障能力強的履帶方案，履帶采用分體式三角履帶，具有靈活性好、越障速度快等優(yōu)勢。

第二，根據(jù)環(huán)境感知器與底盤結(jié)構整合的沖突，提出一種多維感知倉獨立分布概念設計方案。為避免受底盤驅(qū)動結(jié)構在工作時產(chǎn)生噪聲、發(fā)熱等干涉因素影響，對底盤功能進行拆分重組，將多維感知倉移到伸縮機構頂部，并隨著攝像云臺共同進行伸縮及旋轉(zhuǎn)工作，感知器采用相互獨立的置放布局，便于感知器的模塊化自定義。

3 結(jié)語

為解決設計人員在設計巡檢類產(chǎn)品時無法規(guī)范設計流程的問題，避免在設計流程中過于依賴感性分析，本研究提出了KANO、QFD與TRIZ理論相融合的全周期設計流程，以變電站巡檢機器人為例進行了驗證，結(jié)果表明該方法能提高產(chǎn)品設計的效率和質(zhì)量，并應用于巡檢類產(chǎn)品的設計規(guī)范中。

文章基于KANO模型獲得影響用戶滿意度的關鍵需求及重要度排序，彌補了質(zhì)量屋在用戶需求提取方面的局限。借助對用戶需求與質(zhì)量特性關系矩陣的分析，獲得設計重點要素與矛盾種類，最后利用TRIZ矛盾解決理論，深入分析設計重點要素之間的矛盾沖突，通過40條發(fā)明原理、技術知識和經(jīng)驗等優(yōu)化得出最終設計方案。精簡了產(chǎn)品創(chuàng)新設計流程規(guī)范，可以為巡檢類產(chǎn)品設計人員提供新思路及理論支持，從而幫助設計人員更高效地抓取設計重點，進而指導設計過程。

文章亦存在不足，對續(xù)航能力及人機交互方式的研究，還需在今后進一步探索與完善。

參考文獻：

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［7］ 趙新軍.技術創(chuàng)新理論（TRIZ）及應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2004：1-100.

作者簡介：張騰騰（1995—），男，江蘇徐州人，碩士在讀，系本文通訊作者，研究方向：產(chǎn)品創(chuàng)新設計。

程文婷（1984—），女，江西南昌人，博士，副教授，研究方向：工業(yè)設計、設計基礎與理論。