随着科学技术的发展，机器人的应用领域不断扩展。与此同时，格斗机器人近年来在国内引起高度关注，格斗机器人是机械工程领域中的一个重要分支，其设计和制造涉及众多先进技术的集成。这些技术包括传感器技术、控制器设计、驱动系统优化和人工智能算法等，用于实现机器人的自主行动、精确感知、快速反应和高效能战斗。

格斗机器人面临重量要求、场地限制、抗击打能力强、移动迅速等因素的制约，因此格斗机器人的设计千差万别，各有独特的优点和特色。一般来说，格斗机器人需要具备感知、决策和执行的能力，以便在竞技场上有良好的表现。这些机器人通常由各种不同类型的硬件组成，包括金属、塑料和其他材料。一些机器人可能会配备各种攻击和防御装置，如锤子、刀片、激光枪或盾牌等。

针对格斗机器人的复杂多样性的用户需求和设计技术质量，可以借助以需求为核心导向，借助AHP、QFD和TRIZ等理论构建产品创新设计模型，获得更优的产品设计方案。李洋等[1]运用AHP-QFD方法对老年人的需求和服务需求进行整理排序，针对需求进行产品和服务设计，提高产品满意度；彭有为等[2]将约束理论、QFD和TRIZ理论应用于洗干一体机的改进设计过程中，可以提高对系统冲突问题寻找和解决的效率，为企业研发和生产节约时间，提高生产效率；周红宇等[3]通过构建QFD和TRIZ集成设计模型，采用亲和图分析客户需求，QFD理论寻找系统冲突问题，TRIZ理论解决冲突问题，进而得到满足市场用户需求的产品；Frizziero等[4]将QFD和TRIZ理论应用于模具过程设计中，通过分析模具设计过程，应用该理论对其设计方法进行创新，可以降低能源消耗和材料损耗率；李军等[5]在设计应急救援车的过程中，应用QFD、TRIZ及AD的集成过程设计模型，得到更符合市场预期的产品，并且节约了企业的生产成本；许继峰等[6]针对家庭厨余垃圾浪费严重现状，提出AHP-TRIZ理论设计策略模型，实现家庭厨余垃圾智能回收的创新设计，为后续智能化产品设计提供了多方法多理论结合的创新思路。

综上所述，AHP可以通过对用户需求进行分析，进行重要度排序进而得到重要需求，可以准确客观地对需求进行评价；QFD的主要功能是将用户需求和产品技术质量指标构建联系，通过质量屋对质量指标进行相关权重计算，并且判断出影响产品创新设计的冲突；运用TRIZ理论当中的冲突解决理论对挖掘出来的冲突进行问题求解，得到创新设计方案。将上述3种方法融合在一起，将其应用在格斗机器人设计过程中，在满足功能要求的前提下，获得理想的产品方案。

1、需求分析

层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)是一种决策方法，它通过将复杂问题分解为不同的层次和因素，并通过对这些因素进行定性和定量分析，帮助决策者在多目标或多准则问题中做出决策[7-8]。

AHP通过成对比较来评估因素的相对大小，并利用个别专家的经验来估计每个因素的权重。AHP是一种层次权重决策分析方法，它基于网络系统理论和多目标综合评价方法[9]。

首先通过对格斗机器人比赛人员、潜在购买客户和相关机器人专家展开问卷调查和访问访谈(线上或者线下)的模式，进行格斗机器人的需求搜集，通过对需求进行初步分析判断、分解组合，最终构建目标客户需求层次表。第1层为格斗机器人目标客户总需求Ⅰ;第2层需求主要将总需求Ⅰ分解为主要功能ⅡA、人机功能ⅡB、可靠性能ⅡC、外观性能ⅡD等4个类型；第3层需求为第2层需求的具体子需求：将主要功能ⅡA分为适应复杂格斗环境ⅢA1、攻击其他机器能力ⅢA2、翻转机身ⅢA3、躲避攻击ⅢA4;将人机功能ⅡB分为操作简单ⅢB1、交互流畅ⅢB2、轻量化ⅢB3、装配简单ⅢB4;将可靠性能ⅡC分为故障率低ⅢC1、维修方便ⅢC2、机械结构可靠ⅢC3、材料强度稳定ⅢC4;将外观性能ⅡD分为造型美观ⅢD1、颜色丰富搭配合理ⅢD2、比例协调ⅢD3。

运用AHP层次分析法构建用户需求判断矩阵，可以将复杂的问题通过层次化的方法进行优化处理，实现问题的简单化。之后通过一致性检验进一步确定用户需求权重，达到减少偏差的目的[10]。具体流程为：

1)建立判断矩阵。

为了保证最终结果的准确性，通过咨询多名专家的意见并对目标需求因素进行打分，根据分值计算加权平均数作为需求权重，并构建子需求的比较判断矩阵R。

式中，rij为某一层次各因素相对上一层次的重要性，两两相比较所得的比重关系。n为指标数量。

2)一致性检验。

计算判断矩阵R的最大特征根λmax,该特征值对应的归一化特征向量记为ω,为该层因素对应上层因素相对重要性的权值，该过程称为层次单排序。之后需要进行一致性检验，如果通过才可以确认层次单排序的正确。具体计算过程中，用CI表示矩阵的一致性参数，CR代表矩阵的一致性比率，当CR值小于0.1时，代表判断矩阵通过一致性检验，如果不符合，需要重新构建判断矩阵。其具体关系如下：

式中，λmax为最大特征值；RI为随机一致性指标；n为指标数量。

3)确定子需求综合权重。

通过将第2需求的权重值×各子需求要素的权重值，得到子需求在总需求体系中的综合权重值。

按照上述步骤，根据公式(2)和公式(3)计算该层因素相对于上一层次的需求权重，并进行一致性检测，结果如表1～表5所示。通过计算CR值，各矩阵的CR值均小于0.1,满足一致性要求。并将子需求的综合权重结果进行汇总，如表6所示。

表1目标客户总需求Ⅰ下各需求要素(ⅡA～ⅡD)判断矩阵及权重

经计算，λmax=4.014 5,CI=0.004 8,RI=0.9,CR=0.005 4<0.1,满足一致性检验，符合要求。

表2主要功能ⅡA下各需求要素(ⅢA1～ⅢA4)的判断矩阵及权重

表4可靠性能ⅡC下各需求要素(ⅢC1～ⅢC4)的判断矩阵及权重

表5外观性能ⅡD下各需求要素(ⅢD1～ⅢD3)的判断矩阵及权重

经计算，λmax=3.003 7,CI=0.001 8,RI=0.58,CR=0.003 1<0.1,满足一致性检验，符合要求。

通过对子需求的综合权重值的计算，对子需求重要性进行排序得到：ⅢA2>ⅢA1>ⅢC1>ⅢA4>ⅢB2>ⅢC3>ⅢD1>ⅢB3>ⅢC4>ⅢA3>ⅢB1>ⅢD3>ⅢC2>ⅢB4>ⅢD2。

2、需求转化

质量功能展开QFD是由日本质量专家水野滋和赤尾洋二于20世纪60年代末提出的，以顾客需求为导向的产品设计方法。该方法通过构建质量屋，将顾客需求、偏好和期望融入产品设计过程中，实现用户需求向产品技术特性的转化[11-13]。

表6各子需求要素综合因子汇总表

文中首先通过运用AHP层次分析法确定出格斗机器人的用户需求综合指标权重，之后利用QFD方法将用户需求转化为产品的技术质量指标，整个转化过程的重点是HOQ质量屋的搭建和表达[14]。

HOQ主要起到的是一个连接的作用，将客户的需求需要与技术人员表达进行联系，通过构建HOQ的方式直接将需求和技术质量指标的关系直观地表达出来。通过计算技术质量指标的绝对权重和相对权重，确定各技术质量指标之间的关系，从而快速挖掘整个产品系统当中存在的冲突，具体搭建过程如下：

1)HOQ的左墙。

将表6中的各项用户需求指标及其综合权重的计算结果导入质量屋，构建质量屋(HOQ)的左墙，见图1。

2)HOQ的天花板。

根据分解的目标客户需求，可以得到格斗机器人技术质量分解表，如表7所示。

表7格斗机器人技术质量分解表

式中，Wj为质量特性绝对权重；wi为用户需求权重；pij为相关性系数；q为用户需求总数；Wk为质量特性相对权重。

在搭建HOQ的过程中，需要判断需求和技术质量指标之间的相关程度Pij,可以用数字来表达相关性，具体如下：

将数字代入公式(4)和(5)中，计算出技术质量指标的绝对和相对权重，搭建HOQ的地下室和天花板，获得技术质量指标的冲突问题，最终格斗机器人的质量屋如图1所示。

通过图1可知：结构稳定合理，高速行驶，使用空间大是机架结构部分的设计重点；安全可靠和高速转动是武器结构部分的重点；操作方便和符合人体工程学是操控设计的重点要求；材料工艺合理和造型简洁是外观设计的重点研究方向。

3、问题求解

3.1 问题分析

通过构建HOQ的天花板，以“—”标注的2个参数互为冲突，可以得到4对冲突，因此需要对上述4对冲突进行研究分析，借助TRIZ理论的冲突问题解决理论对上述冲突问题进行求解，得到目标产品创新设计方案[15-16]。

冲突可以描述为：

1)质量小与结构稳固合理之间的冲突。

对于格斗机器人来说，在对抗比赛的过程中希望机身结构稳定，抗击打能力强，因此需要尽可能多的材料去支撑；但是如果采用了大重量的机器人，就会影响机器人的行驶速度，无法获得大动能，另外比赛方也不允许大重量机器人的出现来破坏规则。

2)体积小和实用空间大之间的冲突。

对于格斗机器人需要在内部空间布置电机和传动装置等，因此需要体积越大越好，但是由于质量和可翻转机器等方面的限制，需要体积越小越好，因此构成了一组冲突。

3)结构稳固合理与模块化之间的冲突。

格斗机器人在对抗过程中，希望整体结构稳定合理，因此希望一体化制造，但是由于可互换性、可维修性以及经济性的要求，需要做成模块化的结构，因此构成一组冲突。

4)可翻转机器和高速转动之间的冲突。

格斗机器人在对抗过程中，可能会被撞开甚至会翻转机身，因此需要依靠武器的旋转来摆正机身才可继续进攻，因此需要武器转得慢一点来调整机身；但是由于武器需要高速旋转获得大动能进行攻击，因此在正常工作情况下需要武器转得快一点。

冲突分析及解决冲突所采用的发明原理如表8所示。

图1格斗机器人质量屋图

表8 TRIZ理论冲突问题分析及求解方法

3.2 冲突问题求解

根据表8中所列的发明原理对上述4对冲突进行解决，进而得到格斗机器人创新设计解，为后续总体方案提供参考。

1)运用1号发明原理(分割),将机器人的机身部分做成拼接形式，并在金属材料机身和武器上运用轻量化技术在满足强度的要求下降低机身和武器的质量，其中武器模型及受力分析如图2和图3所示。

图2武器刀具三维模型图

图3武器刀具受力分析图

通过格斗机器人上盖板进行受力分析，具体如图4和图5所示，圆孔附近的区域变形量较小，因此在该位置对上盖板进行轻量化处理，如图6和图7所示。

图4上盖板三维模型图(未轻量化)

图5上盖板受力分析图(未轻量化)

图6上盖板三维模型图(轻量化)

图7上盖板受力分析图(轻量化)

运用40号发明原理(复合材料),将材质单一的材料替换为复合材料。将外壳护甲的材料由原来的金属铝材料替换为TPU材料。TPU材料具备质量轻，具备一定的强度和韧性，可以起到抗断裂和防冲击的作用，既能满足质量小又能满足整体结构稳定合理的要求，如图8和图9所示。

图8外壳护甲模型图

图9外壳护甲受力分析图

2)运用35发明原理(参数变化),改变物体的柔性，在各模块外壳上添加海绵粘垫，降低机器人在碰撞过程中对模块产生的冲击力，提高结构稳固性；改变其他参数，对模块外壳采用形状记忆合金，在碰撞过程中模块外壳发生变形可自行恢复原来形状，使机器人可以正常运转，如图10所示。

图10格斗机器人内部结构图

3)采用时间分离原理对机器人进行方案创新。由于在翻转机器过程和高速转动进攻的过程是分别独立的两个过程，因此可以在时间上进行区分。通过添加电气控制组件，使翻转机器过程中武器刀具转速较慢，并且在连接处加强连接，防止在翻转机器的过程中对机器进行损伤；在攻击其他机器人时，使武器刀具高速旋转，进而获得大动能去击打对方，完成比赛。

4)采用空间分离原理进行系统创新，实现整体体积小，实用空间大的要求。采用多维操作的方法，用多层次结构代替单层次结构，有效地增加机器的实用空间，实现空间利用最大化，具体结构如图11所示。

图11格斗机器人整体结构图

4、案例设计

根据上述基于AHP、QFD和TRIZ的创新设计模型，对格斗机器人的机身结构，武器结构，操控设计和整体外观设计等方面进行改进，最终形成格斗机器人的创新设计方案，如图11和图12所示。

图12格斗机器人实验样机

5、结论

文中运用AHP对用户需求进行综合权重排序，结合QFD建立功能需求与产品设计要素间的高效映射，最后运用TRIZ理论对设计要素之间的矛盾冲突进行解决，高效地完成关键功能机构的设计和配置，构建出性能更佳的格斗机器人。

通过具体的设计实例验证，该流程可以有效提升格斗机器人的攻击能力、抗击打能力、操作性以及轻质化等方面的性能，进而提高了产品的整体使用效果和用户体验。该创新设计流程不仅具有高度的实用性，更具有广泛的适用性。

该设计流程可以为相关的格斗机器人设计提供相关的参考，使格斗机器人的工作性能更高，应用场景更广泛，操作更加智能化。这不仅有助于推动格斗机器人技术的进步，也将为机器人在更多领域的应用带来新的可能性。

参考文献:

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基金资助:沧州市科技计划自筹经费项目(213103006); 河北省教育厅科学研究项目资助(ZD2022081);河北省大学生创新创业训练计划项目(202310085001X,S202310085005);

文章来源:张铁壁,张万明,李文斌,等.基于AHP/QFD/TRIZ理论的格斗机器人创新设计[J].河北水利电力学院学报,2024,34(03):11-18.