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基于TRIZ理论的多功能异形架椅创新设计 |
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作者：潘承怡 张简一 向敬忠 宋伟峰 苏大明 |
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随着科技的不断进步，家具产品的种类和功能也越来越多。然而，传统家用座椅的外形和功能却一直没有什么变化，虽然也有一些研究和改进，但大多局限于外观造型和舒适性上，而在座椅的使用功能上，尤其是功能的多样性上，尚缺乏大胆的创新。在进行座椅的功能创新时需要考虑加入某些机械要素，从机构运动学的角度进行分析来改进现有结构，并且力求简单、方便和实用，能真正解决人们在生活中遇到的问题。在知识快速更新的今天，传统创新技法必须与先进、科学的创新理论相结合，才能提高新产品设计的质量和效率，TRIZ理论就是近年来在我国发展较快的一种创新理论。其尤其适合应用于机械工程领域，下面我们就介绍一种基于TRIZ理论进行多功能异形架椅的创新设计。
1 TRIZ理论
TRIZ理论是由前苏联发明家根里奇-阿奇舒勒(G．S．Altshuller)在1946年创立的，属于前苏联的军事机密，在军事、航空航天等领域均发挥了巨大作用，成为创新的“点金术”。TRIZ是将俄文单词用英语标音后的缩写，翻译为“发明问题解决理论”，是阿奇舒勒及其领导的一批研究人员在分析了世界各国250多万项高水平专利的基础上，提出的具有普遍适用性的一套发现问题并找到解决办法的发明理论。TRIZ的方法是高效的，它用系统的方法和工具来彻底解决那些常人“看似不可能解决的问题”。阿奇舒勒矛盾矩阵、40个发明原理、物—场模型分析、76个标准解法、ARIZ和科学知识原理库等方法，如同科学家和发明家就在我们身边，能帮助我们快速获得创造性的解决方案。
TRIZ求解问题的模式如图1所示。首先，对实际问题进行抽象，将实际问题转化为TRIZ的标准问题；然后，利用TRIZ工具得到TRIZ的标准解；最后，针对实际问题，应用专业知识，将标准解再转化为实际问题的最终解。由于TRIZ方法的先进性，缩小了解决问题的思路方向与最终理想解的偏差，使创新变得容易，比直接利用专业知识求解的效率更高，而且最终解的质量也更高。
图1 TRIZ求解问题的模式
2 多功能异形架椅创新设计
2．1 设计要求及功能分析
传统家用座椅如图2(a)所示，其功能单一，现欲设计一种多功能异形架椅，可随意变形和组合，并具有台架功能。即：①基本功能，日常坐的功能；②新增功能，通过改变机构工作位置来变换形态，形成台架，供人们在进行一定高度的空中作业时踩踏，可替代现有的A字形梯，但要比A字形梯更加安全可靠，同时还要求存放方便、美观实用。
TRIZ理论是把创新设计中有待解决的问题作为一些矛盾问题，一个机械系统可能包含很多个矛盾，将其分为“技术矛盾”、“物理矛盾”和“管理矛盾”。多功能异形架椅属于纯机械系统，设计时应力求造型简洁和操作方便，不存在子系统间的“管理矛盾”，所以“技术矛盾”和“物理矛盾”的解决是本设计的主要问题。
2．2 应用TRIZ解决技术矛盾设计
技术矛盾是由系统中两个因素导致的，这两个因素相互促进、相互制约。TRIZ理论用阿奇舒勒矛盾矩阵解决技术矛盾，将导致技术矛盾的因素总结成通用参数(改善的参数和恶化的参数)，利用矛盾矩阵找出最有可能解决问题的发明原理。
首先，将多功能异形架椅的技术参数抽象成TRIZ的39个通用参数中的参数。由椅到架的功能改进确定出问题的技术矛盾如下：
改善的参数为：适应性及多用性(No．35)；恶化的参数为：运动物体的重量(No．1)和装置的复杂性(No．36 )。
由矛盾矩阵查得发明原理号为1、6、15、8和15、29、37、2。
经分析选取l(分割原理)、6(一物多用原理)、15(动态化原理)。
分割原理是将物体分成可拆的各独立部分，既可单独使用又可组合使用；一物多用原理是使一个部件具有多功能以取代其余部件；动态化原理是使不动的物体变成可动的，将物体分成彼此可相对移动的几个部分，物体特性的变化在每一个工作阶段都是最佳的。
基于TRIZ的第1、6、15号发明原理，对传统座椅进行改进，改进后的台架结构如图2(b)所示。将椅子座板设计成可拆分的，拆下座板后，在原座椅上增加一个与椅背对称的支架，该支架与座椅前腿用螺栓紧固连接，在椅背与支架之间安装支撑台板，台板高度可根据椅背与支架上横杆的位置随意调整，支架和支撑台板有足够的强度和刚度，完全可满足人们踩踏使用要求。当人们需要在室内的高空工作时(如清理顶棚或灯具等)，可将平时用于坐的椅子变成这样的台架，使用十分方便，而且由于此台架是四腿支承，比现在人们常用的折叠式A字形梯在安全性上要更加可靠。由于平时是座椅，所以不但功能多了一种，存放也比A字形梯更加方便，体现了TRIZ的一物多用原理；支架和支撑台板在不用时可拆下放在其它位置，灵活方便，体现了TRIZ的分割原理和动态化原理。
图2 多功能架椅的变异形态
2．3 应用TRLZ解决物理矛盾设计
改进后的架椅增加了支架和支撑台板，在结构上变得复杂，并增添了零件。所以说多功能使椅子结构出现物理矛盾，即要求这个因素要向两个相反的方向展，既要结构复杂，形成多功能、多形态，又要结构简单，使用方便。
TRIZ理论采用4大分离原理来解决物理矛盾，即空间分离原理、时间分离原理、基于条件的分离原理和系统级别的分离原理。近年来，TRIZ专家们对分离原理和40条发明原理进行了深入的研究，结果表明，二者之间存在着一定的关系，本设计中结构的物理矛盾可从前3个分离原理进行分析，找到适合的发明原理如下：
空间分离原理：分割(No．1)、抽取(No．2)、非对称(No．4)、嵌套(No．7)、一维变多维(No．17)；时间分离原理：动态化(No．15)；基于条件的分离原理：合并(No．5)、一物多用(No．6)、变害为利(No．22)。
如图2(c)所示，应用抽取原理、一物多用原理、非对称原理和一维变多维原理，将新增加的支架放在座椅一侧，用螺栓或螺钉与椅身进行连接，形成扶手；将支撑台板用螺钉与支架顶部连接，再用两个支杆固定支撑台板，形成托架，托架上可写字或放置物品，这样既解决了添加零件的不利，又增加了一种使用功能且使用方便，这就是应用了变害为利原理。
如图2(d)所示，进一步应用分割原理、嵌套原理、合并原理和动态化原理，当需要拆下托架时，可将其放置在座椅下面的横杆上，形成搁板，就可存放物品等。这种具有单侧扶手的第四种形态，不仅使用方便和舒适，而且占用空间小，很好地解决了支架和支撑台板的存放问题，这也是很好地应用了变害为利原理。
以上基于TRIZ理论完成了一种具有四形态的多功能异形架椅设计，其是对椅子功能和结构的较大创新，体现了现代设计理念和TRIZ理论在机械创新设计中应用的高效性。
3 小结
利用TRLZ理论解决工程实际问题速度快、质量高，但要求设计人员必需掌握一定的TRIZ运用技巧和专业知识，尤其是将二者很好地衔接是解决问题的关键。如图1中的“抽象化”要求设计时找到合适的问题描述参数，“具体化”则要求设计人员具有丰富的专业经验，把TRLZ的标准解转化为实际工程问题的解，这两个步骤是基于TRIZ理论创新设计的难点。多功能异形架椅的创新设计较好地应用了TRIZ理论，实现了设计要求。
多功能异形架椅的设计，打破了常规设计的惯性思维，使座椅获得了新的功能，以解决一直喇扰现代家庭室内棚顶等高处作业存在危险的问题。现在人们常用的A字形梯功能单一、稳定性不好且存放不便，而多功能异形架椅由于其具有复合功能、外形美观、节省空间和使用方便等特点，是A字形梯的较好替代品，具有广泛的市场前景。(end)
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(1/2/2009) |
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