基于TRIZ理論的新型活動(dòng)靠背設(shè)計(jì)研究*

彭開(kāi)元，欒國(guó)強(qiáng)，何雪濤

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

1 引言

TRⅠZ理論是一種通過(guò)尋找沖突進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化的方法，主要包括矛盾矩陣、發(fā)明原理、物-場(chǎng)模型分析等方法。通過(guò)TRⅠZ理論可尋找傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的不足之處，完成對(duì)床頭活動(dòng)靠背的創(chuàng)新設(shè)計(jì)［1］。床頭活動(dòng)靠背作為生活輔助用具，它將成為殘疾人、老年人、長(zhǎng)時(shí)間臥床人員以及住院病人必備的生活用具?；谌梭w工程學(xué)的靠背形狀設(shè)計(jì)可有效地將人體的背部兜托于自然彎曲舒適而身體又不會(huì)下滑的坐臥狀態(tài)，隨著靠背角度的任意調(diào)節(jié)，使人能長(zhǎng)時(shí)間舒適地靠在床上而不會(huì)感到乏累。

2 活動(dòng)靠背設(shè)計(jì)的方法與流程

利用TRⅠZ理論設(shè)計(jì)床頭活動(dòng)靠背，分為以下六個(gè)步驟，如圖1所示。其中，第一步是尋找日常生活中不同種類的活動(dòng)靠背所存在的各種缺陷與不足;第二步尋找其中的沖突;第三步將沖突分類，陳述改善后的理想狀態(tài);第四步運(yùn)用物場(chǎng)分析法;第五步得出通用解，并對(duì)其進(jìn)行特殊化處理;第六步進(jìn)行評(píng)價(jià)與改進(jìn)，得出最終方案。

3 活動(dòng)靠背的設(shè)計(jì)

3.1 角度調(diào)節(jié)部分的應(yīng)用

3.1.1 尋找現(xiàn)有活動(dòng)靠背的缺陷

現(xiàn)有的床頭活動(dòng)靠背結(jié)構(gòu)中，在市場(chǎng)上廣泛存在的結(jié)構(gòu)如圖2所示［2］，它主要存在兩點(diǎn)缺陷:①當(dāng)使用者坐在活動(dòng)靠背上時(shí)，無(wú)法進(jìn)行靠背角度的調(diào)節(jié);②靠背的調(diào)節(jié)角度只有數(shù)檔，是一種有級(jí)調(diào)節(jié)，而不能使靠背固定在任何角度。

圖1 運(yùn)用TRⅠZ設(shè)計(jì)活動(dòng)靠背流程圖

3.1.2 尋找技術(shù)矛盾

矛盾一:改善參數(shù)為:操作的方便性(No.34);惡化參數(shù)為:控制的復(fù)雜性(No.46)。

矛盾二:改善參數(shù)為:兼容性或連通性(No.33);惡化參數(shù)為:結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性(No.21)。

3.1.3 運(yùn)用矛盾矩陣表尋找解決方法

對(duì)于第一組矛盾，由2003矛盾矩陣表［3］可以查得，可運(yùn)用 01、25、37、05、03、10 號(hào)發(fā)明原理，即分割(01)，自服務(wù)(25)，熱膨脹(37)，組合、合并(05)，局部質(zhì)量(03)，預(yù)先作用(10)。

由分割和組合可將圖2中的幾級(jí)卡槽變?yōu)閳D3中類似于書(shū)包背帶的結(jié)構(gòu)，這樣只要調(diào)節(jié)書(shū)包背帶的長(zhǎng)短就可以使活動(dòng)靠背呈任意角度，方便使用者的坐臥。

圖2 傳統(tǒng)活動(dòng)靠背的有級(jí)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

圖3 通過(guò)彈性帶實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)

對(duì)于第二組矛盾，可運(yùn)用35、24、33、27、03、10 號(hào)發(fā)明原理，即物理或化學(xué)參數(shù)變化(35)，借助中介物(24)，同質(zhì)性(33)，廉價(jià)替代品(27)，局部質(zhì)量(03)，預(yù)先作用(10)。

由借助中介物與替代品原理，選取與汽車(chē)調(diào)角器相似的替代品，如圖4所示，將其與活動(dòng)靠背的椅背與椅面相連，在彈簧的預(yù)緊下，使用者可通過(guò)位于活動(dòng)靠背側(cè)面的把手，方便地控制椅背的角度，且在120°的范圍內(nèi)固定。

圖4 調(diào)角器運(yùn)用在活動(dòng)靠背中

3.2 椅背部分的設(shè)計(jì)

3.2.1 現(xiàn)有靠背椅背部分的設(shè)計(jì)缺陷

現(xiàn)有的活動(dòng)靠背椅背部分的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，是將海綿或者尼龍固定于椅框上，這種設(shè)計(jì)在使用者長(zhǎng)時(shí)間保持坐姿的情況下，會(huì)給使用者帶來(lái)不舒適，對(duì)于老年人與病人來(lái)說(shuō)，更加嚴(yán)重［4］。

3.2.2 尋找技術(shù)矛盾

矛盾一:改善參數(shù)為:舒適性(No.32);惡化參數(shù):裝置的復(fù)雜性(No.45)。

矛盾二:改善參數(shù)為:自動(dòng)化程度(No.43);惡化參數(shù)為:裝置的復(fù)雜性(No.45)。

3.2.3 運(yùn)用矛盾矩陣表尋找解決方法

對(duì)于第一組矛盾，由2003矛盾矩陣表［3］可以查得，可運(yùn)用 06、28、29、31、35、40、17、25 號(hào)發(fā)明原理，即多用型(06)，機(jī)械系統(tǒng)替代(28)，氣壓或液壓結(jié)構(gòu)(29)，多孔材料(31)，物理或化學(xué)參數(shù)變化(35)，復(fù)合材料(40)，一維變多維(17)，自服務(wù)(25)。對(duì)活動(dòng)靠背進(jìn)行優(yōu)化。

由機(jī)械系統(tǒng)替代原理可以想到，在椅背與下支撐板連接處，可以放棄使用傳統(tǒng)的剛性連接，而使用彈簧與連桿相連接的方式，如圖5所示，使靠背固定角度時(shí)有一緩沖空間，使舒適度增加。

由一維變多維原理，考慮可以將椅背部分分為兩部分，與連桿機(jī)構(gòu)相連，分別由2個(gè)電機(jī)控制其的運(yùn)動(dòng)，這樣椅背在側(cè)視圖上，由一條簡(jiǎn)單的直線變?yōu)?段可在側(cè)視平面內(nèi)自由調(diào)節(jié)角度的線段，椅背下段的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為4～5腰椎的長(zhǎng)度，由《人機(jī)工程與造型設(shè)計(jì)》［5］知，這樣人體上身的支撐點(diǎn)由腰椎提供，壓力適當(dāng)?shù)胤植加诟髯甸g盤(pán)上，肌肉組織上分布均勻的靜壓力，使人體處于良好的坐姿下。

圖5 椅背連接處采用彈簧連接

由多維材料及復(fù)合材料發(fā)明原理，活動(dòng)靠背的材料可以摒棄傳統(tǒng)的尼龍布料，而使用多孔材料增加其通氣性，在成本允許的情況下，可以使用記憶海綿，增加使用者的舒適性。

對(duì)于第二組矛盾，由2003矛盾矩陣表可以查得，可運(yùn)用15、24、28、13、04、17 號(hào)發(fā)明原理，即動(dòng)態(tài)特性(No.15)，借助中介物(No.24)，機(jī)械系統(tǒng)替代(No.28)，反向作用(No.13)，增加不對(duì)稱性(No.04)，一維變多維(No.17)對(duì)活動(dòng)靠背進(jìn)行優(yōu)化。

由動(dòng)態(tài)特性，借助中介物與增加不對(duì)稱性原理，在活動(dòng)靠背的一側(cè)安裝同步齒輪帶輪幅與小型電機(jī)，使靠背部分為電控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的，由于同步齒形帶輪的中介作用，這些的電控裝置不同于傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)，是十分簡(jiǎn)單的［6］。

3.3 照明模塊的設(shè)計(jì)

為了方便用戶閱讀，設(shè)計(jì)照明模塊置于床上活動(dòng)靠背中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的床頭燈，照明模塊需滿足占用較小的位置，較為簡(jiǎn)單的安裝方式以及光線分布均勻等特點(diǎn)。運(yùn)用TRⅠZ理論需找合理方案。

結(jié)合TRⅠZ理論創(chuàng)新軟件Pro/Ⅰ，受到專利熱收縮將管固定在壁中［7］的啟發(fā)，可使用熱收縮樹(shù)脂制作照明模塊的外壁，并將光源做成柱狀。將待固定的光源插入活動(dòng)靠背兩側(cè)的預(yù)留孔中?？勘硞?cè)面上孔的周?chē)型钩霾糠帧Ｓ靡欢伍L(zhǎng)度較短的熱收縮柱形件將凸出部分和一部分插入管包覆起來(lái)。在相對(duì)較低的溫度下加熱熱收縮柱形件。在所提供的熱的作用下，柱形件發(fā)生熱收縮，即其尺寸減小。柱形件被壓縮，在壁內(nèi)將照明模塊與凸出部分連結(jié)起來(lái)。這樣，便將照明模塊固定在了床上活動(dòng)靠背上。

此安裝方式簡(jiǎn)單輕便，占用很小的空間，且比傳統(tǒng)的插入式安裝要牢固很多。

另外，傳統(tǒng)的照明模塊或者床頭臺(tái)燈的光線分布不均勻，易被遮擋且不適合閱讀。要解決這個(gè)問(wèn)題，運(yùn)用Solution KB軟件對(duì)專利進(jìn)行檢索，如圖6所示，考慮運(yùn)用光片均勻分布光線［8］。

圖6 光片均勻分布光線

運(yùn)用光片使光線均勻且充分地分布到整個(gè)空間上，當(dāng)活動(dòng)靠背的用戶為病人、老年人時(shí)，這項(xiàng)設(shè)計(jì)使光線更加柔合，起到保護(hù)眼睛的作用，適合用戶使用。

4 評(píng)價(jià)各方案

由TRⅠZ專家分析，總結(jié)問(wèn)題解決過(guò)程及方案解，將角度調(diào)節(jié)部分與椅背設(shè)計(jì)部分所得結(jié)果結(jié)合，可得相對(duì)最優(yōu)解:角度調(diào)節(jié)處使用圖3中的長(zhǎng)度可調(diào)帶，靠背支架部分增加彈簧緩沖，且靠背分為兩部分，加強(qiáng)下半部分對(duì)腰部的支撐，且靠背采用多孔材料，增加透氣性。

對(duì)于采用調(diào)角器或者采用電控的方案，可根據(jù)使用者的要求不同，采用權(quán)值計(jì)算法，確定最終解。

5 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用TRⅠZ理論，對(duì)于現(xiàn)有活動(dòng)靠背所存在的一些缺陷，提出針對(duì)性的解決方法，改進(jìn)的方案可以完善所存在的缺陷，綜合考慮，獲取最優(yōu)解［9］。

［1］ 張建榮，王 凡，黨 晶，等.應(yīng)用TRⅠZ理論改進(jìn)作業(yè)實(shí)驗(yàn)的研究［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2013(1):7-9.

［2］ 戚榮成.床上活動(dòng)靠背［P］.專利號(hào):200520097460.7.

［3］ 阮汝祥.技術(shù)創(chuàng)新方法基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［4］ 章 曲，谷 林.人體工程學(xué)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2005.

［5］ 左春檉.人機(jī)工程與造型設(shè)計(jì)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［6］ 潘承怡，張簡(jiǎn)一.基于TRⅠZ理論的多功能異形架椅創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2008，36(10):29-31.

［7］ USUⅠKokusai Sangyo Kaisha Ltd.(JP).Method of Fixing a Pipe by Means of a Clamp Body［P］.NO.4980960.

［8］ 3M Ⅰnnovative Properties Company(St.Paul，MN).Optical Sheets Suitable for Spreading Light［P］.NO.6456437.

［9］ 檀潤(rùn)華.TRⅠZ及應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2010.