基于TRIZ與可拓學(xué)的可變面積方桌設(shè)計(jì)

江 帆，盧浩然，陳玉梁，祁肖龍

（廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

桌子是人們?nèi)粘９ぷ骱蜕町?dāng)中不可或缺的必需品，目前市場(chǎng)上的桌子一般分為固定型與折疊型.固定型的桌子面積固定，難以適應(yīng)人數(shù)變化的場(chǎng)合；而大多數(shù)折疊型桌子通過(guò)合頁(yè)或者鉸鏈及其他機(jī)構(gòu)連接在一起，通過(guò)折疊板來(lái)達(dá)到面積增大的效果. 這類型的桌子雖然適應(yīng)性比固定型的桌子有所提高，但也存在桌面的面積改變有限等缺點(diǎn)，因而需要對(duì)桌子進(jìn)一步創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以滿足用戶對(duì)桌面倍增的需求.

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)需要?jiǎng)?chuàng)新方法支撐，常用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法有公理化設(shè)計(jì)、TRIZ理論、可拓創(chuàng)新方法等.程賢福等[1]利用公理化設(shè)計(jì)了起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)，周楊等[2]基于TRIZ理論的紙盒成型機(jī)主軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，吳培旭[3]應(yīng)用可拓創(chuàng)新方法設(shè)計(jì)了多功能烘干器，唐文艷等[4]基于折疊紙打印夾的創(chuàng)新設(shè)計(jì). 近年來(lái)，產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法向融合的方向發(fā)展，尤其是TRIZ理論與其他方法的集成，成為了許多學(xué)者研究的重點(diǎn)[5]，如江帆[6]進(jìn)行了TRIZ與可拓學(xué)比較及融合機(jī)制的研究；黃斌達(dá)[7]集成了公理化與TRIZ來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)床夾具；李蘇洋等[8]利用TRIZ理論與可拓學(xué)對(duì)飛機(jī)整流罩進(jìn)行了優(yōu)化；江帆等[9]融合TRIZ與可拓學(xué)進(jìn)行了血管機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).

根據(jù)集成的思路，本文將TRIZ與可拓學(xué)相結(jié)合，提出了基于TRIZ與可拓學(xué)的產(chǎn)品創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并參考了已公開(kāi)的專利，陳尚理[10]申請(qǐng)的轉(zhuǎn)盤式變形餐桌，楊穎等[11]申請(qǐng)的一種負(fù)壓自動(dòng)變形桌，建立一種可變面積方桌的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案.

1 融合TRIZ與可拓學(xué)的產(chǎn)品優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.1 TRIZ理論與可拓學(xué)

TRIZ理論是蘇聯(lián)科學(xué)家根里奇·阿奇舒勒在20世紀(jì)中葉創(chuàng)建的，直譯為“發(fā)明問(wèn)題解決理論”，是一種創(chuàng)新型解決問(wèn)題的理論. 其主要目的是研究人類在進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造和解決技術(shù)難題的過(guò)程中所遵循的科學(xué)原理和法則. 該理論現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域.

可拓學(xué)是由中國(guó)學(xué)者蔡文于1983年提出的一門原創(chuàng)性橫斷學(xué)科，它以形式化的模型，探討事物拓展的可能性以及開(kāi)拓出新的規(guī)律與方法，并用于解決矛盾問(wèn)題. 可拓學(xué)的基本理論是可拓論，它包括基元理論、可拓集合理論和可拓邏輯3個(gè)組成部分. 在創(chuàng)新應(yīng)用中主要通過(guò)可拓建模、拓展、變換、優(yōu)度評(píng)價(jià)等4個(gè)步驟獲得創(chuàng)意[12]. 目前，可拓學(xué)已進(jìn)入一些研究領(lǐng)域并取得一系列成果.

1.2 基于TRIZ與可拓學(xué)的產(chǎn)品創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

創(chuàng)新設(shè)計(jì)中會(huì)碰到很多問(wèn)題，融合TRIZ理論與可拓創(chuàng)新方法會(huì)降低求解難度，其關(guān)鍵點(diǎn)是矛盾識(shí)別與矛盾求解，這里集成TRIZ工具與可拓創(chuàng)新方法，建立的創(chuàng)新方法如圖1所示. 其具體流程為:(1) 針對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題，利用基元模型將涉及的問(wèn)題簡(jiǎn)化，找出阻礙產(chǎn)品創(chuàng)新的矛盾；(2) 利用TRIZ的矛盾矩陣找到阻礙創(chuàng)新的可行解；(3) 利用可拓變換對(duì)解進(jìn)行可拓變換，消除阻礙創(chuàng)新的矛盾；(4) 通過(guò)方法評(píng)估和實(shí)踐檢驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證方法選擇機(jī)制是否合理，如果不合理，則需要返回再次進(jìn)行方案選擇，直到選擇方案合理，解決阻礙創(chuàng)新的問(wèn)題；(5) 眾多解決問(wèn)題的方案中選擇最佳方案.

2 基于TRIZ與可拓學(xué)的可變面積方桌的創(chuàng)新與優(yōu)化

圖1 TRIZ與可拓學(xué)交叉融合模式Fig.1 The cross fusion model of TRIZ and Extenics

根據(jù)桌子設(shè)計(jì)中面臨的問(wèn)題，希望桌子能增加桌面面積，而桌面輪廓形狀不發(fā)生任何改變，故存在的問(wèn)題是桌子表面面積在增加的同時(shí)表面外輪廓形狀發(fā)生改變.

2.1 基于基元模型的問(wèn)題分析

普通桌子目前的面積為a，根據(jù)可拓學(xué)的形式描述，其條件物元L即為

很明顯，這構(gòu)成了一個(gè)不相容問(wèn)題:面積變大，形狀就會(huì)發(fā)生改變，即.

根據(jù)不相容問(wèn)題模型，進(jìn)行拓展分析，提取出一個(gè)矛盾:如果增加桌面的面積，則會(huì)導(dǎo)致桌面形狀發(fā)生改變. 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的工程技術(shù)參數(shù)描述，改善的參數(shù):運(yùn)動(dòng)物體的面積(No.05)，導(dǎo)致惡化的參數(shù):形狀(No.12).

2.2 基于TRIZ創(chuàng)新原理的可行性解預(yù)測(cè)

使用TRIZ矛盾矩陣[13]查詢得到，推薦的發(fā)明原理為:No.05，No.34，No.29，No.04，以下簡(jiǎn)單說(shuō)明.

No.05組合原理:(1) 把空間相鄰的物體或相鄰的操作聯(lián)合起來(lái)；(2) 把時(shí)間上相同的物品或相鄰的操作聯(lián)合起來(lái).

No.34拋棄原理與修復(fù)原理的結(jié)合:(1) 采用溶解、蒸發(fā)等手段拋棄已完成功能的零部件，或者在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中直接修改它們；(2) 在工作過(guò)程中迅速補(bǔ)充系統(tǒng)或物體中消耗的部分.

No.29氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理:用氣體結(jié)構(gòu)和液體結(jié)構(gòu)代替物體的固體部分，如充氣和充液的結(jié)構(gòu)，以及靜液的和液體反沖的結(jié)構(gòu).

荀子是先秦儒學(xué)大師，雖與孟子俱尊孔子，但二人的氣質(zhì)、學(xué)說(shuō)截然不同。馮先生依照威廉·詹姆斯區(qū)分柏拉圖和亞里士多德的方法，判孟子為軟心的哲學(xué)家、荀子為硬心的哲學(xué)家。因?yàn)槊献佑形ㄐ恼搩A向，而荀子有唯物論傾向。在荀子看來(lái)，孟子許多有神秘意味的思想，特別是他的修養(yǎng)方法、境界體驗(yàn)，可謂“僻違而無(wú)類，幽隱而無(wú)說(shuō)，閉約而無(wú)解”(《荀子·非十二子》)。但荀子與孟子，就像道學(xué)中有程朱、陸王二大派，其不能無(wú)，亦不須無(wú)。

No.04不對(duì)稱原理:(1) 把原來(lái)對(duì)稱的物體改為不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)；(2) 增加不對(duì)稱物體的不對(duì)稱程度.

根據(jù)上述原理，可知拋棄原理與修復(fù)原理，氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理不適用于桌子，暫不考慮. 同時(shí)桌子應(yīng)盡量保持穩(wěn)定，所以應(yīng)該選擇對(duì)稱結(jié)構(gòu). 根據(jù)組合原理的提示，把相鄰的物體的操作聯(lián)合起來(lái)，可以增加機(jī)構(gòu)，使桌子表面進(jìn)行整體的聯(lián)動(dòng)操作，這樣桌子面積可以變大，同時(shí)桌子形狀不會(huì)發(fā)生改變.

2.3 可行解的基元變換

根據(jù)TRIZ原理解的提示，需要增加組合機(jī)構(gòu)，以增加桌面面積，且不改變桌子表面形狀，擴(kuò)展面積較大，理論上單一的組合機(jī)構(gòu)無(wú)法滿足大面積的拓展需求，因此考慮添加兩組機(jī)構(gòu)以滿足拓展需要，考慮兩組機(jī)構(gòu)基元變換的可行性，避免機(jī)構(gòu)拓展時(shí)相互干涉，選用上下錯(cuò)開(kāi)的兩組機(jī)構(gòu). 考慮到方桌的特殊形狀和操作的便利性，采用常用的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)等進(jìn)行組合驅(qū)動(dòng)面積倍增和桌形保持不變[14]. 設(shè)定3種方案

方案一，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的組合.機(jī)構(gòu)本身比較簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)功能、桿可以長(zhǎng)度變化、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的控制、壽命長(zhǎng)、成本低. 缺點(diǎn)是精度比較低，不容易實(shí)現(xiàn)精確復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

方案二，凸輪機(jī)構(gòu)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的組合. 凸輪機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)比較明顯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高. 但是凸輪機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)也較為顯著，線接觸的地方容易磨損、行程不大.

方案三，齒輪機(jī)構(gòu)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的組合. 齒輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要為承載力大和傳動(dòng)精度高. 缺點(diǎn)主要為安裝精度差和傳動(dòng)噪音大.

對(duì)于方案的選擇，一般可以應(yīng)用優(yōu)度評(píng)價(jià)進(jìn)行優(yōu)選，這里考慮篇幅，僅進(jìn)行簡(jiǎn)單的定性比較. 3種組合方案優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，考慮到問(wèn)題的本質(zhì)，方桌本身不需要較大的承載力，同時(shí)需要轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的音量越低越好，因此方案三不符合要求. 方案二結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是行程太小，這樣會(huì)導(dǎo)致拓展的面積較小，無(wú)法達(dá)到拓展的需求. 方案一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，雖然精度較低，不易進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，但是對(duì)于當(dāng)前的問(wèn)題并不產(chǎn)生影響，故綜上所述，應(yīng)該選擇方案一.

表1 3種組合方案對(duì)比Tab.1 Comparison of three combination schemes

方案一中初步選擇上層(第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，首先做變換 T1，使得T1L1=L1⊕L11，其中，

下層(第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，因此還需要做變換T2，使得T2L1=L1⊕L12， 其中，

2.4 最終方案目標(biāo)

將增加曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由上向下運(yùn)動(dòng)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)由下向上運(yùn)動(dòng).方桌面積擴(kuò)展前如圖2所示，擴(kuò)展后效果如圖3所示.

圖2 桌子拓展前Fig.2 Before the table expands

圖3 桌子拓展后Fig.3 After the table expands

3 桌面倍增機(jī)構(gòu)的拓展分析

3.1 運(yùn)動(dòng)過(guò)程拓展分析

根據(jù)“一特征多量值”的發(fā)散分析原理[15]，按照面積拓展類型進(jìn)行發(fā)散分析得到以下2種方案. (1) 桌面拓展部分直接在原有桌面的四周添加. (2) 桌面拓展部分可以通過(guò)原有桌面的變形，從中間和四周同時(shí)添加. 考慮到桌子機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可行性，機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)不干擾，選擇從中間和四周同時(shí)拓展.

整體機(jī)構(gòu)操作如下，桌面在曲柄滑塊的作用下，外層四塊板由內(nèi)層向外層運(yùn)動(dòng)，是下降運(yùn)動(dòng). 擴(kuò)展之后，外層四塊板中間出現(xiàn)了孔隙，需要物體補(bǔ)充中間的孔隙. 內(nèi)層的拼接板在曲柄連桿的作用下由內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)，同時(shí)是上升運(yùn)動(dòng)，上升之后的高度正好與中心拓展板等高. 根據(jù)組合原理，在兩組機(jī)構(gòu)的組合下，桌面面積增大同時(shí)桌面形狀不發(fā)生任何的改變，仍為變換前的正方形.

下面根據(jù)拓展分析的思路，對(duì)2個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

3.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4、圖5和圖6所示，第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，包括一端與支撐連接座鉸接的第一連桿、與第一連桿的另一端鉸接的第一滑塊以及與第一滑塊配合的第一導(dǎo)軌；其中，第一滑塊與角板固定連接，第一導(dǎo)軌設(shè)置在支撐板組上，該第一導(dǎo)軌上具有由內(nèi)層向外層向下傾斜的傾斜面，支撐板組與托板之間轉(zhuǎn)動(dòng)連接. 工作時(shí)，沿著圓周方向推動(dòng)位于支撐板組(第一支撐板和第二支撐板組成)上的角板使得支撐板組與連接座之間發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)通過(guò)第一連桿帶動(dòng)第一滑塊在第一導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，由于第一導(dǎo)軌上具有由內(nèi)層向外層向下傾斜的傾斜面，因此第一滑塊由內(nèi)層向外層的運(yùn)動(dòng)是下降運(yùn)動(dòng)，第一滑塊由外層向內(nèi)層的運(yùn)動(dòng)是抬升運(yùn)動(dòng)，從而滿足角板的運(yùn)動(dòng)需求. 此設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)為:只需要沿著圓周方向?qū)前寤蜻B接座施加推力時(shí)，就能夠?qū)崿F(xiàn)大桌面到小桌面之間的自由變換，操作簡(jiǎn)單、方便.

圖4 角板和第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of angle plate and first drive mechanism

圖5 去除角板后的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of structure after removal of angle plate

圖6 支撐板組與托板之間轉(zhuǎn)動(dòng)連接時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the connection between supporting plate group and supporting plate

3.3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖7和圖8所示，第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，包括一端與支撐連接座鉸接的第二連桿、與第二連桿的另一端鉸接的第二滑塊以及與第二滑塊配合的第二導(dǎo)軌；其中，第二滑塊與中間拓展板固定連接，第二導(dǎo)軌設(shè)置在支撐板組上，該第二導(dǎo)軌上具有由內(nèi)層向外層向上傾斜的傾斜面，支撐板組與托板之間轉(zhuǎn)動(dòng)連接. 工作時(shí)，當(dāng)沿著圓周方向推動(dòng)位于支撐板組上的角板時(shí)，在第二曲柄滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，第二滑塊在第二導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，由于第二導(dǎo)軌上具有由內(nèi)層向外層方向傾斜的上升段，因此第二滑塊由內(nèi)層向外層的運(yùn)動(dòng)是抬升運(yùn)動(dòng)，第二滑塊由外層向內(nèi)層的運(yùn)動(dòng)是下降運(yùn)動(dòng)，從而滿足中間拓展板的運(yùn)動(dòng)需求.

圖7 中間拓展板和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the structure of the intermediate expansion plate and the second driving mechanism

圖8 去除中間拓展板后的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of structure after removal of intermediate expansion panels

4 結(jié)論

(1) 建立了TRIZ和可拓創(chuàng)新方法相融合的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，利用可拓工具簡(jiǎn)化問(wèn)題、提取矛盾、變換可行解、優(yōu)度評(píng)價(jià)，利用TRIZ工具尋求矛盾求解的發(fā)明原理. 采用融合的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可以降低產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中求解創(chuàng)新問(wèn)題的難度.

(2) 針對(duì)現(xiàn)有方桌的不足，采用融合創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)矛盾分析與求解，及可行解的變換分析、方案評(píng)價(jià)，建立可變面積的方桌設(shè)計(jì)方案:聯(lián)用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)面積倍增，而保持桌面形狀不變.