基于可拓創(chuàng)新法和TRIZ理論的營地手推車折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計

王 軍，孫 帥

基于可拓創(chuàng)新法和TRIZ理論的營地手推車折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計

王 軍，孫 帥

(湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計學(xué)院，湖北 武漢 430064)

針對營地手推車現(xiàn)有折疊方式效率較低、產(chǎn)品笨重等問題，綜合利用多種折疊方式以解決現(xiàn)有問題。首先對現(xiàn)有營地手推車的折疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定待解決問題，其次依據(jù)基元理論創(chuàng)建問題模型，利用TRIZ理論查詢并確定解決相應(yīng)問題的發(fā)明原理，再進(jìn)行拓展分析和可拓變換，得到解決方案，最終借助優(yōu)度評價選擇最優(yōu)方案。通過營地手推車的實例設(shè)計，實現(xiàn)對其折疊時間、折疊流程以及輕量化的目標(biāo)問題優(yōu)化，證明可拓分析與TRIZ中發(fā)明問題解決原理相結(jié)合能夠提高解決效率，為以后產(chǎn)品創(chuàng)新和篩選方案提供參考。

可拓創(chuàng)新方法；TRIZ；折疊機(jī)構(gòu)；工業(yè)設(shè)計；產(chǎn)品創(chuàng)新

營地手推車是人們外出短距離運載小型貨物的最佳工具，最常見的營地手推車是一種可以整車折疊的類型，其體積小、折疊后可以放進(jìn)絕大多數(shù)家用汽車后備箱中。在國外，很多家庭除了使用營地手推車運輸物品之外，更多地作為童車使用，其有利于親子尤其是有多孩家庭在戶外互動交流。隨著我國三孩政策的實施以及對外開放政策深入推進(jìn)，很多家庭有2個及以上的孩子后，傳統(tǒng)的單孩手推車無法適應(yīng)這種變化，而營地手推車可以滿足多孩家庭的需求，所以該產(chǎn)品未來在我國市場潛力很大。因此，對其進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計研究具有很大的價值和意義。

1 研究概述

1.1 營地手推車設(shè)計現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)的營地手推車產(chǎn)品很多，但現(xiàn)有的產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，甚至外觀均大同小異。車架結(jié)構(gòu)作為承載營地手推車的支撐結(jié)構(gòu)，兼具折疊功能，大多采用相似的結(jié)構(gòu)與設(shè)計，也沒有根據(jù)載物對象的改變做出相應(yīng)的調(diào)整；折疊方式均為單向折疊，且折疊后體積很大，折疊效果不佳。圖1為國內(nèi)常見款的兒童營地手推車的展開與折疊展示。

圖1 常見的兒童營地手推車

如圖2所示，營地手推車的車架機(jī)構(gòu)是用鉸接的杠桿件形成的相互連接的一種連桿組件，該控制機(jī)構(gòu)控制連桿組件的展開與折疊閉合。由于折疊結(jié)構(gòu)桿件很多，整車過重，不便于女性操作使用；在折疊過程中需要一個人多步驟操作，還會出現(xiàn)杠桿骨架收折不順暢的問題，因此使用不方便；車子底座也有相應(yīng)的支撐桿，兒童乘坐時舒適性欠佳。國內(nèi)學(xué)界對于傳統(tǒng)的兒童手推車已有了豐富的研究成果，但是對于營地手推車卻鮮有研究與設(shè)計，因此需要設(shè)計研究人員對于營地手推車折疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新改良來簡化車架的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)用戶的實際需求。

1.2 可拓創(chuàng)新方法

可拓創(chuàng)新方法是快速有效創(chuàng)意產(chǎn)生方法之一，具有4個基本的特點，即模型化、可變化、收斂化、整體化[1]；可拓創(chuàng)新方法中的建模和拓展主要基于語義分割的方法對創(chuàng)新設(shè)計過程中多種設(shè)計條件進(jìn)行語義分割，分成表示設(shè)計語義特征的最小最基本元素，針對不同的設(shè)計元素組建新的設(shè)計語義，采用基元和模型的方式描述。該方法的4個主要的步驟包括：①建立基元模型；②進(jìn)行拓展分析；③分析結(jié)果進(jìn)行可拓變換及運算；④優(yōu)度評價，選優(yōu)方案。

(①底部支撐架，②車架連接件，③移動鉸接件，④車頂棚支撐架，⑤折疊車把手)

可拓創(chuàng)新方法中采用=[,,]來表示待創(chuàng)新產(chǎn)品的基元模型，為描述對象的某一特征，是特征所對應(yīng)的量值。在推理與決策過程中，該方法論證嚴(yán)密合理，廣泛地應(yīng)用于創(chuàng)新與決策有關(guān)的各個領(lǐng)域中。李仔浩和楊春燕[2]將可拓創(chuàng)新方法與逆向設(shè)計相結(jié)合，形成改進(jìn)產(chǎn)品可拓創(chuàng)意生成方法，并應(yīng)用到全自動裝訂機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計中，并驗證其創(chuàng)新設(shè)計的可行性；楊剛俊等[3]闡述了可拓學(xué)的物元模型和菱形思維方法，分析了可拓學(xué)應(yīng)用在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中的可行性；王金廣和許可[4]研究了可拓學(xué)在工業(yè)設(shè)計方法創(chuàng)新研究，并與工業(yè)設(shè)計方法相結(jié)合，建立了用工業(yè)設(shè)計語言表述的可拓產(chǎn)品分析法與基于可拓產(chǎn)品分析法的可拓方案優(yōu)選法模型，用于指導(dǎo)工業(yè)設(shè)計本土化創(chuàng)新。

1.3 TRIZ創(chuàng)新方法

TRIZ理論作為創(chuàng)新方法中常用的理論之一，包括4個分析工具，即功能分析、矛盾分析、資源分析和物場地模型分析[5]。TRIZ創(chuàng)新方法可簡化為4個主要步驟：①分析描述問題；②找到問題參數(shù)；③利用知識庫求解問題；④理想度評價，選優(yōu)方案。張樂等[6]將TRIZ理論應(yīng)用到老人購物車的設(shè)計研究中，利用39個通用工程參數(shù)和40條發(fā)明原理尋找可能解，完成對傳統(tǒng)老人購物車在使用性及舒適度等方面的方案創(chuàng)新設(shè)計。楊勤等[7]將TRIZ理論運用在行李箱創(chuàng)新設(shè)計中，解決了行李箱的現(xiàn)有使用問題，獲得了創(chuàng)新設(shè)計解決方案。

2 基于可拓創(chuàng)新方法與TRIZ方法的創(chuàng)新流程

雖然可拓學(xué)和TRIZ理論2種方法均可以解決創(chuàng)新中的問題，但在分析與解決問題的機(jī)制上各不相同。可拓學(xué)研究問題更具有適應(yīng)性，可以通過置換與變換，加強(qiáng)各方法間的聯(lián)系，但運用此理論需要較強(qiáng)的數(shù)理化思維，設(shè)計人員不易掌握。TRIZ理論求解工具較多，但較為固定，且互相獨立性較強(qiáng)，并且TRIZ理論求解出來的方案評價方法比較主觀，需要設(shè)計人員利用經(jīng)驗進(jìn)行理想度評價。江帆[8]運用可拓學(xué)與TRIZ理論，并結(jié)合一系列案例設(shè)計進(jìn)行研究，產(chǎn)生了豐富的研究成果。本文運用這2種創(chuàng)新理論的優(yōu)點和容易掌握的步驟，將其相互融合補(bǔ)充，明確在求解階段每個步驟的選擇機(jī)制，用以獲得集成可拓創(chuàng)新理論與TRIZ的新的創(chuàng)新方法流程，這樣可充分發(fā)揮2種理論的優(yōu)勢，新的方法旨在提高設(shè)計人員的效率，為解決設(shè)計問題和把握設(shè)計需求的準(zhǔn)確度提供一系列的操作方法，讓感性化的設(shè)計活動變得理性化，讓設(shè)計從靈感迸發(fā)變得更加有章可循。

集成2種理論創(chuàng)新方法優(yōu)勢，利用TRIZ分析問題的合理性、易用性和可拓學(xué)化解問題的拓展性、規(guī)范性，提出集成可拓創(chuàng)新理論和TRIZ理論的創(chuàng)新方法的步驟如下：

步驟1.根據(jù)設(shè)計要求，確定要設(shè)計的目標(biāo)產(chǎn)品P，利用基元方法從功能、部件、環(huán)境等方面對產(chǎn)品進(jìn)行全面地分析。

步驟2. 根據(jù)分析結(jié)果判斷目標(biāo)產(chǎn)品的設(shè)計性質(zhì)，是改進(jìn)設(shè)計還是設(shè)計全新的產(chǎn)品，然后分別進(jìn)行現(xiàn)有產(chǎn)品的矛盾分析或是利用TRIZ技術(shù)矛盾找到描述問題的矛盾參數(shù)。

步驟3. 利用TRIZ矛盾矩陣確定工程原理解，然后對原理解進(jìn)行專業(yè)領(lǐng)域語義轉(zhuǎn)化和分割，得到目標(biāo)產(chǎn)品的基元解。

步驟4. 利用拓展分析法，將上一步得來的基元解進(jìn)行拓展變換和可拓變換，得到一系列的解決方案或改進(jìn)方案。

步驟5. 利用優(yōu)度評價方法，將得來的多個方案進(jìn)行相互對比和選優(yōu)，確定設(shè)計方案。

圖3為集成可拓學(xué)和TRIZ理論的創(chuàng)新方法的一般流程。

圖3 基于可拓創(chuàng)新方法與TRIZ方法的一般流程

3 營地手推車折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用

3.1 利用基元進(jìn)行問題分析

根據(jù)營地車折疊結(jié)構(gòu)分析和用戶使用分析，再由3位設(shè)計師專家對問題進(jìn)行整理，得到營地手推車的折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計需要改進(jìn)的問題見表1。

表1 營地手推車問題表

通過對問題進(jìn)行描述和總結(jié)，再根據(jù)可拓創(chuàng)新理論中的形式化描述，建立其改進(jìn)目標(biāo)基元為

條件物元為

由此可以看出，該問題是一個不相容問題，其設(shè)計性質(zhì)是改進(jìn)設(shè)計，可以描述為=*。

3.2 利用TRIZ理論進(jìn)一步拓展

通過分析TRIZ矛盾矩陣，并對不相容問題進(jìn)行技術(shù)矛盾分析，可提取出主要問題：如果減少折疊后的體積，則會改變結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加重量。利用TRIZ的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)描述，改善的工程參數(shù)：運動物體的體積；惡化的通用工程參數(shù)：運動物體的重量和運動物體的面積。查詢矛盾矩陣可獲得推薦的發(fā)明原理有N1，N2，N4，N17，N29和N40。

通過查詢TRIZ理論40個發(fā)明原理進(jìn)行整理分析，結(jié)合工業(yè)設(shè)計和有關(guān)折疊車專業(yè)領(lǐng)域知識，最終選擇N1，N7，N17和N40。這些原理的名稱和含義如下：

N1.分割原理：①將對象分成相互獨立的部分；②將對象分成方便組裝和拆卸的部分；③提升對象的分割度。

N7.嵌套原理：①對象與對象層層嵌入，形成多層嵌套結(jié)構(gòu)；②一個對象收入或者穿過另一個對象的空腔。

N17.多維化原理：①若對象一維直線運動有困難，則向二維平面運動過渡；若二維平面運動有困難，則向三維空間運動轉(zhuǎn)化，以此類推；②利用單層結(jié)構(gòu)代替多層結(jié)構(gòu)；③將對象傾斜放置或者側(cè)向放置；④利用給定面的反面；⑤利用照射到臨近的面或者背面的光流。

N40.復(fù)合材料原理：利用復(fù)合材料代替單一材料或均質(zhì)材料。

3.3 可行解的基元拓展

根據(jù)TRIZ分割原理的提示，在設(shè)計營地手推車折疊系統(tǒng)中，可以進(jìn)行分組折疊，或加入模塊化設(shè)計，根據(jù)一特征一對象多量值的方法，進(jìn)行拓展分析，建立模型為

根據(jù)嵌套原理和多維化原理，在原產(chǎn)品折疊系統(tǒng)中，可以將節(jié)點式折疊，改變成多節(jié)點式、多維式或伸縮折疊，幾種常見的折疊方式的示意圖如圖4所示。

經(jīng)過拓展分析，建立其物元模型如下

根據(jù)復(fù)合材料原理，分析原結(jié)構(gòu)主要使用材料。不同的材質(zhì)對營地手推車的折疊方式、重量以及成本上面都會有很大的影響，常見可以應(yīng)用到折疊機(jī)構(gòu)上面的材料見表2。

表2 常見材質(zhì)特征對比

再根據(jù)一對象多特征多量值拓展分析可得

根據(jù)材料的種類，將營地手推車中的連接方式利用一對象多特征的方法進(jìn)行發(fā)散分析，建立模型如下

根據(jù)上述的拓展分析，可以得到關(guān)于收縮方式、結(jié)構(gòu)、材料和連接方式的多種方案。

3.4 可拓變換

在可拓創(chuàng)新理論中，解決矛盾問題的主要工具是可拓變換；其可以使不相容的問題轉(zhuǎn)變成相容的問題，使不可行的解轉(zhuǎn)化為可行解?？赏刈儞Q的基本變換方法有5種：置換法、增刪法、分解法、擴(kuò)縮法和復(fù)制法[9]。

根據(jù)營地手推車的問題矛盾，折疊機(jī)構(gòu)需要操作便捷，利用增刪法和置換法，在發(fā)散得到的方案中1和2都符合要求，在關(guān)于折疊后體積變小的方案發(fā)散中，4種方案都有助于減小折疊后的體積，考慮營地手推車過重，從發(fā)散方案中選擇1和2，最后由于營地手推車載物對象是兒童，考慮舒服性和安全性所以選擇3。

經(jīng)過可拓變換，可以得到一些初步方案，為了矛盾問題可以得到高效地解決，根據(jù)一些專業(yè)知識，初步選擇如下方案：

方案1. 一種基于鋁合金材料的，軟硬結(jié)合單向一步折疊營地手推車結(jié)構(gòu)，其模型為1=1十1十1十3。

方案2. 一種基于碳釬維材料的，軟硬結(jié)合多向一步折疊營地手推車結(jié)構(gòu)，模型為2=1十2十2十3。

方案3. 一種基于鋁合金材料的，軟硬結(jié)合嵌套多步折疊的營地手推車結(jié)構(gòu)，其模型為3=2十3十1十3。

方案4. 一種基于碳釬維材料的，軟硬結(jié)合的組合式多步折疊的營地手推車結(jié)構(gòu)，其模型為4=2十4十2十3。

上述4種方案均可滿足營地手推車操作方便，減輕重量，減小折疊后體積等需求。

3.5 優(yōu)度評價

優(yōu)度評價是可拓創(chuàng)新理論中對對象評價的基本方法，其步驟流程如圖5所示，根據(jù)4種方案，用優(yōu)度評價法將方案評價選優(yōu)。

(1) 選取衡量指標(biāo)。選取操作性1，折疊后體積2，成本3，為衡量指標(biāo)，得到衡量條件集：={(1,1),(2,2),(3,3)},是的量值。

(2) 確定權(quán)系數(shù)。評價營地手推車優(yōu)劣的各衡量指標(biāo)1,2,3，有輕重之分，用權(quán)系數(shù)來表示各個衡量指標(biāo)的重要程度，權(quán)系數(shù)記為ɑ。采用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)，確定3個衡量指標(biāo)的相互比率，使用1～5的比率標(biāo)度法，由于操作性包含重量等影響因素，所以會明顯比其他兩個因素重要，折疊后縮小占地空間是最初問題訴求，所以比成本重要，采用AHP構(gòu)建判斷矩陣為

采用AHP和法求得權(quán)系數(shù)ɑi=(0.6194，0.2842，0.0964)。

(3) 建立關(guān)聯(lián)函數(shù)。3個衡量指標(biāo)均可以是離散型取值，所以建立離散型關(guān)聯(lián)函數(shù)來衡量各指標(biāo)符合要求程度，建立營地手推車結(jié)構(gòu)的操作性、折疊后體積、成本的簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)為

根據(jù)原始設(shè)計的要求和相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)知識，將獲得的新方案關(guān)于上述3個衡量指標(biāo)的取值見表3。

表3 方案關(guān)于評價特征的取值

將表中的值代入上面的關(guān)聯(lián)函數(shù)，計算出不同衡量指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度分別為

(4) 計算規(guī)范關(guān)聯(lián)度。根據(jù)規(guī)范關(guān)聯(lián)度公式為

則其規(guī)范關(guān)聯(lián)度為

因此各個方案規(guī)范關(guān)聯(lián)度為

(5) 計算優(yōu)度，根據(jù)優(yōu)度公式

將上文規(guī)范關(guān)聯(lián)度代入到公式中，得到各個方案的優(yōu)度見表4。

表4 優(yōu)度評價結(jié)果對比

通過綜合優(yōu)度結(jié)果對比可以看出：進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計后的營地手推車結(jié)構(gòu)方案中，方案2的優(yōu)度值比其他3個方案優(yōu)度值大，因此方案2最優(yōu)，方案1次之。

圖6是方案2的結(jié)構(gòu)展示圖，此方案結(jié)構(gòu)硬部采用碳釬維結(jié)構(gòu)，可有效地減輕整體結(jié)構(gòu)的重量，使整車更加輕量化；折疊時將折疊拉環(huán)向上提，可以使4個輪子同時向內(nèi)收縮，達(dá)到一步多向地折疊，這樣不僅操作簡單，折疊后體積也更小，從而實現(xiàn)對其折疊時間、折疊流程的優(yōu)化；底部軟硬結(jié)合的結(jié)構(gòu)可以在使?fàn)I地手推車穩(wěn)定的同時，讓兒童乘坐更加舒適。

(①底部支撐結(jié)構(gòu)，②折疊拉環(huán)，③滌綸織帶，④車架連接件，⑤移動鉸接件，⑥固定車把手)

4 結(jié) 論

(1) 通過對營地手推車的使用分析，模擬分析發(fā)現(xiàn)用戶在使用營地車折疊時產(chǎn)生的一系列問題，為找到折疊機(jī)構(gòu)優(yōu)化點，進(jìn)行了營地手推車折疊機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，達(dá)到了整車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和輕量化處理的效果。此種折疊機(jī)構(gòu)不僅可以運用在營地手推車的結(jié)構(gòu)中，救援擔(dān)架等相關(guān)的折疊結(jié)構(gòu)亦可參考應(yīng)用。

(2) 在設(shè)計的過程中，將可拓創(chuàng)新理論與TRIZ理論結(jié)合，得到了在解決矛盾問題的不同階段的處理方式，形成了模型化的推理創(chuàng)新方法，為設(shè)計人員提供了新的流程化的設(shè)計方法，這種方法具有更好的適應(yīng)性和可操作性，拓寬了設(shè)計人員在解決車子折疊機(jī)構(gòu)時的思路，對相關(guān)的設(shè)計工作具有一定的參考意義。

本文運用實例驗證了方法的可行性，獲得了多種創(chuàng)意方案，并利用優(yōu)度評價，得到相對最優(yōu)的解決方案。因此基于可拓創(chuàng)新理論和TRIZ理論結(jié)合的創(chuàng)新設(shè)計方法為產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計提供了新的設(shè)計流程，此方法在更多設(shè)計案例中應(yīng)用將是后續(xù)研究的重點。

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Design of folding mechanism of camping stroller based on extension innovation method and TRIZ theory

WANG Jun, SUN Shuai

(School of Industrial Design, Hubei University of Technology, Wuhan Hubei 430064, China)

Aiming at the problems of low folding efficiency and clumsiness in the existing folding methods of camping stroller, various folding methods were comprehensively employed to address them. First, based on the analysis of the folding structure of the existing camping stroller, the problem to be solved were identified. Second, a problem model was established based on the primitive theory, and the TRIZ theory was adopted to query and determine the invention problem solving principle to solve the corresponding problem, and expand it with extension. The transformation was analyzed and extended to obtain a solution, and finally the best solution was selected with the help of superiority evaluation. Through the example design of the camping stroller, the optimization was realized in terms of its folding time, folding process, and lightweight target problems, and it was proved that the combination of extension analysis and the invention problem solving principle in TRIZ can improve the problem solving efficiency and provide reference for future product innovation and screening solutions.

extension innovation method; TRIZ; folding mechanism; industrial design; innovative design

TB 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2021050866

A

2095-302X(2021)05-0866-07

2021-01-27；

2021-03-06

27 January，2021；

6 March，2021

教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目(201602031001)

Ministry of Education Industry-University Cooperation Collaborative Education Project (201602031001)

王 軍(1970–)，男，湖北武漢人，副教授，碩士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、兒童娛樂產(chǎn)品設(shè)計。E-mail：19921039@hbut.edu.cn

WANG Jun (1970-), male, associate professor, master. His main research interests cover product innovation design, children’s entertainment product design. E-mail：19921039@hbut.edu.cn