TRIZ與可拓學(xué)理論在辦公椅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

■曾盼盼，陶 濤，陳星艷，尹志遠(yuǎn)，張敘俊，宋 玲，袁 園 Zeng Panpan & Tao Tao & Chen Xingyan & Yin Zhiyuan & Zhang Shujun & Song Ling & Yuan Yuan

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410004；2.圣奧科技股份有限公司，浙江杭州 310000；3.湖南科技職業(yè)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

面對(duì)消費(fèi)者對(duì)于產(chǎn)品多樣化和求新的需求，只有不斷進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新才能有效滿足其需求，因此不少企業(yè)已將創(chuàng)新列為提高競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素和發(fā)展趨勢(shì)[1]。在辦公椅同質(zhì)化現(xiàn)象普遍的情況下，企業(yè)面臨著創(chuàng)新問(wèn)題的挑戰(zhàn)。而使用創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法可以更有效解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)的問(wèn)題，幫助產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平和性能。目前，國(guó)內(nèi)外所熟知的主流的創(chuàng)新方法有TRIZ理論、可拓學(xué)理論、公理化設(shè)計(jì)、QFD等，其中可拓學(xué)和TRIZ理論在應(yīng)用中都取得了良好的創(chuàng)新效果，兩者都是以解決矛盾問(wèn)題為主，但在解決問(wèn)題時(shí)具有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)[2]。為了能更大地發(fā)揮可拓學(xué)和TRIZ創(chuàng)新方法在辦公椅[3-4]產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的作用，本文將利用兩種理論的優(yōu)勢(shì)對(duì)其進(jìn)行有機(jī)融合，建立設(shè)計(jì)流程，并以辦公椅為實(shí)例進(jìn)行應(yīng)用。

1 可拓學(xué)和TRIZ理論概述

1.1 可拓學(xué)理論概述

可拓學(xué)是數(shù)學(xué)、哲學(xué)與工程交叉的一門新興學(xué)科，為解決矛盾問(wèn)題，其以矛盾為對(duì)象，利用形式化的模型的方式來(lái)探索事物間的拓展可能性并且創(chuàng)建了用于創(chuàng)新的方法。它以一套程序化的方法幫助人們按照程序處理矛盾問(wèn)題和開拓創(chuàng)新,是高效的創(chuàng)新方法之一[5]。在可拓學(xué)中，建立了物元、事元、關(guān)系元（統(tǒng)稱為基元）來(lái)描述物、事和關(guān)系?；?B)作為邏輯細(xì)胞的基本表達(dá)式為

可拓創(chuàng)新方法是可拓學(xué)用于創(chuàng)新的基本方法，使用流程一般是先用形式化的方式表示矛盾問(wèn)題，通過(guò)發(fā)散樹、相關(guān)網(wǎng)、蘊(yùn)含系、分合鏈的4種拓展方法進(jìn)行拓展，再通過(guò)置換、增刪、擴(kuò)縮、分解、復(fù)制的5種基本變換方法以及與、或、積、逆的4種基本運(yùn)算，來(lái)獲得創(chuàng)新方案，最后通過(guò)可拓優(yōu)度評(píng)價(jià)，獲取較優(yōu)方案[8]。

■圖1 基于可拓學(xué)和TRIZ方法的設(shè)計(jì)流程

■圖2 辦公椅N的結(jié)構(gòu)圖

1.2 TRIZ理論概述

TRIZ作為發(fā)明問(wèn)題系統(tǒng)化解決的理論是基于知識(shí)的、面向人的，適用于各個(gè)行業(yè)[9-10]，其可以幫助人們突破思維，探索解決問(wèn)題的方法?，F(xiàn)代TRIZ理論體系中包括功能模型分析法、因果鏈分析法、39個(gè)工程參數(shù)、40個(gè)發(fā)明原理、矛盾矩陣、物—場(chǎng)模型分析等理論工具，核心是利用發(fā)明原理工具解決矛盾矩陣中的沖突，以達(dá)到最終理想解[11]，其解決問(wèn)題的流程一般是先定義問(wèn)題，其次是分析問(wèn)題，再通過(guò)分析解的方式選擇最優(yōu)解[12]。

2 基于可拓學(xué)和TRIZ 的設(shè)計(jì)流程

可拓學(xué)具有形式化、一般性、可操作化的特點(diǎn)，能給設(shè)計(jì)者提供完整的思考路徑與模式。TRIZ則在工程應(yīng)用上比較廣泛，能為設(shè)計(jì)者提供解決問(wèn)題的有效方法和解決設(shè)計(jì)中“如何做”的問(wèn)題。結(jié)合兩個(gè)理論的優(yōu)勢(shì)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中本文利用可拓學(xué)的蘊(yùn)含系表述TRIZ根原因分析，以使問(wèn)題分析更具有形式化和邏輯性；利用拓展分析、可拓變換為TRIZ提供更多解決問(wèn)題的方案；再利用優(yōu)度評(píng)價(jià)方法解決TRIZ方案量化難的問(wèn)題，為設(shè)計(jì)方案提供最優(yōu)選擇。由此建立了基于可拓學(xué)和TRIZ方法的設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。

2.1 問(wèn)題分析

2.1.1 功能分析

選擇目標(biāo)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，針對(duì)選擇的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，得到產(chǎn)品的初始問(wèn)題。功能分析作為現(xiàn)代TRIZ理論中用于分析問(wèn)題的一個(gè)重要工具，主要有三個(gè)部分，分別是組件分析、相互作用分析和功能模型[13]。

（1）組件分析：劃分產(chǎn)品的系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件，并分類列舉出來(lái)，在組件分析時(shí)，需要選擇合適的組件層級(jí)。

（2）相互作用分析：分析兩兩組件之間的相互作用關(guān)系。

（3）建立功能模型：整合分析的組件、組件間的作用關(guān)系和功能，并用一種圖形化的方式表示。

2.1.2 根原因分析

通過(guò)對(duì)功能分析的問(wèn)題進(jìn)行基元建模，再將因果鏈的邏輯與蘊(yùn)含系的表達(dá)方式結(jié)合挖掘關(guān)鍵問(wèn)題，以解決初始問(wèn)題[14]。

2.2 問(wèn)題求解

針對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行矛盾沖突分析，判斷矛盾的類型（技術(shù)矛盾，物理矛盾），再根據(jù)矛盾類型對(duì)應(yīng)的工具的提示（分離原理、工程參數(shù)與矛盾矩陣）尋找解決問(wèn)題的原理解（發(fā)明原理），并利用基元模型進(jìn)行形式化的表達(dá)，通過(guò)拓展分析與可拓變換的方法形成解決方案集。

2.3 方案評(píng)價(jià)

優(yōu)度評(píng)價(jià)[15]是可拓創(chuàng)新理論中對(duì)對(duì)象評(píng)價(jià)的基本方法，利用優(yōu)度評(píng)價(jià)方法對(duì)各方案進(jìn)行衡量評(píng)價(jià)，可篩選最優(yōu)方案。

3 實(shí)例分析

本文選擇某公司的一款辦公椅N進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用分析，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 分析問(wèn)題

3.1.1 功能分析

（1）組件分析

研究對(duì)象辦公椅N的主要功能是支撐人[16]，是能夠執(zhí)行一定功能的系統(tǒng)，因此辦公椅N就是所研究的工程系統(tǒng)。它的系統(tǒng)組件可以分為頭枕、椅背、扶手、椅座、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、氣桿、椅腳和椅輪八個(gè)部分。超系統(tǒng)組件為人和地面（表1）。

表1 辦公椅N的組件分析

（2）相互作用分析

將表1的系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件用矩陣列表進(jìn)行相互作用分析，如表2所示。其中“+”表示兩兩組件間存在作用關(guān)系，“-”表示兩兩組件間不存在作用關(guān)系。

表2 辦公椅N的相互作用分析

（3）建立功能模型

因?yàn)檗k公椅N的主要功能是支撐人，所以此系統(tǒng)的作用目標(biāo)就是超系統(tǒng)組件中的人。再根據(jù)表2的相互作用分析結(jié)構(gòu)，建立功能模型圖，如圖3所示。通過(guò)模型圖可知三個(gè)比較顯著的問(wèn)題，分別是問(wèn)題一：椅背對(duì)人支撐不足，問(wèn)題二：扶手對(duì)人支撐不足，問(wèn)題三：調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和人之間的作用不足。

3.1.2 根原因分析

由于篇幅限制，文本從三個(gè)問(wèn)題點(diǎn)中選擇一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析。由于久坐辦公的工作模式，常常會(huì)引發(fā)辦公人員的腰背疾病，而椅背對(duì)人體的支撐作用可以有效緩解人體腰背疲勞，減少疾病的誘發(fā)[17-18]。因此對(duì)比三個(gè)問(wèn)題，本文優(yōu)先選擇問(wèn)題一（椅背對(duì)人支撐不足）進(jìn)行展開分析?，F(xiàn)對(duì)椅背的支撐不足問(wèn)題建立物元模型M。

根據(jù)事物的可分特性[19]，將辦公椅N的椅背組分為背部框架、網(wǎng)布和腰靠三個(gè)部分，以加強(qiáng)對(duì)椅背結(jié)構(gòu)的了解（圖1）。對(duì)椅背物元M進(jìn)行組分的表達(dá)式為

將物元模型M中的關(guān)鍵缺點(diǎn)物元提取出來(lái)并用基元B進(jìn)行表示，則B=（椅背，支撐作用，不足）。結(jié)合因果鏈邏輯與蘊(yùn)含系表達(dá)方式的根原因分析法挖掘關(guān)鍵問(wèn)題，如圖4所示。

圖4因果鏈蘊(yùn)含分析圖中的基元模型為

在因果鏈蘊(yùn)含分析中可知椅背支撐作用不足的原因是人體傾仰帶動(dòng)椅背轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，腰靠和人體腰部的相互作用位置發(fā)生改變，使腰靠對(duì)腰部的支撐作用不足，導(dǎo)致椅背的支撐作用不足。在所有缺點(diǎn)中選擇B11作為需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

3.2 問(wèn)題求解

根據(jù)上述分析可知，關(guān)鍵問(wèn)題是腰靠的作用位置發(fā)生變化。若椅背采取固定形式保持腰靠作用位置不變，則可以增強(qiáng)腰靠的支撐作用，但這會(huì)造成傾仰功能缺失，導(dǎo)致辦公椅不能滿足使用者對(duì)于不同姿勢(shì)的需求。從矛盾沖突的角度分析，這屬于技術(shù)矛盾，根據(jù)通用工程參數(shù)將矛盾描述為改善的參數(shù)是力，惡化的參數(shù)是適應(yīng)性和多樣性。通過(guò)矛盾矩陣定位，獲取對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理是15號(hào)動(dòng)態(tài)化原理、17號(hào)維數(shù)變化原理、18號(hào)振動(dòng)原理、20號(hào)有效作用的連續(xù)性原理。

根據(jù)15動(dòng)態(tài)化原理的提示，得到解決問(wèn)題的方向，一是考慮將椅背的背部框架和腰部支撐部分設(shè)計(jì)為可以相對(duì)移動(dòng)的兩部分，以增強(qiáng)腰靠支撐效果。二是劃分椅背框架為背部支撐架和背框兩部分，并使背框在背部支撐架傾仰轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持相對(duì)移動(dòng)。

■圖3 辦公椅N功能分析模型

■圖4 因果鏈蘊(yùn)含分析圖

■圖5 椅背的方案草圖

根據(jù)方向一的方案，為了使腰靠和背部框架發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，將在背部框架上設(shè)計(jì)滑槽，使背部框架和腰靠能夠產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，并使腰靠連接在椅座上，對(duì)此建立物元模型因此可形成方案一一種腰靠與背部框架分離運(yùn)動(dòng)，又具有相互作用的椅背（圖5）。表達(dá)式為

其中M11與M12的關(guān)系元R為

為了使支撐架和背框能夠相對(duì)移動(dòng)，將改變兩者之間的一體式連接改為鉸鏈連接，使背框能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，表達(dá)式為TR=R1，其中

因?yàn)檫B接方式發(fā)生了變化，使支撐架的物元M11和背框物元M12發(fā)生傳導(dǎo)變化，變換為可形成方案三：一種背框和支撐架之間可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的椅背（圖5）。表達(dá)式為

3.3 優(yōu)度評(píng)價(jià)

（1）確定衡量指標(biāo)

對(duì)于待測(cè)評(píng)的設(shè)計(jì)的方案，選擇可靠性C1、支撐效果C2和成本C3作為衡量指標(biāo),得出衡量指標(biāo)集:量值域。

（2）確定權(quán)系數(shù).

采用AHP層次分析法[20]，使用1-5比率標(biāo)度法對(duì)要素進(jìn)行兩兩比較并確定其相互比率。在本次設(shè)計(jì)中可靠性比支撐效果明顯重要,而支撐效果比成本稍微重要，所以利用AHP層次分析法建立的判別矩陣H為

（3）建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，并且計(jì)算規(guī)范關(guān)聯(lián)度

設(shè)辦公椅的可靠性、支撐作用、成本的量級(jí)均在1~5級(jí)，建立離散型關(guān)聯(lián)函數(shù)為

各方案Dj關(guān)于MIi的規(guī)范關(guān)聯(lián)度如下:

根據(jù)規(guī)范關(guān)聯(lián)度公式，計(jì)算各衡量指標(biāo)的規(guī)范關(guān)聯(lián)度為

因此各方案Dj的規(guī)范關(guān)聯(lián)度為

（4）計(jì)算優(yōu)度

根據(jù)優(yōu)度公式

4 結(jié)語(yǔ)

本文將可拓學(xué)和TRIZ理論進(jìn)行結(jié)合創(chuàng)建了一個(gè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的模型，其利用TRIZ功能分析和因果鏈分析與蘊(yùn)含系表達(dá)提取關(guān)鍵解決矛盾，并根據(jù)不同矛盾對(duì)應(yīng)的工具提供有效解決方法，再運(yùn)用拓展分析和可拓變換形成可行解決方案集，最后進(jìn)行優(yōu)度評(píng)價(jià)選取最優(yōu)方案。以某辦公椅為實(shí)例進(jìn)行分析并提供解決問(wèn)題的方案，證明了融合的創(chuàng)新方法的有效性，也說(shuō)明了可拓學(xué)和TRIZ的融合創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法可以為辦公椅設(shè)計(jì)提供具有科學(xué)性和邏輯性的設(shè)計(jì)流程。