基于TRIZ與可拓創(chuàng)新方法的機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法研究

熊宗慧，曹東升，胡平平，何志琪

(新疆大學(xué)智能制造現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047)

0 前言

隨著社會(huì)的進(jìn)步以及個(gè)性化消費(fèi)需求的不斷增長(zhǎng)，產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)面臨著不斷變化的需求、各種制約因素和充滿活力的市場(chǎng)，這些因素對(duì)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和創(chuàng)新提出了更高的要求。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的生命周期中，概念設(shè)計(jì)是最具創(chuàng)新性的階段，包括了從客戶需求信息的分析到新產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的所有過(guò)程，是產(chǎn)品創(chuàng)新思維形成的關(guān)鍵階段，它已成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的核心環(huán)節(jié)，也是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的主要手段[1]。其創(chuàng)新性和效率對(duì)于新產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)性開(kāi)發(fā)至關(guān)重要，而概念設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用很大程度上決定了概念設(shè)計(jì)的效率、質(zhì)量和創(chuàng)新性。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段常用的創(chuàng)新方法有公理化設(shè)計(jì)、TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)理論、質(zhì)量功能布置理論，可拓創(chuàng)新方法(Extension Innovation Method)等。其中TRIZ理論以其良好的可操作性和實(shí)用性，自誕生以來(lái)一直廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域，用于解決工程設(shè)計(jì)中的難題，能夠有效提高創(chuàng)新速度。許多學(xué)者將TRIZ用于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，用于形成創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[2]將質(zhì)量功能展開(kāi)理論和TRIZ理論結(jié)合，提出一種系統(tǒng)化設(shè)計(jì)流程的建筑結(jié)構(gòu)自動(dòng)布局機(jī)器人概念設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3]應(yīng)用TRIZ理論指導(dǎo)秸稈微粉碎機(jī)的概念設(shè)計(jì)，有效提高了秸稈微粉碎效率。文獻(xiàn)[4]將遺傳算法與TRIZ結(jié)合，解決設(shè)計(jì)目標(biāo)之間存在的沖突。文獻(xiàn)[5]將TRIZ與公理設(shè)計(jì)相結(jié)合，建立概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型并對(duì)海草夾苗機(jī)械手進(jìn)行概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)。TRIZ在解決矛盾沖突問(wèn)題以及方案上有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。但是，在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中產(chǎn)品需求獲取以及方案評(píng)價(jià)方面，TRIZ工具仍存在分析難、具體化難和量化評(píng)價(jià)難的問(wèn)題。可拓創(chuàng)新方法是中國(guó)原創(chuàng)的用于求解矛盾問(wèn)題的理論，其特點(diǎn)為操作流程形式化、定性與定量相結(jié)合，可拓創(chuàng)新方法具有較強(qiáng)的分析問(wèn)題和邏輯推理形式化能力，其中的優(yōu)度評(píng)價(jià)法被廣泛運(yùn)用于各領(lǐng)域方案評(píng)價(jià)中。文獻(xiàn)[6]把可拓方法應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中，建立了可拓設(shè)計(jì)模型。文獻(xiàn)[7]將可拓邏輯與共軛分析等方法應(yīng)用于需求分析與配置規(guī)劃中，解決了需求動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)等問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]將可拓優(yōu)度評(píng)價(jià)法運(yùn)用于定制類汽車產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)與決策中。文獻(xiàn)[9]在可拓第三創(chuàng)造法的基礎(chǔ)上融入了相關(guān)分析和衡量指標(biāo)，細(xì)化了產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)流程。文獻(xiàn)[10-11]將可拓學(xué)與因果鏈、裁剪方法相結(jié)合，通過(guò)基元形式化表達(dá)，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)方法的客觀性。可拓理論具有較強(qiáng)的邏輯推理形式化能力，但是缺乏良好的產(chǎn)品原理解或方案的生成能力。

綜上所述，本文作者在已有的研究基礎(chǔ)上，將TRIZ與可拓創(chuàng)新方法各自的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合運(yùn)用于機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中，綜合考慮可拓學(xué)形式化的模型和分析問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)，以及TRIZ工具解決沖突問(wèn)題的能力，提出一種集成TRIZ與可拓創(chuàng)新方法的概念設(shè)計(jì)方法，以期為產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的智能化、快速化提供支持。

1 集成可拓與TRIZ的概念設(shè)計(jì)方法

1.1 需求分析與基元模型構(gòu)建

用戶需求是產(chǎn)品創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)力，預(yù)期產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求往往是模糊的，因此分析用戶需求并建立功能-約束模型是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)?？赏貙W(xué)具有形式化的模型和流程化的問(wèn)題求解方法，規(guī)范了知識(shí)的形式和問(wèn)題求解的步驟，具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)性和嚴(yán)密的邏輯推理能力，適用于問(wèn)題分析?？赏貙W(xué)中用三元組形式的基元模型B=(O，C，V) 來(lái)描述某對(duì)象O(物、動(dòng)作或關(guān)系)具有特征C，且該特征對(duì)應(yīng)量值為V，其優(yōu)勢(shì)在于形式化與定量化結(jié)合，能夠定量定性地表現(xiàn)不同模型之間的關(guān)聯(lián)性，因此可用于分析復(fù)雜問(wèn)題。

例如描述清理污水管道的需求時(shí)可以用事元模型表述為

其中管道信息O1可以用物元表示為

利用可拓學(xué)基元形式化的模型，將客戶提出的模糊需求轉(zhuǎn)化為定性定量特征需求參數(shù)的基元模型，并通過(guò)對(duì)環(huán)境等其他因素的拓展分析找到背后隱藏的需求條件。

1.2 功能分析

根據(jù)產(chǎn)品需求基元模型，確定產(chǎn)品的總能，通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)化、圖形化的方式建立功能結(jié)構(gòu)模型，將總功能按照復(fù)雜程度由高到低逐層進(jìn)行分解，構(gòu)建功能分解樹(shù)，如圖3所示。對(duì)總功能的分解，即是對(duì)功能不斷細(xì)化的過(guò)程，細(xì)化到一定程度的子功能，使復(fù)雜抽象的設(shè)計(jì)問(wèn)題具體化、層次化，在后續(xù)的結(jié)構(gòu)映射過(guò)程中能夠更容易求解。

根據(jù)約束基元模型與功能分解樹(shù)完成子功能-結(jié)構(gòu)的映射求解，再綜合考慮各子結(jié)構(gòu)間的影響關(guān)系，構(gòu)建出原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

1.3 沖突求解與方案生成

(1)沖突求解

在功能-結(jié)構(gòu)的映射過(guò)程中，沖突是設(shè)計(jì)人員經(jīng)常遇到的問(wèn)題，如改進(jìn)某一參數(shù)導(dǎo)致其他參數(shù)惡化、引入一個(gè)功能導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生另一個(gè)有害功能等。而產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)核心就是解決沖突問(wèn)題，在功能-結(jié)構(gòu)映射過(guò)程中，如產(chǎn)生各類沖突問(wèn)題，根據(jù)沖突類型利用TRIZ的沖突求解工具，快速獲得該問(wèn)題對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理或原理解。

(2)方案生成

在求解沖突問(wèn)題時(shí)，從 TRIZ 方法中得到的原理解僅為方向性提示，發(fā)明原理具有很強(qiáng)的抽象性，轉(zhuǎn)化為實(shí)際方案過(guò)程中需要設(shè)計(jì)人員擁有大量跨領(lǐng)域知識(shí)和跳躍性思維，因此無(wú)法直接使用。在可拓學(xué)中，創(chuàng)新方案生成的工具是可拓變換，根據(jù)拓展分析得到多個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)系元，再結(jié)合相關(guān)知識(shí)和可拓變換，獲取多種改進(jìn)方案。因此可以利用可拓變換表達(dá)發(fā)明原理中所包含的實(shí)際變換操作，直接對(duì)具體零部件進(jìn)行變換，降低 TRIZ原理解的轉(zhuǎn)化難度。

1.4 方案評(píng)價(jià)與優(yōu)選

在方案生成時(shí)，若只產(chǎn)生一個(gè)概念方案，則可直接選取；若產(chǎn)生多個(gè)方案，則需要綜合考慮多屬性情況來(lái)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。概念設(shè)計(jì)方案往往具有具體信息模糊、量化評(píng)價(jià)難等特點(diǎn)?？赏仃P(guān)聯(lián)函數(shù)用于刻畫(huà)某元素?fù)碛心程匦缘某潭?，已被廣泛應(yīng)用于優(yōu)度決策評(píng)價(jià)，因此采用可拓優(yōu)度評(píng)價(jià)法對(duì)概念方案進(jìn)行評(píng)價(jià)決策，通過(guò)引入關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，最終加權(quán)得到方案整體優(yōu)度，在體現(xiàn)出方案整體優(yōu)劣的同時(shí)體現(xiàn)單個(gè)指標(biāo)對(duì)綜合值的關(guān)聯(lián)程度，進(jìn)而為設(shè)計(jì)人員改進(jìn)方案提供參考。優(yōu)度評(píng)價(jià)具體流程如圖1所示。

圖1 優(yōu)度評(píng)價(jià)流程

集成可拓學(xué)與TRIZ理論的概念設(shè)計(jì)流程，如圖2所示。

2 應(yīng)用案例

以污水管道清淤機(jī)器人的創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證文中所提方法的有效性。

隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，管道遍布于城市與工廠的每個(gè)角落，輸送生活污水與地面雨水等，其通暢與否與人們的生活息息相關(guān)。隨著地下管網(wǎng)建設(shè)得越來(lái)越多，管道清淤變成一項(xiàng)任務(wù)量巨大的任務(wù)。目前我國(guó)管道清淤工作一般采用人工配合高壓水槍與吸污車進(jìn)行清理，但這種方法對(duì)人工的需求較大，而且對(duì)于直徑較小的支路管道很難適用[12]。因此，采用基于可拓與TRIZ的集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一款針對(duì)中小管徑的管道清淤機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)支路管道的清理工作。

2.1 構(gòu)建需求基元進(jìn)行需求分析

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研以及客戶實(shí)際需要，運(yùn)用第1.1節(jié)中需求基元建立方法，可以將初始用戶需求用事元模型表示為

其中：M=

從初始需求事元模型可以看出，用戶的核心需求是管道清理以及清理過(guò)程的自主運(yùn)動(dòng)。但初始用戶的事元需求模型獲取的信息過(guò)于簡(jiǎn)化，不利于接下來(lái)用戶需求到產(chǎn)品功能的映射，因此有必要對(duì)初始需求基元進(jìn)一步拓展分析，結(jié)合環(huán)境、約束條件、領(lǐng)域知識(shí)等，進(jìn)行可拓共軛分析，將機(jī)器人設(shè)計(jì)需求基元按照虛Rim、實(shí)Rre、潛Rit、顯Rap進(jìn)行劃分。

2.2 功能分解與沖突識(shí)別

通過(guò)對(duì)管道清淤機(jī)器人需求基元模型分析，將管道清淤機(jī)器人總功能分解為4個(gè)分功能：清淤功能、驅(qū)動(dòng)功能、支撐功能、輔助功能：將這4個(gè)分功能再次進(jìn)行分解，得到如圖3所示的管道清淤機(jī)器人功能分解樹(shù)，通過(guò)分析功能模型與約束得到兩對(duì)技術(shù)沖突。

圖3 功能分解圖

沖突1：零件數(shù)量與穩(wěn)定性

由功能分析可知，管道機(jī)器人需要行走穩(wěn)定、一定的越障能力和變徑功能。管道機(jī)器人針對(duì)的是管徑較小的支路管道，管道形狀復(fù)雜，管道機(jī)器人需要具備一定的管道適應(yīng)能力，能順利通過(guò)管道的過(guò)渡段和彎曲段甚至是豎直段。主動(dòng)變徑方式雖然能夠在人為操控下適應(yīng)管徑的變化，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本較高，因此在不影響正常功能的前提下選擇結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的被動(dòng)變徑。常用的平行四邊形被動(dòng)變徑方式在變徑時(shí)前后端都會(huì)發(fā)生變換，即使只有一端受到壓力另一端也會(huì)產(chǎn)生變化，在變徑或遇到障礙時(shí)，會(huì)導(dǎo)致清淤機(jī)器人部分接觸不到管壁，失去平衡，影響了機(jī)器人行進(jìn)時(shí)的穩(wěn)定性。

沖突2：管道清淤機(jī)器人尺寸與所需驅(qū)動(dòng)力

清淤機(jī)器人工作管道管徑較小，使得管道機(jī)器人的體積受到約束，無(wú)法選用體積較大的動(dòng)力源來(lái)提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，而清淤機(jī)器人在管道中的行進(jìn)和清淤工作需要較大的驅(qū)動(dòng)力和扭矩。

2.3 沖突求解與方案生成

(1)沖突求解

將上述沖突轉(zhuǎn)化為TRIZ問(wèn)題，選取對(duì)應(yīng)的工程參數(shù)。沖突1欲改善的工程參數(shù)為36，設(shè)備復(fù)雜性；惡化的工程參數(shù)為13，穩(wěn)定性；在沖突矩陣中查詢工程參數(shù)36和13，得到4條發(fā)明原理。沖突2欲改善的工程參數(shù)為7，運(yùn)動(dòng)物體的體積；惡化的工程參數(shù)為10，力量；在沖突矩陣中查詢工程參數(shù)7和10，得到4條發(fā)明原理，如表1所示，對(duì)應(yīng)發(fā)明原理的描述如表2所示。

表1 沖突對(duì)應(yīng)的TRIZ解

表2 對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理

(2)方案生成

上述發(fā)明原理皆為抽象性較高的啟示性文字，將其轉(zhuǎn)換為可以具體實(shí)施的原理解難度很高，因此對(duì)其包含的可拓變換進(jìn)行抽取，建立基元表達(dá)模型后通過(guò)拓展變換生成具體的概念方案。

沖突1。根據(jù)初步對(duì)比分析，選擇第二條發(fā)明原理，即抽取原理作為參考解來(lái)解決變徑機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性的問(wèn)題，構(gòu)建變徑機(jī)構(gòu)初始物元模型：

對(duì)物元M1進(jìn)行分解變換T1M1={M11⊕M12}

其中M11與M12的關(guān)系元R1為

對(duì)M12進(jìn)行置換變換T2M12=M′12

兩個(gè)曲柄滑塊的關(guān)系元為

T2M2=M1⊕M′2

得到變徑機(jī)構(gòu)概念方案：

即將平行四邊形變徑機(jī)構(gòu)改為兩個(gè)獨(dú)立的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，增加兩個(gè)軸線方向的滑塊，并在兩個(gè)機(jī)構(gòu)中間增加加固體環(huán)，由彈簧連接固定環(huán)與滑塊，提供輪子足夠的支撐力。當(dāng)前、后兩端有一端單獨(dú)受力時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)一端變徑而另一端不受影響依然緊貼管壁平穩(wěn)前進(jìn)。

沖突2。經(jīng)比較選取第15條發(fā)明原理，即動(dòng)態(tài)化原理作為參考解，求解縮小機(jī)器人體積與增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力的沖突問(wèn)題。首先構(gòu)建管道機(jī)器人物元模型：

依據(jù)動(dòng)態(tài)性原理對(duì)物元模型進(jìn)行分解變換，獲得可實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵部件物元。

根據(jù)沖突問(wèn)題在縮小管道機(jī)器人體積的同時(shí)，使管道機(jī)器人具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力和清淤能力，對(duì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的部件物元模型實(shí)施復(fù)合變換中的補(bǔ)虧變換[13]，形成新的部件物元：

T3M31=M31⊕M33=

T4M41=M41⊕M43=

T5M42=M41⊕M42=

得到新的關(guān)系元：

將變換得到物元模型進(jìn)行結(jié)合獲得創(chuàng)新方案集，首先考慮約束條件的限制進(jìn)行初步篩選，擬得到兩種可行的解決方案。

方案一：采用高壓水流與彈性簧片清淤盤結(jié)合的清淤裝置，減小清淤所需的驅(qū)動(dòng)力，在機(jī)器后面使用萬(wàn)向節(jié)與螺旋輪驅(qū)動(dòng)裝置連接，通過(guò)螺旋驅(qū)動(dòng)與支撐輪組結(jié)合的移動(dòng)方式帶動(dòng)清淤裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)與推進(jìn)。

方案二：采用螺旋攪拌裝置與活塞式清淤泵吸入的方式清淤，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源的分解，通過(guò)3組支撐腿內(nèi)置驅(qū)動(dòng)輪行進(jìn)，將氣動(dòng)馬達(dá)固定在支撐腿內(nèi)部，保護(hù)驅(qū)動(dòng)并節(jié)省空間。

2.4 方案評(píng)價(jià)

(1)確定衡量指標(biāo)

根據(jù)管道清淤機(jī)器人設(shè)計(jì)需求基元，從清淤能力方面考慮，選取功能性c1作為評(píng)價(jià)特征；從工作環(huán)境方面考慮，將可靠性c2作為評(píng)價(jià)特性；從經(jīng)濟(jì)方面考慮，選取生產(chǎn)成本c3作為衡量指標(biāo)。于是得到3個(gè)一級(jí)衡量指標(biāo)C={c1，c2，c3} 。

(2)確定權(quán)系數(shù)

采用AHP(Analytic Hierarchy Process)法獲取各指標(biāo)權(quán)重，邀請(qǐng)企業(yè)設(shè)計(jì)人員，相關(guān)從業(yè)人員和高校相關(guān)研究人員三類專家填寫(xiě)調(diào)查問(wèn)卷，采用互反性1～9標(biāo)度法，對(duì)指標(biāo)的相對(duì)重要程度進(jìn)行打分，并構(gòu)造判斷矩陣。上述一級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣H為

求得各指標(biāo)權(quán)系數(shù)：

ω={0.405 90,0.224 85,0.369 24}

(3)計(jì)算關(guān)聯(lián)度

將評(píng)價(jià)參數(shù)分為優(yōu)秀、良好、一般、較差四類，取值區(qū)間分別為優(yōu)秀[90，100] 、良好[80，89]、一般[70，79]、較差[60，69]，構(gòu)造關(guān)聯(lián)函數(shù)：

k(x)=

(1)

將上述專家對(duì)方案的評(píng)分取平均值，根據(jù)式(1)計(jì)算各指標(biāo)與各等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表3所示。

表3 各方案關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

(4)計(jì)算方案優(yōu)度

運(yùn)用關(guān)聯(lián)函數(shù)加權(quán)運(yùn)算等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度K(N)也就是優(yōu)度，方案綜合優(yōu)度越高，則說(shuō)明該設(shè)計(jì)方案更加符合要求。計(jì)算公式為

(2)

根據(jù)式(2)計(jì)算得到兩套方案的綜合優(yōu)度分別為

K(N1)=ωk(x)=0.37,K(N2)=ωk(x)=0.26

可以看出方案一的綜合優(yōu)度更高，因此選擇方案一作為最優(yōu)方案。此方案采取兩個(gè)彈性連接的曲柄滑塊裝置，具體實(shí)際方案如圖4(a)所示，在保持較小體積的同時(shí)，提高了管道機(jī)器人變徑時(shí)的穩(wěn)定性。清淤裝置采取推進(jìn)-刮削-清洗過(guò)濾的組合清淤方式，具體方案如圖4 (b)所示。

圖4 管道清淤機(jī)器人三維模型

整機(jī)采用螺旋輪式與支撐輪相結(jié)合的方式，提供旋轉(zhuǎn)前進(jìn)所需的驅(qū)動(dòng)力，在保持較小體積的同時(shí)將動(dòng)力源進(jìn)行分解和合理分布，提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，具體方案如圖4(c)所示。

3 結(jié)語(yǔ)

文中提出一種集成TRIZ與可拓創(chuàng)新方法的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法，將可拓理論與TRIZ理論的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，解決機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)不同階段的矛盾問(wèn)題。首先通過(guò)用戶需求基元模型與共軛分析，形式化地表示需求以及約束條件，確定產(chǎn)品的功能與矛盾問(wèn)題；運(yùn)用TRIZ理論提取工程參數(shù)查詢對(duì)應(yīng)的原理解，通過(guò)可拓變換生成多種概念方案；最后利用優(yōu)度評(píng)價(jià)法對(duì)方案進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，選取最優(yōu)方案。規(guī)范了概念設(shè)計(jì)流程，使概念設(shè)計(jì)過(guò)程更加高效、便捷。運(yùn)用該方法對(duì)小型管道清淤機(jī)器人進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，得到了較為理想的解決方案，驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性，該方法同樣適用于其他產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

集成TRIZ與可拓創(chuàng)新方法的概念設(shè)計(jì)方法可以提升概念設(shè)計(jì)過(guò)程的規(guī)范性和效率，但在沖突求解過(guò)程中仍依賴人工，故在文中研究的基礎(chǔ)上，利用可拓模型形式化的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)智能化求解概念設(shè)計(jì)矛盾問(wèn)題將是后續(xù)研究重點(diǎn)。