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    基于TRIZ理論的新型活動(dòng)靠背設(shè)計(jì)研究*

    2013-07-04 08:54:20彭開(kāi)元欒國(guó)強(qiáng)何雪濤
    機(jī)械研究與應(yīng)用 2013年4期
    關(guān)鍵詞:椅背原理矛盾

    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.

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