基于TRIZ的新型課桌椅創(chuàng)新設(shè)計(jì)

李銀寶+李銘書+曹榮康

摘 要：該文主要應(yīng)用TRIZ理論對(duì)已有中小學(xué)課桌椅進(jìn)行了再設(shè)計(jì)。依據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)化路線，針對(duì)多數(shù)校園中已有的木制課桌笨重、運(yùn)輸搬運(yùn)不便、結(jié)構(gòu)單一、不可調(diào)節(jié)、桌椅管理不便等諸多不足，在較充分考察課桌市場(chǎng)和相關(guān)技術(shù)（主要對(duì)專項(xiàng)專利進(jìn)行了研究與總結(jié)）的基礎(chǔ)上，有的放矢地對(duì)成套課桌椅進(jìn)行了創(chuàng)造性改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)基于場(chǎng)的控制和連續(xù)性變化。該文提出的新型課桌椅最大的特點(diǎn)是便攜、可折疊、桌椅一體化和輕量化，且成本易于控制，工藝簡(jiǎn)單，便于批量投產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：TRIZ ?課桌椅 ?進(jìn)化路線 ?工藝性 ?便攜

中圖分類號(hào)：TH218 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（c）-0034-02

目前多數(shù)校園中已有的木制課桌存在結(jié)構(gòu)笨重、搬運(yùn)不便、功能單一、高度不可調(diào)節(jié)、管理不便及浪費(fèi)資源等諸多不足。市場(chǎng)上一些其他形式的便攜或者可折疊的桌椅盡管實(shí)現(xiàn)了便攜性和可折疊功能，但其整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)管件間配合精度要求較高，即工藝性較差，進(jìn)而造成加工成本的增加。此外，桌椅一般配套使用，所以其是否便于管理很重要。綜上所述，影響桌椅使用和生產(chǎn)特性的因素主要包括桌面高度、桌椅重量、便攜性、可調(diào)節(jié)性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、工藝性、是否便于管理等。因此，研究開發(fā)出一種新型課桌椅，便攜可折疊，工藝性好，高度可調(diào)，桌椅一體。

1 技術(shù)背景[1]

我國(guó)學(xué)生的課桌椅大體沿襲著西方學(xué)校課桌椅的發(fā)展軌跡。從構(gòu)成的材質(zhì)和發(fā)展歷史看，兩者并無明顯不同，都經(jīng)歷了雜木制造、鋼木合一、硬塑替代等過程;從外形看，由單一的形態(tài)逐漸過渡到升降式等更符合人機(jī)工程學(xué)的多種形態(tài)。并且隨著青少年身高、體重的變化，國(guó)內(nèi)外都存在課桌椅標(biāo)準(zhǔn)再修訂的問題，但也有不同，主要體現(xiàn)在課桌椅的擺放方面，相對(duì)國(guó)內(nèi)普遍的整齊劃一，國(guó)外學(xué)生課桌椅的擺放則靈活多樣。

當(dāng)下可升降學(xué)生課桌材質(zhì)主要為鋼木結(jié)合結(jié)構(gòu)，桌面為三聚氰胺板，桌腿鋼結(jié)構(gòu)。凳子也多為鋼木結(jié)構(gòu)，桌凳也有相關(guān)固件來調(diào)節(jié)高度;也有塑料的升降學(xué)生課桌。但是鋼木結(jié)構(gòu)導(dǎo)致桌凳腿結(jié)果復(fù)雜，使得教室打掃起來比較麻煩，且因?yàn)椴荒茈S手調(diào)節(jié)高度，需要借用一定的器械才能調(diào)節(jié)高度，導(dǎo)致很多學(xué)校的升降課桌淪為固定課桌。

目前我國(guó)采用實(shí)施的是GB/T3976-2002標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)GB/T7792-1987《學(xué)校課桌椅衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T3976-1983《學(xué)校課桌椅功能尺寸》的合并修訂。同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)的修訂，主要依據(jù)近年我國(guó)的人體測(cè)量資料和專門調(diào)查，非等效采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5970-1979《家具—— 教學(xué)用桌椅—— 功能尺寸》，并參考了日本工業(yè)規(guī)格JIS S 1021-1991《學(xué)校家具（普通教室用桌椅）》和JIS S 1015-1974《講課教室用固定式桌椅尺寸》。

2 基于TRIZ的新型課桌椅方案設(shè)計(jì)

針對(duì)木制課桌存在結(jié)構(gòu)笨重、搬運(yùn)不便、功能單一、高度不可調(diào)節(jié)、管理不便及浪費(fèi)資源等諸多不足，本文基于TRIZ理論指導(dǎo)進(jìn)行了創(chuàng)新性方案分析，論證與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出一種便攜式可調(diào)新型課桌椅。

2.1 TRIZ主要理論及方法研究

TRIZ理論最初是在20世紀(jì)中期由前蘇聯(lián)科學(xué)家G.S.Altshuller提出。TRIZ理論是一種用于解決發(fā)明問題的創(chuàng)新理論和方法，其體系中很重要的兩部分就是技術(shù)進(jìn)化理論和沖突解決理論。技術(shù)進(jìn)化理論用于預(yù)測(cè)現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)化方向，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。沖突解決理論則用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中具體發(fā)明問題的解決。

TRIZ理論將創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中遇到的矛盾、沖突、問題歸納成兩類：物理沖突和技術(shù)沖突。針對(duì)物理沖突，經(jīng)常利用的TRIZ工具是分離原理;針對(duì)技術(shù)沖突，經(jīng)常利用的是沖突矩陣。利用TRIZ理論中的沖突解決理論，我們對(duì)課桌椅再設(shè)計(jì)過程中的發(fā)明問題進(jìn)行了合理的解決，實(shí)現(xiàn)了桌椅便攜、高度可調(diào)、成本易控、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

TRIZ理論歸納出了系統(tǒng)的九大技術(shù)進(jìn)化定律及其對(duì)應(yīng)的若干進(jìn)化路線。這一通過統(tǒng)計(jì)2001年5月到2014年5月的1404例中國(guó)“桌椅”專利和160例歐美“桌椅”專利，可以大致歸納出桌椅作為一個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)化路線，即向連續(xù)變化系統(tǒng)進(jìn)化（單態(tài)系統(tǒng)→多態(tài)系統(tǒng)→連續(xù)變化系統(tǒng)）或向場(chǎng)進(jìn)化（剛性系統(tǒng)→帶有一個(gè)鉸鏈的系統(tǒng)→帶有多個(gè)鉸鏈的系統(tǒng)→柔性系統(tǒng)→基于場(chǎng)的系統(tǒng)）[2]。所以，在具體的方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)基本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)性變化或通過增強(qiáng)柔性來控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2.2 TRIZ理論中的沖突解決理論為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了思路

G.S.Altshuller等人將沖突主要分為管理沖突、物理沖突和技術(shù)沖突，發(fā)明問題主要面臨的是物理沖突和技術(shù)沖突。因此，在應(yīng)用TRIZ沖突解決理論解決發(fā)明問題時(shí)，首先應(yīng)將問題用TRIZ語言進(jìn)行描述和分類。

具體而言，當(dāng)對(duì)一子系統(tǒng)具有相反的要求時(shí)就出現(xiàn)了物理沖突?，F(xiàn)代TRIZ在總結(jié)物理沖突解決方法的基礎(chǔ)上，提出了采用如下的分離原理解決物理沖突的方法：空間分離、時(shí)間分離、基于條件的分離、整體與部分的分離。

當(dāng)子系統(tǒng)間產(chǎn)生矛盾或系統(tǒng)的某兩個(gè)參數(shù)、特性間產(chǎn)生矛盾時(shí)就出現(xiàn)了技術(shù)沖突。TRIZ理論中技術(shù)沖突的解決是一個(gè)完整的過程，除了理論的應(yīng)用過程，還包括應(yīng)用該理論前的前處理與應(yīng)用之后的后處理等過程。前處理過程的主要任務(wù)包括尋找要改變的系統(tǒng)特性、查找TRIZ給出的工程參數(shù)中與要改變的系統(tǒng)特性對(duì)應(yīng)的參數(shù)、將眼前的一般問題描述為TRIZ的標(biāo)準(zhǔn)問題，同時(shí)確定參數(shù)變化方向（改進(jìn)或惡化）等;理論應(yīng)用過程主要包括在沖突矩陣中查找相互沖突的工程參數(shù)確定的矩陣元素，并用上述元素確定發(fā)明原理，而后將所確定的原理應(yīng)用于設(shè)計(jì)者的問題等;后處理過程的主要任務(wù)是對(duì)從沖突矩陣得出的發(fā)明原理進(jìn)行啟發(fā)性思考、獲得設(shè)計(jì)依據(jù)和靈感，評(píng)價(jià)并完善概念設(shè)計(jì)及后續(xù)的設(shè)計(jì)等。其中，TRIZ給出的沖突矩陣和40條發(fā)明原理是整個(gè)過程的核心工具。

2.3 設(shè)計(jì)過程問題的描述

結(jié)合TRIZ中發(fā)明問題的解決理論，我們將發(fā)明問題歸納為兩類：物理沖突和技術(shù)沖突。

首先，根據(jù)正常的使用習(xí)慣，人們普遍希望課桌椅在使用時(shí)高度合適，使用面積大，必要時(shí)要實(shí)現(xiàn)桌椅高度調(diào)節(jié);在桌椅處于備用狀態(tài)時(shí)，如進(jìn)行桌椅搬運(yùn)、存放甚至是攜帶時(shí)，其整體結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)便攜，這時(shí)就需要其體積要盡量小，以避免不必要的空間、人力、財(cái)力的浪費(fèi)。此時(shí)，問題就是如何實(shí)現(xiàn)一套桌椅的體積在使用時(shí)大，不使用時(shí)小，這是對(duì)系統(tǒng)的體積提出的兩個(gè)相反方向的設(shè)計(jì)要求，屬于物理沖突。

其次，既然要改變系統(tǒng)體積，就難免在設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)活動(dòng)部件和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，這就會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到一定程度上的影響，通過查閱TRIZ給出的39個(gè)工程參數(shù)，將這一沖突可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)沖突，即靜止物體體積與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的沖突。

此外，要想實(shí)現(xiàn)便攜，就應(yīng)盡量減少系統(tǒng)中元件數(shù)量，所以提出了桌椅一體化的設(shè)計(jì)思路。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)體積調(diào)節(jié)，還要增加體積調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。但是具體方案中就要面臨這樣一個(gè)問題，“一體化”過程會(huì)不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)變復(fù)雜？會(huì)不會(huì)使系統(tǒng)可操作性變差？通過對(duì)比查閱TRIZ給出的39個(gè)工程參數(shù)，這一沖突可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)沖突：物質(zhì)或事物的數(shù)量與可操作性之間的沖突、物質(zhì)或事物的數(shù)量與裝置復(fù)雜性之間的沖突。

2.4 基于TRIZ技術(shù)沖突解決原理的新型課桌椅創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)

依據(jù)系統(tǒng)的進(jìn)化路線，我們初步給出了解決方案的設(shè)計(jì)方向。對(duì)于物理沖突，主要應(yīng)用分離原理進(jìn)行解決?？紤]到桌椅在使用時(shí)要求體積要大，不使用時(shí)要求體積要小，便說明兩種狀態(tài)存在時(shí)間差。因此，可以應(yīng)用時(shí)間分離原理對(duì)該物理沖突進(jìn)行解決。對(duì)此，我們需要設(shè)計(jì)或者尋找一種機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)以上兩種工作狀態(tài)甚至實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)變化。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)資料和大量專利[3]，我們選定了可實(shí)現(xiàn)伸縮功能的交叉機(jī)構(gòu)。

對(duì)于技術(shù)沖突：靜止物體體積與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的沖突。通過查閱沖突矩陣，TRIZ對(duì)相應(yīng)給出了28、34、35、40四條發(fā)明原理。其中34拋棄與修復(fù)原理和40復(fù)合材料原理對(duì)于桌椅這種簡(jiǎn)單系統(tǒng)來說會(huì)造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和成本提升，所以不予考慮。之后依據(jù)連續(xù)性變化和基于場(chǎng)控制系統(tǒng)的進(jìn)化方向，我們?cè)?8機(jī)械系統(tǒng)的替代原理和35參數(shù)變化原理的啟發(fā)下注意到重要兩點(diǎn)：換場(chǎng)、改變物體柔性。對(duì)于換場(chǎng)，我們選擇將靜態(tài)場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)場(chǎng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制;對(duì)于改變物體柔性，我們選擇改變機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)性變化。作為補(bǔ)充，考慮到方案設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)問題，對(duì)于技術(shù)沖突：物質(zhì)或事物的數(shù)量與可操作性/裝置復(fù)雜性之間的沖突，通過查閱沖突矩陣，我們得到了35、29、25、3、13、27、10等若干條發(fā)明原理。其中29氣動(dòng)與液壓結(jié)構(gòu)原理和25自服務(wù)原理工藝復(fù)雜，不便實(shí)現(xiàn);3局部質(zhì)量原理簡(jiǎn)單，但是勢(shì)必給結(jié)構(gòu)帶來新的改變。所以，上述原理不予考慮。對(duì)于35參數(shù)變化原理，我們選擇了改變物體柔性;對(duì)于10預(yù)操作原理，我們選擇了預(yù)先對(duì)物體進(jìn)行特殊安排;對(duì)于13反向原理，我們選擇了結(jié)構(gòu)多用性;對(duì)于27用低成本、不耐用物體代替昂貴、耐用物體原理，我們選擇了合適的結(jié)構(gòu)材料。

針對(duì)物理沖突，我們選定了可伸縮的交叉機(jī)構(gòu)。具體實(shí)施上，桌椅使用時(shí)機(jī)構(gòu)張開，不使用時(shí)機(jī)構(gòu)收緊。

針對(duì)第一個(gè)技術(shù)沖突，我們?cè)O(shè)計(jì)了滑道，使其一端與交叉機(jī)構(gòu)的一端固連;另一端滑動(dòng)，以便于整個(gè)機(jī)構(gòu)的變動(dòng)，我們還配備了定位銷，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)定位，這樣便可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)場(chǎng)與動(dòng)態(tài)場(chǎng)的相互轉(zhuǎn)換。為增加機(jī)構(gòu)柔性，我們改小了交叉機(jī)構(gòu)尺寸，增加了交叉機(jī)構(gòu)數(shù)量，即通過改變桌腿的節(jié)數(shù)增強(qiáng)了機(jī)構(gòu)的柔性?；琅c交叉機(jī)構(gòu)相互配合，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的場(chǎng)控制和連續(xù)性變化

針對(duì)第二個(gè)技術(shù)沖突，我們?cè)O(shè)計(jì)了連桿機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)桌椅“一體化”和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的預(yù)操作，為保證強(qiáng)度和相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置準(zhǔn)確度，采用了平面四桿機(jī)構(gòu)[4];為降低系統(tǒng)復(fù)雜度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)多用性，我們賦予椅子腿另一個(gè)功能：手柄。就是說，在桌椅收緊后，椅子腿可充當(dāng)新系統(tǒng)中手柄的角色;為降低成本和技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性，我們將承重機(jī)構(gòu)的材料選定為不銹鋼，將各板面材料選定為聚酯材料。

3 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

從技術(shù)上分析，該設(shè)計(jì)方案對(duì)于設(shè)計(jì)思路和要求中的場(chǎng)控制和連續(xù)性變化進(jìn)行了合理的實(shí)現(xiàn)。值得關(guān)注的是，該設(shè)計(jì)方案工藝性良好，整個(gè)制造過程僅涉及管材的切割、焊接、鉚接等工藝，幾乎不存在高精度的配合及其他技術(shù)要求，便于高效批量生產(chǎn)，且便于回收再利用。此外，該設(shè)計(jì)方案多采用市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便，均保證了生產(chǎn)過程的低成本，便于投入生產(chǎn)。

面對(duì)市場(chǎng)，課桌椅的設(shè)計(jì)主要是為學(xué)生、學(xué)校和運(yùn)輸搬運(yùn)者提供更優(yōu)化的使用功能，也包括制造商。對(duì)于學(xué)生，該設(shè)計(jì)方案便于使用與攜帶;對(duì)于學(xué)校，該設(shè)計(jì)方案便于存儲(chǔ)與管理;對(duì)于搬運(yùn)者，該設(shè)計(jì)方案便于運(yùn)輸和搬運(yùn);對(duì)于制造商，該設(shè)計(jì)方案節(jié)省工時(shí)，工藝簡(jiǎn)單，成本低，便于投產(chǎn)且生產(chǎn)效率高。表1為相同參數(shù)（如高度、面積相同）情況下，該設(shè)計(jì)方案的重要設(shè)計(jì)參數(shù)與已有產(chǎn)品相應(yīng)參數(shù)的對(duì)比[5]。

4 結(jié)論

該設(shè)計(jì)方案在完成初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)一組參數(shù)進(jìn)行了實(shí)物制作和系統(tǒng)強(qiáng)度校核，在不銹鋼壁厚1 mm，截面尺寸為10×15[6]時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)可承受至少200 kg的重量[7]，這對(duì)于學(xué)生來說是十分安全的。至于將該設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步投入生產(chǎn)，還需進(jìn)行更多參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)強(qiáng)度校驗(yàn)，即實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)方案的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化[8]。

展望未來，該設(shè)計(jì)方案將以其顯著地結(jié)構(gòu)、性能、工藝、成本優(yōu)勢(shì)極大地刺激消費(fèi)，加速校園桌椅更新?lián)Q代。

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2.3 設(shè)計(jì)過程問題的描述

結(jié)合TRIZ中發(fā)明問題的解決理論，我們將發(fā)明問題歸納為兩類：物理沖突和技術(shù)沖突。

首先，根據(jù)正常的使用習(xí)慣，人們普遍希望課桌椅在使用時(shí)高度合適，使用面積大，必要時(shí)要實(shí)現(xiàn)桌椅高度調(diào)節(jié);在桌椅處于備用狀態(tài)時(shí)，如進(jìn)行桌椅搬運(yùn)、存放甚至是攜帶時(shí)，其整體結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)便攜，這時(shí)就需要其體積要盡量小，以避免不必要的空間、人力、財(cái)力的浪費(fèi)。此時(shí)，問題就是如何實(shí)現(xiàn)一套桌椅的體積在使用時(shí)大，不使用時(shí)小，這是對(duì)系統(tǒng)的體積提出的兩個(gè)相反方向的設(shè)計(jì)要求，屬于物理沖突。

其次，既然要改變系統(tǒng)體積，就難免在設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)活動(dòng)部件和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，這就會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到一定程度上的影響，通過查閱TRIZ給出的39個(gè)工程參數(shù)，將這一沖突可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)沖突，即靜止物體體積與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的沖突。

此外，要想實(shí)現(xiàn)便攜，就應(yīng)盡量減少系統(tǒng)中元件數(shù)量，所以提出了桌椅一體化的設(shè)計(jì)思路。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)體積調(diào)節(jié)，還要增加體積調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。但是具體方案中就要面臨這樣一個(gè)問題，“一體化”過程會(huì)不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)變復(fù)雜？會(huì)不會(huì)使系統(tǒng)可操作性變差？通過對(duì)比查閱TRIZ給出的39個(gè)工程參數(shù)，這一沖突可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)沖突：物質(zhì)或事物的數(shù)量與可操作性之間的沖突、物質(zhì)或事物的數(shù)量與裝置復(fù)雜性之間的沖突。

2.4 基于TRIZ技術(shù)沖突解決原理的新型課桌椅創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)

依據(jù)系統(tǒng)的進(jìn)化路線，我們初步給出了解決方案的設(shè)計(jì)方向。對(duì)于物理沖突，主要應(yīng)用分離原理進(jìn)行解決。考慮到桌椅在使用時(shí)要求體積要大，不使用時(shí)要求體積要小，便說明兩種狀態(tài)存在時(shí)間差。因此，可以應(yīng)用時(shí)間分離原理對(duì)該物理沖突進(jìn)行解決。對(duì)此，我們需要設(shè)計(jì)或者尋找一種機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)以上兩種工作狀態(tài)甚至實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)變化。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)資料和大量專利[3]，我們選定了可實(shí)現(xiàn)伸縮功能的交叉機(jī)構(gòu)。

對(duì)于技術(shù)沖突：靜止物體體積與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的沖突。通過查閱沖突矩陣，TRIZ對(duì)相應(yīng)給出了28、34、35、40四條發(fā)明原理。其中34拋棄與修復(fù)原理和40復(fù)合材料原理對(duì)于桌椅這種簡(jiǎn)單系統(tǒng)來說會(huì)造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和成本提升，所以不予考慮。之后依據(jù)連續(xù)性變化和基于場(chǎng)控制系統(tǒng)的進(jìn)化方向，我們?cè)?8機(jī)械系統(tǒng)的替代原理和35參數(shù)變化原理的啟發(fā)下注意到重要兩點(diǎn)：換場(chǎng)、改變物體柔性。對(duì)于換場(chǎng)，我們選擇將靜態(tài)場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)場(chǎng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制;對(duì)于改變物體柔性，我們選擇改變機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)性變化。作為補(bǔ)充，考慮到方案設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)問題，對(duì)于技術(shù)沖突：物質(zhì)或事物的數(shù)量與可操作性/裝置復(fù)雜性之間的沖突，通過查閱沖突矩陣，我們得到了35、29、25、3、13、27、10等若干條發(fā)明原理。其中29氣動(dòng)與液壓結(jié)構(gòu)原理和25自服務(wù)原理工藝復(fù)雜，不便實(shí)現(xiàn);3局部質(zhì)量原理簡(jiǎn)單，但是勢(shì)必給結(jié)構(gòu)帶來新的改變。所以，上述原理不予考慮。對(duì)于35參數(shù)變化原理，我們選擇了改變物體柔性;對(duì)于10預(yù)操作原理，我們選擇了預(yù)先對(duì)物體進(jìn)行特殊安排;對(duì)于13反向原理，我們選擇了結(jié)構(gòu)多用性;對(duì)于27用低成本、不耐用物體代替昂貴、耐用物體原理，我們選擇了合適的結(jié)構(gòu)材料。

針對(duì)物理沖突，我們選定了可伸縮的交叉機(jī)構(gòu)。具體實(shí)施上，桌椅使用時(shí)機(jī)構(gòu)張開，不使用時(shí)機(jī)構(gòu)收緊。

針對(duì)第一個(gè)技術(shù)沖突，我們?cè)O(shè)計(jì)了滑道，使其一端與交叉機(jī)構(gòu)的一端固連;另一端滑動(dòng)，以便于整個(gè)機(jī)構(gòu)的變動(dòng)，我們還配備了定位銷，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)定位，這樣便可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)場(chǎng)與動(dòng)態(tài)場(chǎng)的相互轉(zhuǎn)換。為增加機(jī)構(gòu)柔性，我們改小了交叉機(jī)構(gòu)尺寸，增加了交叉機(jī)構(gòu)數(shù)量，即通過改變桌腿的節(jié)數(shù)增強(qiáng)了機(jī)構(gòu)的柔性?；琅c交叉機(jī)構(gòu)相互配合，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的場(chǎng)控制和連續(xù)性變化

針對(duì)第二個(gè)技術(shù)沖突，我們?cè)O(shè)計(jì)了連桿機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)桌椅“一體化”和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的預(yù)操作，為保證強(qiáng)度和相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置準(zhǔn)確度，采用了平面四桿機(jī)構(gòu)[4];為降低系統(tǒng)復(fù)雜度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)多用性，我們賦予椅子腿另一個(gè)功能：手柄。就是說，在桌椅收緊后，椅子腿可充當(dāng)新系統(tǒng)中手柄的角色;為降低成本和技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性，我們將承重機(jī)構(gòu)的材料選定為不銹鋼，將各板面材料選定為聚酯材料。

3 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

從技術(shù)上分析，該設(shè)計(jì)方案對(duì)于設(shè)計(jì)思路和要求中的場(chǎng)控制和連續(xù)性變化進(jìn)行了合理的實(shí)現(xiàn)。值得關(guān)注的是，該設(shè)計(jì)方案工藝性良好，整個(gè)制造過程僅涉及管材的切割、焊接、鉚接等工藝，幾乎不存在高精度的配合及其他技術(shù)要求，便于高效批量生產(chǎn)，且便于回收再利用。此外，該設(shè)計(jì)方案多采用市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便，均保證了生產(chǎn)過程的低成本，便于投入生產(chǎn)。

面對(duì)市場(chǎng)，課桌椅的設(shè)計(jì)主要是為學(xué)生、學(xué)校和運(yùn)輸搬運(yùn)者提供更優(yōu)化的使用功能，也包括制造商。對(duì)于學(xué)生，該設(shè)計(jì)方案便于使用與攜帶;對(duì)于學(xué)校，該設(shè)計(jì)方案便于存儲(chǔ)與管理;對(duì)于搬運(yùn)者，該設(shè)計(jì)方案便于運(yùn)輸和搬運(yùn);對(duì)于制造商，該設(shè)計(jì)方案節(jié)省工時(shí)，工藝簡(jiǎn)單，成本低，便于投產(chǎn)且生產(chǎn)效率高。表1為相同參數(shù)（如高度、面積相同）情況下，該設(shè)計(jì)方案的重要設(shè)計(jì)參數(shù)與已有產(chǎn)品相應(yīng)參數(shù)的對(duì)比[5]。

4 結(jié)論

該設(shè)計(jì)方案在完成初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)一組參數(shù)進(jìn)行了實(shí)物制作和系統(tǒng)強(qiáng)度校核，在不銹鋼壁厚1 mm，截面尺寸為10×15[6]時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)可承受至少200 kg的重量[7]，這對(duì)于學(xué)生來說是十分安全的。至于將該設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步投入生產(chǎn)，還需進(jìn)行更多參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)強(qiáng)度校驗(yàn)，即實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)方案的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化[8]。

展望未來，該設(shè)計(jì)方案將以其顯著地結(jié)構(gòu)、性能、工藝、成本優(yōu)勢(shì)極大地刺激消費(fèi)，加速校園桌椅更新?lián)Q代。

參考文獻(xiàn)

[1] 學(xué)生課桌椅國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[EB/OL].http： //www.ahkoo.com/news/118.htm.

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[4] 孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].高等教育出版社，2010：109-150.

[5] 桌椅價(jià)格批發(fā)商-阿里巴巴[EB/OL].http：//p4psearch.1688.com/p4p114/p4psearch/offer2.htm？keywords=%d7%c0%d2%ce%bc%db%b8%f1&cosite=baidujj&location=phrase&trackid=4014000003490694.

[6] 常用鋼管規(guī)格一覽表[EB/OL].http：//www.docin.com/p-403230080.html.

[7] 范慕輝，焦永樹.材料力學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010：55-173.

[8] 韋莉莉.推進(jìn)課桌椅標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的策略[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2014（3）：69-70.

2.3 設(shè)計(jì)過程問題的描述

結(jié)合TRIZ中發(fā)明問題的解決理論，我們將發(fā)明問題歸納為兩類：物理沖突和技術(shù)沖突。

首先，根據(jù)正常的使用習(xí)慣，人們普遍希望課桌椅在使用時(shí)高度合適，使用面積大，必要時(shí)要實(shí)現(xiàn)桌椅高度調(diào)節(jié);在桌椅處于備用狀態(tài)時(shí)，如進(jìn)行桌椅搬運(yùn)、存放甚至是攜帶時(shí)，其整體結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)便攜，這時(shí)就需要其體積要盡量小，以避免不必要的空間、人力、財(cái)力的浪費(fèi)。此時(shí)，問題就是如何實(shí)現(xiàn)一套桌椅的體積在使用時(shí)大，不使用時(shí)小，這是對(duì)系統(tǒng)的體積提出的兩個(gè)相反方向的設(shè)計(jì)要求，屬于物理沖突。

其次，既然要改變系統(tǒng)體積，就難免在設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)活動(dòng)部件和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，這就會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到一定程度上的影響，通過查閱TRIZ給出的39個(gè)工程參數(shù)，將這一沖突可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)沖突，即靜止物體體積與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的沖突。

此外，要想實(shí)現(xiàn)便攜，就應(yīng)盡量減少系統(tǒng)中元件數(shù)量，所以提出了桌椅一體化的設(shè)計(jì)思路。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)體積調(diào)節(jié)，還要增加體積調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。但是具體方案中就要面臨這樣一個(gè)問題，“一體化”過程會(huì)不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)變復(fù)雜？會(huì)不會(huì)使系統(tǒng)可操作性變差？通過對(duì)比查閱TRIZ給出的39個(gè)工程參數(shù)，這一沖突可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)沖突：物質(zhì)或事物的數(shù)量與可操作性之間的沖突、物質(zhì)或事物的數(shù)量與裝置復(fù)雜性之間的沖突。

2.4 基于TRIZ技術(shù)沖突解決原理的新型課桌椅創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)

依據(jù)系統(tǒng)的進(jìn)化路線，我們初步給出了解決方案的設(shè)計(jì)方向。對(duì)于物理沖突，主要應(yīng)用分離原理進(jìn)行解決?？紤]到桌椅在使用時(shí)要求體積要大，不使用時(shí)要求體積要小，便說明兩種狀態(tài)存在時(shí)間差。因此，可以應(yīng)用時(shí)間分離原理對(duì)該物理沖突進(jìn)行解決。對(duì)此，我們需要設(shè)計(jì)或者尋找一種機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)以上兩種工作狀態(tài)甚至實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)變化。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)資料和大量專利[3]，我們選定了可實(shí)現(xiàn)伸縮功能的交叉機(jī)構(gòu)。

對(duì)于技術(shù)沖突：靜止物體體積與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的沖突。通過查閱沖突矩陣，TRIZ對(duì)相應(yīng)給出了28、34、35、40四條發(fā)明原理。其中34拋棄與修復(fù)原理和40復(fù)合材料原理對(duì)于桌椅這種簡(jiǎn)單系統(tǒng)來說會(huì)造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和成本提升，所以不予考慮。之后依據(jù)連續(xù)性變化和基于場(chǎng)控制系統(tǒng)的進(jìn)化方向，我們?cè)?8機(jī)械系統(tǒng)的替代原理和35參數(shù)變化原理的啟發(fā)下注意到重要兩點(diǎn)：換場(chǎng)、改變物體柔性。對(duì)于換場(chǎng)，我們選擇將靜態(tài)場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)場(chǎng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制;對(duì)于改變物體柔性，我們選擇改變機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)性變化。作為補(bǔ)充，考慮到方案設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)問題，對(duì)于技術(shù)沖突：物質(zhì)或事物的數(shù)量與可操作性/裝置復(fù)雜性之間的沖突，通過查閱沖突矩陣，我們得到了35、29、25、3、13、27、10等若干條發(fā)明原理。其中29氣動(dòng)與液壓結(jié)構(gòu)原理和25自服務(wù)原理工藝復(fù)雜，不便實(shí)現(xiàn);3局部質(zhì)量原理簡(jiǎn)單，但是勢(shì)必給結(jié)構(gòu)帶來新的改變。所以，上述原理不予考慮。對(duì)于35參數(shù)變化原理，我們選擇了改變物體柔性;對(duì)于10預(yù)操作原理，我們選擇了預(yù)先對(duì)物體進(jìn)行特殊安排;對(duì)于13反向原理，我們選擇了結(jié)構(gòu)多用性;對(duì)于27用低成本、不耐用物體代替昂貴、耐用物體原理，我們選擇了合適的結(jié)構(gòu)材料。

針對(duì)物理沖突，我們選定了可伸縮的交叉機(jī)構(gòu)。具體實(shí)施上，桌椅使用時(shí)機(jī)構(gòu)張開，不使用時(shí)機(jī)構(gòu)收緊。

針對(duì)第一個(gè)技術(shù)沖突，我們?cè)O(shè)計(jì)了滑道，使其一端與交叉機(jī)構(gòu)的一端固連;另一端滑動(dòng)，以便于整個(gè)機(jī)構(gòu)的變動(dòng)，我們還配備了定位銷，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)定位，這樣便可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)場(chǎng)與動(dòng)態(tài)場(chǎng)的相互轉(zhuǎn)換。為增加機(jī)構(gòu)柔性，我們改小了交叉機(jī)構(gòu)尺寸，增加了交叉機(jī)構(gòu)數(shù)量，即通過改變桌腿的節(jié)數(shù)增強(qiáng)了機(jī)構(gòu)的柔性。滑道與交叉機(jī)構(gòu)相互配合，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的場(chǎng)控制和連續(xù)性變化

針對(duì)第二個(gè)技術(shù)沖突，我們?cè)O(shè)計(jì)了連桿機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)桌椅“一體化”和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的預(yù)操作，為保證強(qiáng)度和相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置準(zhǔn)確度，采用了平面四桿機(jī)構(gòu)[4];為降低系統(tǒng)復(fù)雜度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)多用性，我們賦予椅子腿另一個(gè)功能：手柄。就是說，在桌椅收緊后，椅子腿可充當(dāng)新系統(tǒng)中手柄的角色;為降低成本和技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性，我們將承重機(jī)構(gòu)的材料選定為不銹鋼，將各板面材料選定為聚酯材料。

3 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

從技術(shù)上分析，該設(shè)計(jì)方案對(duì)于設(shè)計(jì)思路和要求中的場(chǎng)控制和連續(xù)性變化進(jìn)行了合理的實(shí)現(xiàn)。值得關(guān)注的是，該設(shè)計(jì)方案工藝性良好，整個(gè)制造過程僅涉及管材的切割、焊接、鉚接等工藝，幾乎不存在高精度的配合及其他技術(shù)要求，便于高效批量生產(chǎn)，且便于回收再利用。此外，該設(shè)計(jì)方案多采用市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便，均保證了生產(chǎn)過程的低成本，便于投入生產(chǎn)。

面對(duì)市場(chǎng)，課桌椅的設(shè)計(jì)主要是為學(xué)生、學(xué)校和運(yùn)輸搬運(yùn)者提供更優(yōu)化的使用功能，也包括制造商。對(duì)于學(xué)生，該設(shè)計(jì)方案便于使用與攜帶;對(duì)于學(xué)校，該設(shè)計(jì)方案便于存儲(chǔ)與管理;對(duì)于搬運(yùn)者，該設(shè)計(jì)方案便于運(yùn)輸和搬運(yùn);對(duì)于制造商，該設(shè)計(jì)方案節(jié)省工時(shí)，工藝簡(jiǎn)單，成本低，便于投產(chǎn)且生產(chǎn)效率高。表1為相同參數(shù)（如高度、面積相同）情況下，該設(shè)計(jì)方案的重要設(shè)計(jì)參數(shù)與已有產(chǎn)品相應(yīng)參數(shù)的對(duì)比[5]。

4 結(jié)論

該設(shè)計(jì)方案在完成初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)一組參數(shù)進(jìn)行了實(shí)物制作和系統(tǒng)強(qiáng)度校核，在不銹鋼壁厚1 mm，截面尺寸為10×15[6]時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)可承受至少200 kg的重量[7]，這對(duì)于學(xué)生來說是十分安全的。至于將該設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步投入生產(chǎn)，還需進(jìn)行更多參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)強(qiáng)度校驗(yàn)，即實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)方案的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化[8]。

展望未來，該設(shè)計(jì)方案將以其顯著地結(jié)構(gòu)、性能、工藝、成本優(yōu)勢(shì)極大地刺激消費(fèi)，加速校園桌椅更新?lián)Q代。

參考文獻(xiàn)

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[5] 桌椅價(jià)格批發(fā)商-阿里巴巴[EB/OL].http：//p4psearch.1688.com/p4p114/p4psearch/offer2.htm？keywords=%d7%c0%d2%ce%bc%db%b8%f1&cosite=baidujj&location=phrase&trackid=4014000003490694.

[6] 常用鋼管規(guī)格一覽表[EB/OL].http：//www.docin.com/p-403230080.html.

[7] 范慕輝，焦永樹.材料力學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010：55-173.

[8] 韋莉莉.推進(jìn)課桌椅標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的策略[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2014（3）：69-70.