基于Triz理論的一種6自由度4D座椅的設(shè)計

潘峰

摘 ?要：本文通過分析市場現(xiàn)有4D座椅，采用Triz理論設(shè)計了一種新型6自由度4D座椅。該座椅采用原有3-RPS型4D座椅增加3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的方式實現(xiàn)了具有大工作空間、全運動模擬能力的功能。3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有俯仰、搖擺、上下運動能力，3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有前后、左右、旋轉(zhuǎn)運動能力，因此新型6自由度4D座椅具有3-RPS型4D座椅的優(yōu)點，同時彌補(bǔ)了自由度數(shù)少的缺點。

關(guān)鍵詞：4D座椅：Triz理論;并聯(lián)機(jī)構(gòu)

引言

4D影院是在3D影院的基礎(chǔ)上增加運動的功能，使觀眾獲得更佳的觀影體驗。4D影院的核心設(shè)備是4D座椅，4D座椅可根據(jù)影片內(nèi)容運動而使觀眾跟著劇情動起來。并聯(lián)機(jī)構(gòu)因具有高速度、高加速度、高負(fù)載能力等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于4D座椅的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。市場上的4D座椅多是采用3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)與6-UPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)。3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)是可執(zhí)行兩維轉(zhuǎn)動一維移動的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，此類4D座椅可給觀眾帶來俯仰運動、搖擺運動與上下運動的體感，具有結(jié)構(gòu)簡單、動作幅度大、可模擬激烈運動的優(yōu)點，但運動模擬能力較弱。6-UPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)是可執(zhí)行6個自由度運動的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，此類4D座椅可給觀眾帶來上下運動、左右運動、前后運動、俯仰運動、搖擺運動與旋轉(zhuǎn)運動的體感，具有全運動模擬能力的優(yōu)點，但其動作幅度小且激烈運動的模擬能力較弱。因此，發(fā)明一種既具有全運動模擬能力又具有動作幅度大且可模擬激烈運動的4D座椅是市場的需求。

Triz理論是阿奇舒勒在分析大量專利的基礎(chǔ)上提出來的一種實用的發(fā)明方法。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，該理論的發(fā)明方法已經(jīng)非常成熟，時至今日依然發(fā)揮著重要作用。杜超基于TRIZ理論改進(jìn)設(shè)計了一種平托裝置平移架結(jié)構(gòu)^[1]。張永慧通過Triz理論發(fā)明了一種智能加熱加壓輸液裝置^[2]。王日輝根據(jù)Triz理論設(shè)計了一種齒輪裝夾系統(tǒng)^[3]。沈嶸楓采用Triz理論設(shè)計了一種育苗容器自動裝盤裝置^[4]。

本文通過Triz理論發(fā)明了一種新型6自由度4D座椅設(shè)備，該座椅采用3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)與3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)合的方式成功解決了市場上6-UPS型座椅運動幅度小且激烈運動模擬能力弱的問題。

1、Triz理論介紹

1.1、Triz理論發(fā)明過程

1、分析現(xiàn)有產(chǎn)品存在的問題以及期望實現(xiàn)的功能;

2、尋找相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，包括需要減少的與需要增加的

3、根據(jù)矛盾矩陣尋找方法;

4、討論各種方法的可行性并確定最優(yōu)解決方案。

1.2、Triz理論最重要的內(nèi)容^[5]是工程參數(shù)（表1所示）、發(fā)明原理（表2所示）和矛盾矩陣。

2、現(xiàn)有4D座椅的問題

2.1、3-RPS型4D座椅

2.1.1 3-RPS型4D座椅簡介

如圖1所示，3-RPS型4D座椅由機(jī)架、3條RPS支鏈與座椅組成，其中R代表轉(zhuǎn)動副、P代表移動副、S代表球副，移動副P為主動副。3個主動副P的運動可通過3條支鏈帶動座椅做俯仰、搖擺和上下運動，因此不能進(jìn)行復(fù)雜運動的模擬。觀眾坐在座椅上可獲得3個自由度的運動體感。

2.1.2 該類座椅優(yōu)缺點

該座椅的優(yōu)點為：結(jié)構(gòu)簡單緊湊，動作幅度大、可模擬激烈運動。

該座椅的缺點為：自由度少，不能模擬復(fù)雜的運動，運動模擬能力弱。

2.2、6-UPS型4D座椅

2.2.1 6-UPS型4D座椅簡介

如圖2所示，6-UPS型4D座椅由機(jī)架、6條UPS支鏈與座椅組成，其中U代表虎克鉸、P代表移動副、S代表球副，移動副P為主動副。6個主動副P的運動可通過6條支鏈帶動座椅做俯仰、搖擺、旋轉(zhuǎn)、前后、左右和上下運動，因此可實現(xiàn)復(fù)雜運動的模擬。觀眾坐在座椅上可獲得6個自由度的運動體感。

2.2.2 該類座椅優(yōu)缺點

該座椅的優(yōu)點為：具有6自由度運動模擬能力。

該座椅的缺點為：運動幅度小，激烈運動模擬能力弱。

3 基于Triz理論的新型4D座椅的設(shè)計

3.1、分析現(xiàn)有產(chǎn)品存在的問題以及期望實現(xiàn)的功能

上節(jié)分析了兩種市場上的4D座椅，分別是3-RPS型4D座椅和6-UPS型4D座椅，這兩種座椅各有優(yōu)缺點，現(xiàn)設(shè)計的新型4D座椅期望具有這兩種座椅的優(yōu)點且盡量避免這兩種座椅的缺點。因此，新型座椅期望實現(xiàn)的功能為：具有6自由度全運動模擬能力，具有較大的運動空間，具有激烈運動的模擬能力。

3.2、尋找相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)

新型座椅需要減少自身運動空間小帶來的問題，因此對應(yīng)需要減少的技術(shù)參數(shù)是（31）物體產(chǎn)生的有害因素“指的是6-UPS型4D座椅由自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的運動空間小的問題”。同時，新型座椅還需滿足全運動模擬能力，對應(yīng)需要增加的技術(shù)參數(shù)是（26）物質(zhì)或事物的數(shù)量“指的是3-RPS型4D座椅需要提高自身自由度數(shù)來適應(yīng)全運動模擬能力的需要”。

3.3、根據(jù)矩陣查找方法

在矛盾矩陣中查得方法為：3 35 40 39：

3局部性質(zhì)原則

a.從物體或外部介質(zhì)（外部作用）的一致結(jié)構(gòu)過渡到不一致結(jié)構(gòu)。

b.物體的不同部分應(yīng)當(dāng)具有不同的功能。

c.物體的每一部分均應(yīng)具備最適于它工作的條件。

35改變物體聚合態(tài)原則

這里包括的不僅是簡單的過渡，例如從固態(tài)過渡到液態(tài)，還有向“假態(tài)”（假液態(tài)）和中間狀態(tài)的過渡。

40利用混合材料原則

由同種材料轉(zhuǎn)為混合材料。

39采用惰性介質(zhì)原則

a、用惰性介質(zhì)代替普通介質(zhì)。

b、在真空中進(jìn)行某過程。

3.4、確定最優(yōu)解決方案

考慮實際情況，本文采用“3局部性質(zhì)原則，b物體的不同部分應(yīng)當(dāng)具有不同的功能及c物體的每一部分均應(yīng)具備最適于它工作的條件”來設(shè)計新的4D座椅。3-RPS型4D座椅與6-UPS型4D座椅相比具有運動幅度大、激烈運動模擬能力強(qiáng)的優(yōu)點，同時具有自由度數(shù)少而導(dǎo)致的運動模擬能力弱的問題。新的座椅功能只需在3-RPS型4D座椅的基礎(chǔ)上增加缺少的運動能力，即增加前后、左右及旋轉(zhuǎn)運動功能，這樣可認(rèn)為是3-RPS型4D座椅具備部分功能，新增結(jié)構(gòu)作為另一部分功能?？紤]到3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有左右、前后及旋轉(zhuǎn)運動能力，如圖3所示，因此可作為補(bǔ)充部分與3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)合成新的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，即3-RRR+3-PRS型6自由度4D座椅，如圖4所示。3-RRR+3-PRS型6自由度4D座椅具有6自由度全運動模擬能力，具有較大的運動空間，具有激烈運動的模擬能力，符合最初的設(shè)計理念。

4、結(jié)論與建議

綜上所述，本文通過Triz理論設(shè)計了一種新型6自由度4D座椅，該座椅采用原有3-RPS型4D座椅增加3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的方式實現(xiàn)了具有大工作空間、全運動模擬能力的功能，具有很好的市場應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜超，劉浩，陳俊杰.基于TRIZ理論的平托裝置平移架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計[J].晉中學(xué)院學(xué)報，2021，38（03）：44-47.

[2] 張永慧，馬筱佳，王婷婷，劉歡，李佳鑫，李國利.基于TRIZ理論的一種智能加熱加壓輸液裝置設(shè)計[J].科技風(fēng)，2021（16）：1-2.

[3] 王曰輝.基于TRIZ理論的齒輪裝夾系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2021（05）：124-127.

[4] 沈嶸楓，陳鑫，謝詩妍，高銳，陳志強(qiáng).基于TRIZ理論的育苗容器自動裝盤裝置設(shè)計[J].南方農(nóng)機(jī)，2021，52（08）：84-86.

[5] https：//wenku.baidu.com/view/52c8a99edd88d0d233d46a2b.html