基于TRIZ理論的變速安全蹺蹺板創(chuàng)新設(shè)計(jì)

葛慶 汪崟

關(guān)鍵詞：TRIZ理論 蹺蹺板 功能 矛盾分析 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

引言

TRIZ（發(fā)明問題解決理論）找到了不同技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的共同客觀規(guī)律，能夠?qū)⒗щy的創(chuàng)新問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問題指導(dǎo)發(fā)明創(chuàng)造。其主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括：解決工程問題，競爭專利規(guī)避，與產(chǎn)品研發(fā)體系的集成，失效預(yù)測分析，可持續(xù)設(shè)計(jì)，技術(shù)預(yù)測等。從二十世紀(jì)50年代至今，逐漸成為科學(xué)家、發(fā)明家以及工程師解決問題的有力武器。我國近20年三大TRIZ研究熱點(diǎn)[1]主要集中在①TRIZ、發(fā)明問題解決理論、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，②創(chuàng)新、概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)，③關(guān)聯(lián)模型、工業(yè)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)方法。TRIZ理論體系在解決創(chuàng)新問題上擁有強(qiáng)大優(yōu)勢，對工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新需求高度契合。

蹺蹺板是一種古老而傳統(tǒng)的游戲用具?；窘Y(jié)構(gòu)是在狹長而厚的木板中間安裝轉(zhuǎn)軸，然后連接在支架上，兩人對坐兩端，輪流用腳蹬地，使一端蹺起，另一端下落，如此反復(fù)，體驗(yàn)樂趣，是中國傳統(tǒng)趣味文化的體現(xiàn)。目前，常用的蹺蹺板采用的基本是一整根力臂，當(dāng)雙方以較快的速度運(yùn)動，一方到達(dá)底部碰地則會突然停止，由于存在瞬心加速度[2]，此時另一方則會繼續(xù)以較快的速度向上運(yùn)動，如果手握不住或體重較小，則會被拋向空中，從而造成事故。尤其對于兒童以及體弱或有生理缺陷的人來說，缺少一套既能保障使用安全又充滿樂趣的蹺蹺板用具。

目前生活中能夠見到的蹺蹺板產(chǎn)品基本都是簡單的外觀變化與功能疊加，創(chuàng)新面較狹窄，創(chuàng)新點(diǎn)較單一。創(chuàng)新方法依然延續(xù)了試錯法或者經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，創(chuàng)新效果有限。雖然使用了發(fā)散性思維搜索問題解決辦法，但所需創(chuàng)新的人力與時間很大，造成效率低下和資源浪費(fèi)。

本研究將以此為背景，使用TRIZ理論工具全面深入剖析這一古老而有趣的技術(shù)系統(tǒng)，進(jìn)行可變速安全蹺蹺板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，形成一套可行的解決方案，實(shí)現(xiàn)蹺蹺板的深層使用功能，提升產(chǎn)品的社會價(jià)值。

一、研究流程

TRIZ解決問題的基本思路是將具體問題轉(zhuǎn)化為典型問題，然后根據(jù)問題屬性有針對性地應(yīng)用不同TRIZ工具獲得典型解決方案模型。因此，研究流程主要分為問題描述、問題分析、問題解決、方案設(shè)計(jì)四步驟（見圖1）。

問題描述階段，將對蹺蹺板技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行功能定義與組件分析。問題分析階段，將構(gòu)建蹺蹺板系統(tǒng)功能模型，進(jìn)行系統(tǒng)功能裁剪，除去負(fù)面功能的組件，獲得新系統(tǒng)功能模型;并針對問題原因進(jìn)行系統(tǒng)因果分析，確定解決問題突破點(diǎn)。問題解決階段，利用TRIZ矛盾工具進(jìn)行蹺蹺板系統(tǒng)的技術(shù)矛盾與物理矛盾分析，查詢矛盾矩陣得到所對應(yīng)的發(fā)明原理，結(jié)合蹺蹺板系統(tǒng)實(shí)際情況確定典型解決方案，獲得若干創(chuàng)新概念。最后進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，將創(chuàng)新概念圖示化設(shè)計(jì)并進(jìn)行模型驗(yàn)證。

二、研究過程

（一）問題描述

1.系統(tǒng)功能定義

TRIZ所界定的功能是對產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)特定工作能力抽象化的描述[3]，采用SVOP定義法 [4]來規(guī)范。其中，S表示技術(shù)系統(tǒng)或功能載體名稱，V表示施加動作，O表示作用對象，P表示作用對象“被改變或保持的”參數(shù)。

如圖2，對傳統(tǒng)蹺蹺板技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行功能定義，作為功能載體的蹺蹺板，對人體施加了移動作用，使之產(chǎn)生了速度和高度上的變化?？傻霉δ芏x公式：S+V+O+P=蹺蹺板系統(tǒng)+移動+人體+高度/速度。

2.系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)功能分析是將抽象的技術(shù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為具體的組件列表，并從完成功能的角度分析系統(tǒng)組件之間的關(guān)系。以便于設(shè)計(jì)者了解產(chǎn)品所需具備的功能與特征，或者通過定義與描述系統(tǒng)組件所需達(dá)到的功能，以及組件之間和與外界環(huán)境的相互作用來分析整體系統(tǒng)，能夠協(xié)助設(shè)計(jì)人員化繁為簡，合理地進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

（1）組件拆分。組件一般是指組成技術(shù)系統(tǒng)或超系統(tǒng)的一個組成部分，是由物質(zhì)或者場組成的一個物體[5]。通過系統(tǒng)組件拆分，可識別技術(shù)系統(tǒng)的組件及其超系統(tǒng)組件，從而得到系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件列表。對傳統(tǒng)蹺蹺板技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行組件分析，可獲得組件列表。如表1所示，超系統(tǒng)組件為重力場，人體與地面;系統(tǒng)組件為支架、橫桿;子系統(tǒng)組件包括支架內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸、底座等，及橫桿內(nèi)的座椅、扶手等。

（2）組件相互作用分析

為了全面識別系統(tǒng)組件及超系統(tǒng)組件之間的相互關(guān)系，以免遺漏，可通過構(gòu)建相互作用矩陣進(jìn)行相互作用分析。組件之間的作用分為兩種，一種是物質(zhì)與物質(zhì)的作用，一般都是雙向的，兩個作用都要考慮，然后根據(jù)需要選擇主要作用來重點(diǎn)分析，次要作用可忽略;另一種是物質(zhì)與場的作用，一般是單向的，要判斷正確的作用方向。

傳統(tǒng)蹺蹺板技術(shù)系統(tǒng)可確定需要分析的組件和子組件為支架、橫桿、扶手、重力場、人體及地面。通過構(gòu)建蹺蹺板各組件的相互作用矩陣表（見表2），將豎列的各組件依次與橫列的各組件進(jìn)行作用分析，可以得出組件相互間的主要功能為：支架固定著力臂橫桿使其能夠旋轉(zhuǎn);橫桿固定著扶手，同時帶動人體產(chǎn)生升降;扶手讓人抓握固定住人體;重力場使人體下降;地面支撐支架。

（二）問題分析

1.建立系統(tǒng)功能模型

根據(jù)蹺蹺板技術(shù)系統(tǒng)功能定義公式“S+V+O+P=蹺蹺板系統(tǒng)+移動+人體+高度/速度”，構(gòu)建系統(tǒng)功能模型（見圖3）。通過分析該圖中組件功能發(fā)現(xiàn)：⑴支架對橫桿的旋轉(zhuǎn)作用，⑵橫桿對扶手固定作用，⑶扶手對人體的固定作用，三處功能均會出現(xiàn)不安全因素，屬于系統(tǒng)功能提供不足，用紅色虛線箭頭表示。

2.系統(tǒng)裁剪

系統(tǒng)裁剪即根據(jù)系統(tǒng)需要嘗試將系統(tǒng)中的某些帶負(fù)面功能的組件進(jìn)行裁剪[6]，同時把其有用功能提取出來，讓系統(tǒng)中的其他組件（包括新引入的組件和原有組件）或超系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)這個功能，從而達(dá)到精簡組件數(shù)量，降低成本，提高系統(tǒng)理想度的目的。通過裁剪既消除了負(fù)面功能又保證所執(zhí)行的有用功能依舊存在，提高系統(tǒng)理想化程度，更好地利用系統(tǒng)內(nèi)外資源。

系統(tǒng)負(fù)面功能主要包括，不足、有害和過度，因此對圖3所示系統(tǒng)功能模型可進(jìn)行的裁剪操作包括：⑴對產(chǎn)生不足功能的組件橫桿、扶手進(jìn)行裁剪，⑵對功能與支架相似的組件進(jìn)行合并，⑶對相同特征相似操作的重復(fù)組件進(jìn)行合并[7]，⑷對超系統(tǒng)組件地面裁剪。在SVOP功能定義保持不變下，最終獲得新模型（見圖4）。該模型將蹺蹺板系統(tǒng)精簡為在重力場對人體下降作用同時，支架對人體的升降作用。

3.因果分析

在因果分析中，通過構(gòu)建因果鏈，找出引發(fā)該問題的根本原因，分析出結(jié)果與根本原因之間存在的一系列因果關(guān)系，可為解決問題尋找入手點(diǎn)。在因果分析中要同時尋找內(nèi)因和外因，內(nèi)因是產(chǎn)生結(jié)果的根據(jù)，外因是產(chǎn)生結(jié)果的條件，這樣做有助于對問題進(jìn)行全面細(xì)致的分析。

如圖5所示，圍繞傳統(tǒng)蹺蹺板系統(tǒng)最核心的安全問題“乘坐者被甩出”，通過繪制因果鏈發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致該的直接原因主要包含“握力不足”“固定不足”“體重不足”“上升太快”“上升太高”等五方面。其中，“握力不足”主要由內(nèi)因“力氣太小”與外因“摩擦力不足”導(dǎo)致;“固定不足”主要由內(nèi)因“怕麻煩”與外因“缺少固定點(diǎn)”導(dǎo)致;“體重不足”主要由內(nèi)因“雙方體重不匹配”與外因“缺少體重限制”導(dǎo)致;“上升太快”主要由內(nèi)因“尋求刺激”與外因“缺少限速”導(dǎo)致;“上升太高”主要由主要由內(nèi)因“尋求刺激”與外因“旋轉(zhuǎn)角度太大”導(dǎo)致。

查詢近三年蹺蹺板發(fā)明專利，可得目前的蹺蹺板創(chuàng)新設(shè)計(jì)主要集中于四個方面：①解決兩邊游戲者體重不同的問題：用磁吸改變下降的力，單邊邊增加配重塊，通過伸縮改變一邊的力臂長短，多人單側(cè)玩，調(diào)節(jié)擺動幅度，增加助力等;②解決乘坐者安全防護(hù)的問題：座椅充氣，底部加緩沖彈簧，防砸與固定腳;③增加其他功能裝置：風(fēng)扇，屋頂，互聯(lián)網(wǎng)，搖籃等;④增加娛樂性：聲光電，與其他娛樂器材結(jié)合，如滑滑梯、秋千、蹦床，與其它建身器材結(jié)合，如仰臥起坐器等。

其中①和②已對因果鏈中的“握力不足”“固定不足”“體重不足”等原因提出了若干解決方案，在此不作為分析重點(diǎn)。而導(dǎo)致乘坐者被甩出的“上升太快”和“上升太高”，則可成為創(chuàng)新突破點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

（三）解決問題

大量技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐證明，矛盾分析與40條發(fā)明原理是目前最常用、貢獻(xiàn)度最高的TRIZ工具[8]。產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)要解決發(fā)明問題，解決至少一個設(shè)計(jì)沖突是其標(biāo)志。因此，利用TRIZ工具對蹺蹺板系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的根本任務(wù)就是解決系統(tǒng)中存在的矛盾沖突。通過提取系統(tǒng)矛盾，查詢矛盾矩陣，即可到若干有用的發(fā)明原理，對其進(jìn)行具體應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)便可獲得新的概念方案。

1.技術(shù)矛盾分析引入一種有用功能而導(dǎo)致產(chǎn)生一種有害功能，即構(gòu)成了一對技術(shù)矛盾。技術(shù)矛盾分析分為兩步驟：⑴確定技術(shù)參數(shù)，⑵查詢技術(shù)矛盾矩陣得到對應(yīng)的發(fā)明原理。在因果分析中已明確，導(dǎo)致“乘坐者被甩出”這種不安全結(jié)果的重要原因?yàn)椤吧仙臁焙汀吧仙摺?。由此分析，傳統(tǒng)蹺蹺板技術(shù)系統(tǒng)存在兩對技術(shù)矛盾：游戲時運(yùn)動速度快導(dǎo)致產(chǎn)生安全性降低;游戲時運(yùn)動高度高導(dǎo)致產(chǎn)生安全性降低。根據(jù)查詢TRIZ理論39個通用工程參數(shù)，代表快慢的技術(shù)參數(shù)為“速度”，代表高度的技術(shù)參數(shù)為“運(yùn)動物體尺寸”，都屬于需要改善的技術(shù)參數(shù);惡化的技術(shù)參數(shù)為“安全性”。可提取的兩對技術(shù)矛盾分別為：“速度”——“安全性”;“運(yùn)動物體尺寸”——“安全性”。通過查詢TRIZ技術(shù)矛盾矩陣，可獲得解決該矛盾的發(fā)明原理（見表3）。

2.物理矛盾分析TRIZ指出，在絕大多數(shù)情況下技術(shù)矛盾都可以轉(zhuǎn)化為物理矛盾[9]。對同一系統(tǒng)的同一個工程參數(shù)提出了互斥的要求，即構(gòu)成物理矛盾。蹺蹺板技術(shù)矛盾所反應(yīng)出的本質(zhì)問題，是如何在提高游戲樂趣的同時，讓乘坐者的安全性也能夠得到保障。我們可以發(fā)現(xiàn)，乘坐者在改變升降幅度和快慢的過程中尋求刺激體驗(yàn)樂趣，是要求蹺蹺板具有不穩(wěn)定性，而乘坐者所需要的安全保障，是要求蹺蹺板具有良好的穩(wěn)定性，因此，蹺蹺板對“穩(wěn)定性”提出了互斥的要求。根據(jù)TRIZ理論39個通用工程參數(shù)，可將技術(shù)參數(shù)“穩(wěn)定性”，作為該蹺蹺板系統(tǒng)的物理矛盾。查詢TRIZ 2003矛盾矩陣對角線處物理矛盾的解決方案，可獲得相應(yīng)的發(fā)明原理（見表4）。

3.確定概念方案將技術(shù)矛盾查詢與物理矛盾查詢所獲得發(fā)明原理進(jìn)行比較，重復(fù)多次出現(xiàn)發(fā)明原理作為重點(diǎn)可應(yīng)用對象進(jìn)行概念拓展。對比表3與表4，技術(shù)矛盾“速度——安全性”與解決物理矛盾“穩(wěn)定性”的對應(yīng)重復(fù)出現(xiàn)發(fā)明原理編號是24、10、2;技術(shù)矛盾“運(yùn)動物體的尺寸——安全性”與解決物理矛盾“穩(wěn)定性”的對應(yīng)重復(fù)出現(xiàn)發(fā)明原理編號是35、5、1、2。其中重復(fù)次數(shù)最多的發(fā)明原理編號2 將重點(diǎn)挖掘。

分別對上述發(fā)明原理進(jìn)行具體應(yīng)用（見表5），我們可得到若干創(chuàng)新概念方案。

三、方案設(shè)計(jì)展示

將表5中的文字概念方案描述進(jìn)行功能外觀結(jié)構(gòu)圖示化設(shè)計(jì)，可獲得“滑桿式蹺蹺板”等多項(xiàng)設(shè)計(jì)方案。

（一）滑桿式蹺蹺板方案展示本方案應(yīng)用發(fā)明原理2——抽出原理，抽出“支點(diǎn)”進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將蹺蹺板繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的簡單運(yùn)動改變?yōu)檩^復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動，以控制升降幅度與速度。

如圖7所示，主要組件包括可左右移動的支撐車，滑軌、滑塊、連桿組成的傳動機(jī)構(gòu)，以及一端固定在滑桿上的座椅桿。

如圖8所示，運(yùn)動過程中，當(dāng)乘坐者腳蹬支撐車一端時，支撐車向另一端滑動，帶動連桿運(yùn)動而使滑塊發(fā)生向上滑動，又帶動上部連桿推動座椅桿產(chǎn)生傾斜升降。左右乘坐者交替蹬支撐車，從而使座椅桿交替升降。由于兩個座椅桿轉(zhuǎn)動時有速度差，座椅桿上升過程中從最低點(diǎn)移動到最高點(diǎn)是做減速運(yùn)動，減小了傳統(tǒng)蹺蹺板左右等速運(yùn)動存在的瞬心加速度，避免了傳統(tǒng)蹺蹺板以較快速度移動到頂部時可能發(fā)生的事故，安全性能更高。根據(jù)該運(yùn)動原理，本方案除圖6、7所示外，還存在很多其他變形。

（二）其他蹺蹺板方案設(shè)計(jì)展示座椅升降式蹺蹺板，見圖8 ?。該方案應(yīng)用發(fā)明原理2——抽出原理，抽出負(fù)面影響“上升高度”問題。將座椅扶手組件設(shè)計(jì)為可滑動。

當(dāng)一邊升高時，該邊座椅會沿滑軌自動下滑一定高度，同時另一邊座椅下滑回原始位置。如此往復(fù)，通過降低上升者高度，解決乘坐者被甩出的安全問題。

旋轉(zhuǎn)式蹺蹺板，見圖8 ?。該方案應(yīng)用發(fā)明原理24——中介原理，將傳統(tǒng)蹺蹺板結(jié)構(gòu)上的單支點(diǎn)設(shè)計(jì)為滑桿圈與可控速圓弧滑軌，控制旋轉(zhuǎn)速度與幅度。通過圓弧滑軌控制滑桿的旋轉(zhuǎn)速度與角度，進(jìn)而控制蹺蹺板升降速度與高度，以增加其安全性。

移動伸縮式蹺蹺板，見圖8?。該方案應(yīng)用發(fā)明原理10——預(yù)想作用原理，在力臂桿上部與底部均設(shè)置滑軌，可預(yù)先左右滑動伸縮，力臂桿位置和長短，滿足不同體重者游戲，同時改變升降高度，提高安全性。

充氣式蹺蹺板，見圖8?。該方案應(yīng)用發(fā)明原理35——狀態(tài)和參數(shù)變化原理，將蹺蹺板兩邊升降支架設(shè)計(jì)為可充氣氣囊，中間連接通氣閥。游戲時，通氣閥分別可對兩邊的伸縮氣囊進(jìn)行充氣與放氣，帶動乘坐者同時升降或先后升降。

同向式蹺蹺板，見圖8 ?。該方案是發(fā)明原理1——分離原理的應(yīng)用。將傳統(tǒng)蹺蹺板的單支點(diǎn)進(jìn)行分割，成為兩個獨(dú)立的齒輪傳動裝置。在游戲的過程中，通過齒輪機(jī)構(gòu)傳動，使兩邊可同方向升降，增加安全感與趣味性。

四、實(shí)物模型驗(yàn)證

以滑桿式蹺蹺板為例，使用3D打印技術(shù)對其進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)測試，如圖9所示，驗(yàn)證了該方案能夠初步實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單可靠，占地面積小，使用壽命長，功能新穎，市場價(jià)值大，目前已獲國家發(fā)明專利授權(quán)。

結(jié)語

本文運(yùn)用TRIZ理論中的功能定義和組件分析工具建立蹺蹺板技術(shù)系統(tǒng)功能模型;圍繞蹺蹺板乘坐安全性問題進(jìn)行因果分析，獲得創(chuàng)新突破點(diǎn);再使用矛盾分析工具獲得相應(yīng)發(fā)明創(chuàng)造原理和概念方案;最后進(jìn)行了方案外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)物模型驗(yàn)證。本次設(shè)計(jì)實(shí)踐中，通過TRIZ理論相關(guān)工具使用，同時獲得了6項(xiàng)可行性較高的設(shè)計(jì)方案，極大提高了創(chuàng)新設(shè)計(jì)效率，增加了專利數(shù)量，提升了專利質(zhì)量。后續(xù)將進(jìn)一步對概念方案進(jìn)行拓展設(shè)計(jì)，在保障蹺蹺板運(yùn)動安全性的前提下，對變速運(yùn)動進(jìn)行精細(xì)化與量化研究，深化功能可行性驗(yàn)證。