基于功能分析與TRIZ的林果采摘裝置概念設計

于慧伶　郭潔　陳廣勝

摘要 傳統的依賴于產品研發人員經驗與靈感的設計方法已經無法滿足使用者快速、高質量的功能需求。筆者提出將功能分析與TRIZ矛盾解決工具相結合的林果采摘裝置概念設計方法，以采摘剪為例從功能角度加以分析，建立功能模型，挖掘其中的不足功能，應用39個通用工程參數和40條發明原理描述和解決問題功能，從而縮短研發時間，實現林果采摘創新設計。研究表明該方法在林果采摘裝置設計過程中具有創新加強和有效性。

關鍵詞 功能分析；TRIZ；矛盾矩陣；林果采摘裝置

中圖分類號 S225 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）05-01566-03

Abstract The traditional design method which depends upon the experience and inspiration of researchers can no longer meet user demands for functions of high speed and quality. A conceptual design method of fruit picking device which is based on functional analysis and the theory of contradiction matrix of TRIZ was proposed. Plucking shears is taken as an example through analyzing function， establishing functional model， mining the insufficient function， describing and solving the function problems with 39 contradiction matrices and 40 innovation principles to shorten the time of research and development and achieve innovations of fruit picking device. The research illustrates the robustness and effectiveness of the method in the design of fruit picking device.

Key words Functional analysis； TRIZ； Contradiction matrix； Fruit picking device

產品創新是企業競爭力的核心。隨著科技的發展，制造水平的進步，使得產品的生命周期大幅度縮減，越來越多的新產品涌向市場。產品的設計過程是一個面向功能的設計過程[1]。應用系統化、科學化的概念設計方法對現有產品加以分析，可以幫助研發人員快速地發現產品功能中所存在的缺陷與沖突，提出概念設計方案，從而在短時間內有效地研發出低成本、高質量、具有創新性的產品。

將功能分析與TRIZ理論相融合，運用功能分析將抽象的采摘結構轉化為系統的功能模型，以展現出系統組件與組件之間相互作用的目的與性能，從而不受結構的約束，發現系統問題的癥結；運用TRIZ理論中的矛盾解決工具描述和分析所發現的問題，獲得改進設計方案。筆者應用該設計流程對采摘剪進行了改進設計嘗試。

1 基于功能分析與TRIZ的概念設計流程

產品設計需要經歷一個極其復雜的過程。研究表明，產品設計成本的80%～90%是由概念設計階段決定的[2]，其設計結果的優劣對產品開發的效率和效果具有十分重要的影響。

功能分析是系統設計過程中制定功能結構方案的重要方法，有助于設計人員對系統的工作原理和功能結構進行深入地認識與理解。將功能分析引入到林果采摘裝置概念設計當中，可以幫助研究設計人員對采摘功能進行明確地把握，合理化功能結構，彌補不足功能，去掉不合理功能，從而降低設計成本，提高產品價值。TRIZ理論被認為是可以有助于挖掘和開發人們的創造潛能、全面系統地闡述發明創造和技術創新的理論，被西方的專家稱為“超級發明術”，在許多國家企業當中得到了廣泛地應用并極大地提高了企業的市場競爭力。將功能分析與TRIZ理論兩種方法相融合，可以完善林果采摘裝置概念設計的流程，避免設計人員投入不必要的時間與精力，從而保證設計的時效性與創新性。其具體設計流程如下。

1.1 組件分析 任何產品作為一個系統，都包含一個或多個功能以滿足用戶的使用需求。而功能的實現是由執行不同功能的組件所完成的。

功能分析理論認為，系統分為技術系統、子系統和超系統。技術系統由多個子系統組成，并通過子系統之間的相互作用實現一定的功能。子系統由組件和操作構成，通過組件之間的相互作用實現較小的功能。超系統是比技術系統更高級的系統，包括技術系統和與之有關的其他系統。不同的系統層次由相應的組件所組成，完成各自的功能。組件分析的目的在于描述系統的組成、確定組件的數量以及各個組件的層次，從而建立組件模型。

1.2 結構分析 在組件分析的基礎上，進一步分析確定各組件之間的相互作用關系，即為結構分析。分析結果是建立結構模型，具體包括：結構矩陣和結構表格。

在結構矩陣中，行、列為模型組件，行、列的交叉處表示未經特殊性分析的系統組件對之間的相互作用。若某對組件之間存在作用關系，則用“+”填列，不存在關系則用“-”填列。

結構表格是對組件對之間相互作用關系的詳細描述，分析項目如下：

（1）功能載體。是指執行特定功能的物體，即功能作用的主體。

（2）功能對象。將對其實行某種特定功能的物體，即功能載體作用的客體。

（3）行動。是指功能載體對功能對象的作用方式，應用一個動詞進行表述。

（4）所改變的參數。功能載體通過改變功能對象的參數而對其產生應用，實現功能。為了與后續矛盾問題分析保持一致，此處參數需從TRIZ理論提出的39個通用工程參數中選取。

（5）功能種類。TRIZ理論認為，功能包括有益功能和有害功能。有益功能是指有利于實現物體需求的功能，而有害功能是指影響實現物體性能的副作用。通過有益有害功能的判斷，可以初步確定系統中所存在的問題，為系統改進提供方向。

（6）完成級別。是對有益功能的進一步分析以確定相應功能的完成程度，包括不足功能、充分功能和過量功能。

1.3 建立功能模型 功能建模是指在組件分析和結構分析結果的基礎上采用圖形化的方法構建系統功能模型，確定系統的組件構成和各組件的功能。在功能模型中，用矩形代表組件、六角形代表超系統、橢圓形代表系統作用對象。系統作用對象為系統功能的受體，屬于特殊的超系統組件。功能載體作用于功能對象的有益充分功能用直線箭頭連接，不足功能用虛線箭頭連接，過量功能用加粗的直線箭頭連接，有害功能用波浪箭頭連接。以采摘剪局部分析為例，如圖1所示。整個刀片與枝條相互作用形成一個簡單的系統，枝條為系統的作用對象，刀片為系統的組件。凹形刀片與凸形刀片同時作用于枝條表面，對其進行切割作用，改變枝條的形狀參數。由于刀片本身存在一定的缺陷，使其作用不足，故用虛線箭頭連接。

1.4 運用TRIZ理論解決系統問題 一個系統當中可能同時存在多個有害、過量或者不足的功能。根據上述結構分析中的結構表格，將這些缺陷功能提取出來，建立功能清單。并非清單上的所有功能都引發了系統問題。功能模型的優點在于能夠以圖形化的方式有效地反應關鍵不足所帶來的因果關系，從而幫助研究設計人員在眾多的問題功能中高效、準確地發現關鍵功能，確定影響系統功能的作用組件。當因改進產品而改變其中一個組件設計，即提高產品某方面的性能時，可能會影響到與之相關聯的另一個組件，結果可能使產品系統另一些方面的性能受到影響，這樣就構成了技術矛盾[3]。為解決產品設計過程中的技術矛盾問題，TRIZ理論提供了矛盾解決工具阿奇舒勒矛盾矩陣。

由于各個行業、領域中都存在著大量的工程參數，這些參數的名稱不同，為了標準化定義技術矛盾，阿奇舒勒及其團隊在對大量專利研究分析的基礎上，總結提出了39個通用工程參數，以及與技術矛盾相對應的標準解40個發明原理[4]。矛盾矩陣以39個通用工程參數為橫縱行標題，40個發明原理為橫縱行交叉處矛盾的解決方法，建立起技術矛盾與發明原理之間的對應關系。

研究人員首先應用39個通用工程參數對技術矛盾進行重新描述，確定欲改善的工程參數以及隨之被惡化的工程參數；查找阿奇舒勒矛盾矩陣表，得到推薦的發明原理序號，按照序號查找發明原理，得到發明原理名稱，將所推薦的發明原理逐一應用到具體問題上，探討每個原理在具體問題上的應用實現；最后根據研究結果篩選出最理想的解決方案，完成產品的設計。

2 采摘剪功能分析

采摘獲取過程約占整個果實生產作業量的40%[5]。其作業質量的優劣會直接影響到果實的存儲、運輸以及銷售，最終對市場價格和經濟效益造成影響。采摘剪是被廣泛應用于果實采摘過程中的一種摘取工具。目前市場上生產采摘剪的企業有很多，但所生產的采摘剪大都由剪刀片、手柄等簡單部件組成。為了提高產品的競爭力，加強采摘剪使用時的高效性和實用性，對采摘剪進行研究，以期獲得改進的概念設計方案。

對采摘剪進行組件分析，構成采摘剪的組件包括：①連接保險鉤 ②手柄 ③彈性裝置 ④凹形刀片 ⑤凸形刀片 ⑥鉚釘 ⑦枝條 其中①—⑥為技術系統組件，⑦為超系統組件中的系統作用對象。

3 采摘剪矛盾求解

運用TRIZ理論中的矛盾解決理論定義果實采摘中存在的功能問題。由于矛盾組件是刀片與枝條，欲改進刀片與枝條之間的作用關系，所以改善參數為刀片的形狀，刀片形狀的改變很可能導致采摘效率的降低，所以惡化參數為功率。根據改善參數與惡化參數查詢矛盾矩陣表，可得到解決問題的發明原理：第2、4、6條。

原理2：提取法。此原理是指將物體中有用或有害的部分提取出來進行相應的處理。包含2方面的含義，一方面是指從物體中抽出產生負面影響的部分或屬性；另一方面是指從物體中抽出必要的部分或屬性。

原理4：非對稱法。此原理利用不對稱性進行創新設計。包含2方面的含義，一方面是指將物體的對稱形式轉化為不對稱形式；另一方面是指如果物體已經是不對稱的，則加強它的不對稱程度。

原理6：一物多用法。也稱多元性原理，是指使一個物體能夠執行多種不同功能，以取代其他物體的介入。

4 采摘剪改進設計方案

對查詢矛盾矩陣所得到的發明原理進行逐條分析，由原理4和原理6所得啟示，結合本領域實際應用需要，提出2種改進設計方案。

方案1：根據原理4，改進現有刀片形狀，加劇凸形刀片和凹形刀片的非對稱程度，使其在采摘果實時能夠夾緊枝條，避免枝條打滑傾斜，從而保證將枝條90度剪下，避免枝端尖銳。

方案2：根據原理6，增加刀片的功能，使其在執行剪切作用的同時能夠實現枝端的打磨功能。具體做法為：在凸形刀片和凹形刀片的內側制作類似于銼刀的不平紋路，這樣在刀刃逐漸剪切夾緊的過程中，紋路與枝端之間會有相互的摩擦作用，從而降低枝端的尖銳程度。

5 結論

將功能分析與TRIZ理論相結合的林果采摘裝置概念設計方法應用于已有產品的創新設計當中，不僅有助于研究設計人員打破思維慣性和經驗設計的約束，指明改進設計方向，還可以幫助他們解決創新設計中所遇到的技術矛盾，實現高水平的改進創新。以采摘剪為例的改進設計，通過組件分析、結構分析、功能建模和矛盾求解4個步驟，獲得了最終設計方案，表明了該概念設計方法的實用性和健壯性。

參考文獻

[1] 韓彥良.基于TRIZ理論功能裁剪的產品創新設計[J].制造業自動化，2013，35（1）：150-156.

[2] NETTEN B D，VINGERHOEDS R A.EADOCS：Conceptual Design in Three Phases—An Application to Fibre Reinforced Composite Panels[J].Engng Applic Artif Intell，1997， 10（2）：129-138.

[3] 呂欣.基于TRIZ理論中39 矛盾矩陣與40 創新原則的產品創新設計研究[J].包裝工程，2009（5）：211-213.

[4] 蒲娟，陳勇，熊艷，等.基于TRIZ理論和模糊層次分析法的產品概念設計及評價[J].制造業自動化，2014，36（1）：14-17.

[5] 宋健，張鐵中，徐麗明，等.果蔬采摘機器人研究進展與展望[J].農業機械學報，2006，37（5）：158-162.