基于TRIZ的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計
——以一種智能花卉設(shè)計為例

鄒俊俊 張 欣

（1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710026；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，西安 710026）

發(fā)明問題解決理論（Theory of the Solution of Inventive Problems，TRIZ）是前蘇聯(lián)學(xué)者阿奇舒勒提出的一種創(chuàng)新設(shè)計理論，認(rèn)為任何領(lǐng)域的技術(shù)產(chǎn)品都與生物系統(tǒng)一樣，有其自身進(jìn)化發(fā)展的規(guī)律。如果掌握這些規(guī)律，人們就能能動地創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)品。該理論對于打破思維定勢、創(chuàng)造性地解決問題具有較強(qiáng)的指導(dǎo) 意義。

本文以TRIZ為指導(dǎo)，將機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計和TRIZ融合，以追求最終理想解為設(shè)計目標(biāo)，按照機(jī)械系統(tǒng)的完備性設(shè)計選用機(jī)構(gòu)，利用發(fā)明原理和發(fā)明工具優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計。

1 TRIZ概述

利用TRIZ進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計時，一般先依據(jù)工程實(shí)際提出問題，再針對問題提出理想解決方案。TRIZ認(rèn)為理想化是推動系統(tǒng)進(jìn)化的主要動力，技術(shù)系統(tǒng)總是要向著最終理想化的方向發(fā)展。TRIZ的理想解是不消耗資源，沒有物質(zhì)實(shí)體，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能的解決方案。事實(shí)上，理想解不可能達(dá)到，只能無限逼近，但理想解的確定往往會給機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計帶來意想不到的改變。例如，要清洗高樓外窗玻璃，一般的設(shè)計會聚焦在擦窗機(jī)器人或者其他機(jī)構(gòu)。但是，采取TRIZ分析，理想解應(yīng)該是玻璃本身能夠自我清潔。利用TRIZ進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計時，技術(shù)系統(tǒng)中各因素相互作用相互聯(lián)系，一個因素的優(yōu)化有時會引起另一個因素的惡化，解決此類技術(shù)矛盾其實(shí)就是創(chuàng)新的過程。最后，利用TRIZ進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計時，需要按照系統(tǒng)的進(jìn)化法則和可控性法則進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

2 創(chuàng)新設(shè)計過程

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市景觀已經(jīng)成為必不可少的城市名片，是體現(xiàn)城市文化生活品質(zhì)的重要標(biāo)志之一，體現(xiàn)了人與城市的互動。現(xiàn)有城市景觀多在造型設(shè)計和燈光效果兩個維度上進(jìn)行組合，以追求“立體、動態(tài)”的美感，但從本質(zhì)仍屬于平面景觀和靜態(tài)景觀，存在千城一面、景觀功能單一以及無法實(shí)現(xiàn)人景互動等問題。根據(jù)設(shè)計參觀傳統(tǒng)人文景觀，人們很難融入主題[1-2]。

2.1 最終理想結(jié)果（IFR）分析

基于前述的TRIZ，項目設(shè)計先要進(jìn)行最終理想結(jié)果（Ideal Final Result，IFR）分析。技術(shù)系統(tǒng)的目的在于實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。同一種功能存在多種實(shí)現(xiàn)形式，同時一種功能的優(yōu)化可能達(dá)不到預(yù)期的其他功能。TRIZ中一般將系統(tǒng)的理想度為

式中：I為理想度；U為技術(shù)系統(tǒng)的有用功能；Cj為成本；Hk為有害功能。設(shè)計目標(biāo)是增加有用功能，降低有害功能和成本，使I不斷增大。按照此思路，設(shè)計團(tuán)隊針對市場上的主要景觀產(chǎn)品進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果如表1所示。

表1 技術(shù)系統(tǒng)的功能分析

按照理想度分析，采用仿真花為載體進(jìn)行技術(shù)改造，達(dá)到理想度I最大的目標(biāo)。此方案既保持了原系統(tǒng)的有用功能，也不會增加系統(tǒng)的成本或者新的不足。項目團(tuán)隊提出的技術(shù)方案如圖1所示，即利用超聲波傳感器檢測范圍內(nèi)是否有人或者車輛經(jīng)過，將檢測信號輸出至單片機(jī)控制核心，根據(jù)程序算法輸出控制指令，控制燈光模塊產(chǎn)生顏色、明暗變化，同時控制運(yùn)動機(jī)構(gòu)控制花瓣的開合，向游客輸出景觀的色彩、運(yùn)動姿態(tài)變化，使游客獲得參與式、交互式的觀景體驗。

圖1 產(chǎn)品整體設(shè)計方案

2.2 利用發(fā)明原理解決技術(shù)矛盾

按照整體方案，產(chǎn)品在具體功能實(shí)現(xiàn)上仍有多種方式，因此需要借助TRIZ進(jìn)行優(yōu)化。

創(chuàng)新的核心問題是解決矛盾。技術(shù)矛盾是指技術(shù)系統(tǒng)一個參數(shù)變化時引起其他參數(shù)惡化的結(jié)果。例如，坦克的裝甲厚度增加可以增加坦克的安全性，使其能夠輕易突破敵方的陣地，但是坦克全重的增加會引發(fā)速度、機(jī)動性及耗油量等方面出現(xiàn)一系列問題，此時坦克的裝甲厚度與坦克的行駛速度兩個參數(shù)就是一對技術(shù)矛盾。

TRIZ中對于技術(shù)矛盾給出了48個通用工程參數(shù)來描述[3]，部分參數(shù)如表2所示。

表2 TRIZ中部分通用工程參數(shù)

消除矛盾的重要途徑是使用40個發(fā)明原理，但是哪一種矛盾應(yīng)用哪一種原理，哪個原理是最有效的，均需要具體問題具體分析。TRIZ總結(jié)的技術(shù)矛盾矩陣是指根據(jù)矛盾的編號查閱解決此類矛盾的發(fā)明原理，以矩陣形式列出[4]。部分原理如表3所示。

表3 TRIZ理論中的部分常用發(fā)明原理

依據(jù)TRIZ列出案例的技術(shù)矛盾矩陣：如果要讓普通仿真花具備開花功能，則要破壞其原有形狀結(jié)構(gòu)；如果要采取3D打印的方式制作花瓣結(jié)構(gòu)，則會增加制造成本和難易程度；如果要讓花卉景觀與游客間產(chǎn)生交互，則需要對整個系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行自動化控制。列出項目的設(shè)計矛盾矩陣，如表4所示。

表4 項目的矛盾矩陣表

根據(jù)矛盾矩陣選擇1號分割原理來解決，即將仿真花分割為花瓣和內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)，利用自身的花瓣機(jī)構(gòu)保持其美觀，利用3D打印技術(shù)制造其內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動，同時選擇15號動態(tài)化原理，將物體分割為兩個主要部分凸輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)，通過機(jī)構(gòu)的組合實(shí)現(xiàn)由轉(zhuǎn)動到移動再到轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)換。

3 產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計

3.3.1 造型結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品通過CATIA三維設(shè)計軟件和3D打印技術(shù)，根據(jù)已有的花瓣造型定制專用骨架，通過膠粘劑附著于花瓣內(nèi)表面。

3.3.2 照明裝置

產(chǎn)品采用發(fā)光二極管+太陽能電池的組合，白天利用太陽能面板吸收能量，夜間當(dāng)傳感檢測裝置檢測到行人和車輛通過時，啟動發(fā)光二極管。

3.3.3 檢測裝置

檢測裝置由超聲波傳感器和STM32F103單片機(jī)構(gòu)成。利用STM32F103單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號，超聲波傳感器接收脈沖信號發(fā)射向外的聲波，遇到障礙物發(fā)生反射，再返回至單片機(jī)[5]。

3.3.4 機(jī)械運(yùn)動裝置

采取組合機(jī)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)TRIZ和機(jī)械設(shè)計的結(jié)合，以凸輪—連桿機(jī)構(gòu)的串聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計的功能。整個上部結(jié)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，下方為凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)的從動件為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的輸入構(gòu)件。凸輪機(jī)構(gòu)采取對心直動布置形式，平底從動件采取簡諧運(yùn)動規(guī)律上升和下降，使得從動件在行程初始和終止位置均不會發(fā)生剛性沖擊。待單片機(jī)輸出指令后，在伺服電機(jī)帶動下，盤形凸輪機(jī)構(gòu)從遠(yuǎn)休止點(diǎn)開始啟動，此時花瓣處于閉合狀態(tài)。從動件開始回落，凸輪轉(zhuǎn)角達(dá)到180°時完成回程，凸輪達(dá)到近休止點(diǎn)，從動件位移處為零，花瓣執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于“開花”狀態(tài)。一種智能花卉景觀產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

圖2 一種智能花卉景觀產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

產(chǎn)品的設(shè)計與制作是將現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)景觀結(jié)合的一次大膽嘗試，采用TRIZ為指導(dǎo)，優(yōu)化工業(yè)設(shè)計到結(jié)構(gòu)制造的整個流程，同時利用3D打印直觀了解結(jié)構(gòu)設(shè)計的弊端，及時修正，降低設(shè)計與制造之間的時間成本，有利于產(chǎn)品的推進(jìn)與優(yōu)化，提高工作效率。在控制單元上使用單片機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動化控制，通過后續(xù)的產(chǎn)品軟件系統(tǒng)完善實(shí)現(xiàn)“智慧夜景”的升級，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。