基于TRIZ理論的智控變位衣柜設(shè)計(jì)與實(shí)踐

吳浩，任凱麟，鄧星現(xiàn)，李振昊，方佳

（武昌首義學(xué)院，武漢 430064）

0 引言

衣柜的高處空間無法得到充分利用是高層衣柜常見的問題。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)智能取衣，掛取式與堆疊式相比，前者可以在視覺識(shí)別后突出衣服特征從而便于挑選，且掛好的衣服不易褶皺，不需要熨燙[1-2]。因此，為滿足這種需求，本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)采用掛取式收納衣物，通過智能控制，實(shí)現(xiàn)取衣放衣全自動(dòng)化[3]。

TRIZ理論是以蘇聯(lián)專家阿奇舒勒為首的眾多前沿科學(xué)家整理出來的一套發(fā)明問題解決理論體系。TIRZ發(fā)明問題解決理論的核心內(nèi)容是解決沖突，在設(shè)計(jì)與實(shí)踐過程中不斷地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的沖突，利用發(fā)明原理分析問題、解決沖突，最后獲得理想的產(chǎn)品[4]。

本文運(yùn)用TRIZ發(fā)明問題解決理論分析衣柜功能需求，該智控變位衣柜有以下創(chuàng)新點(diǎn)：1）通過TRIZ理論分析問題并產(chǎn)出實(shí)物，證明了智控變位衣柜的可行性及便捷性；2）將科學(xué)效應(yīng)及相關(guān)現(xiàn)象與智控變位衣柜相結(jié)合，運(yùn)用杠桿原理和電流磁效應(yīng)打造了一款獨(dú)特的取衣和放衣系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合TRIZ理論系統(tǒng)元件的不均衡發(fā)展和系統(tǒng)進(jìn)化以結(jié)構(gòu)改善為主的兩種技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式，設(shè)計(jì)一款可以根據(jù)不同時(shí)令推薦穿衣的智控變位衣柜，模型如圖1所示。通過綜合分析，其總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖1 智控變位衣柜模型圖

圖2 智控變位衣柜總體方案設(shè)計(jì)圖

2 基于TRIZ理論的取衣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將衣柜的目的參數(shù)轉(zhuǎn)換成39項(xiàng)工程參數(shù)中的2項(xiàng)，融于TRIZ理論轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題。即對(duì)衣柜的整體要求是要保證變位衣柜的自動(dòng)化程度，但又不能使系統(tǒng)過于復(fù)雜，不能使變位過程過于冗長(zhǎng)。由此選擇工程參數(shù)32號(hào)自動(dòng)化程度和36號(hào)系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)比阿奇舒勒沖突矩陣表得到與之相對(duì)應(yīng)解決問題的發(fā)明原理，即1號(hào)分割原理、15號(hào)動(dòng)態(tài)化原理、24號(hào)中介性原理。每個(gè)原理對(duì)問題徹底解決的貢獻(xiàn)有限，但將其整體化分析，應(yīng)用在智控變位衣柜的每個(gè)創(chuàng)新模塊對(duì)問題的徹底解決貢獻(xiàn)最大[5-6]。

2.1 基于TIRZ理論的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)智控變位衣柜的整體性能進(jìn)行分析，采取1號(hào)分割原理和系統(tǒng)分割的進(jìn)化模式使每個(gè)模塊功能趨于最大完整化。即可以將智控變位衣柜看成是由衣柜框架、X軸進(jìn)給模組、XY平面進(jìn)給機(jī)構(gòu)、取放衣鉤連桿機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)五部分組成。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。運(yùn)用15號(hào)動(dòng)態(tài)化原理，結(jié)合個(gè)別功能專門化和加強(qiáng)有用功能的思想，采取坐標(biāo)系三自由度傳動(dòng)來設(shè)計(jì)每個(gè)傳動(dòng)模塊。

圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.1.1 X軸進(jìn)給模組

由TRIZ理論中技術(shù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性進(jìn)化定律，為使X軸進(jìn)給模組的傳動(dòng)平穩(wěn)、受載均勻，對(duì)比各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過分析，其主體部分采用絲桿傳動(dòng)可滿足要求，結(jié)構(gòu)如圖4所示。其作用是：當(dāng)給智控變位衣柜輸入取衣或放衣信號(hào)，控制系統(tǒng)定位衣鉤位置后，由X軸進(jìn)給模組將取衣機(jī)構(gòu)送至目標(biāo)衣物前。

圖4 X軸進(jìn)給模組實(shí)物圖

2.1.2 XY平面進(jìn)給機(jī)構(gòu)

為保證機(jī)構(gòu)運(yùn)行的快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，選擇27號(hào)可靠性為正向參數(shù)，25號(hào)時(shí)間損失為負(fù)向參數(shù)對(duì)比阿奇舒勒沖突矩陣表得到最優(yōu)解，即10號(hào)預(yù)操作原理：為保證機(jī)構(gòu)傳動(dòng)穩(wěn)定性和傳動(dòng)精度，預(yù)先對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)試，使機(jī)構(gòu)的定位精度提高到0.01 mm，再對(duì)G形衣鉤進(jìn)行擴(kuò)孔處理，保證即使有一定的誤差機(jī)構(gòu)也能夠在最短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地完成XY平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，XY平面進(jìn)給機(jī)構(gòu)由絲桿、1對(duì)圓錐滾子軸承、1對(duì)一級(jí)減速齒輪組、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、軸及外殼組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 XY平面進(jìn)給機(jī)構(gòu)模型圖

2.1.3 取放衣鉤連桿機(jī)構(gòu)

取衣是本衣柜的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在尋求系統(tǒng)的最優(yōu)解時(shí)，采取增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和可控性的進(jìn)化模式引入控制場(chǎng)，再結(jié)合TRIZ理論的科學(xué)效應(yīng)及相關(guān)現(xiàn)象，取放衣鉤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用電流磁效應(yīng)和杠桿原理。其結(jié)構(gòu)技巧是讓推拉式電磁鐵推動(dòng)杠桿向下運(yùn)動(dòng)，由連接杠桿的小型連桿抵消杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的橫向位移。限位塊使L形衣鉤只有1個(gè)向上運(yùn)動(dòng)的自由度。取放衣鉤連桿機(jī)構(gòu)是由連桿和杠桿機(jī)構(gòu)、推拉式電磁鐵、L形桿組成，機(jī)構(gòu)實(shí)物模型和半剖視圖如圖6、圖7所示。

圖6 取放衣鉤連桿機(jī)構(gòu)模型圖

圖7 取放衣鉤連桿機(jī)構(gòu)半剖視圖

在掛衣桿的設(shè)計(jì)上，運(yùn)用零部件的不均衡發(fā)展定律，配合控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和G形衣鉤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在掛衣桿的掛衣處銑出斜截式凹槽，安裝傳感器，用于衣物的定位識(shí)別。

為使L形桿和G形衣鉤配合完整，根據(jù)技術(shù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性進(jìn)化定律，小組成員對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)、傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，保證各執(zhí)行機(jī)構(gòu)充分發(fā)揮其功能，各參數(shù)之間可以相互調(diào)和或反調(diào)和，增強(qiáng)系統(tǒng)的柔性功能，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整和配合。

2.1.4 升降機(jī)構(gòu)

由于系統(tǒng)元件的不均衡發(fā)展會(huì)引起沖突，如在取放衣鉤連桿完成平面運(yùn)動(dòng)后需要將衣物送至下方，但不能增加傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。在進(jìn)化過程中，技術(shù)系統(tǒng)總是通過物質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)展來改進(jìn)系統(tǒng)，由此通過打磨和配合精度測(cè)試，設(shè)計(jì)一款與G形衣鉤相配合的限位楔形塊。

升降機(jī)構(gòu)主要由同步帶、同步帶輪、直流電動(dòng)機(jī)和限位楔形塊組成，結(jié)構(gòu)如圖8所示。當(dāng)傳感器感應(yīng)到有物體（衣服）接近時(shí)，同步帶運(yùn)動(dòng)到指定位置，等傳感器感應(yīng)到L形衣鉤已完全退出，同步帶開始下降將衣服送到指定位置，完成取衣過程。

圖8 升降機(jī)構(gòu)模型圖

2.1.5 框架及整體實(shí)物結(jié)構(gòu)

為使機(jī)構(gòu)滿足傳動(dòng)平穩(wěn)性，選定27號(hào)可靠性為正向參數(shù)，37號(hào)控制和測(cè)量的復(fù)雜度為負(fù)向參數(shù)，對(duì)比阿奇舒勒沖突矩陣表得到最優(yōu)解，即40號(hào)復(fù)合材料原理。衣柜框架的常用材料是木材，但木材不能保證傳動(dòng)適應(yīng)性。通過綜合分析，框架采用鋁合金復(fù)合材料制造，通過搭建，最終的實(shí)物縮小模型如圖9所示。

圖9 智控變位衣柜實(shí)物縮小模型圖

衣柜的實(shí)物制作、細(xì)節(jié)優(yōu)化等是基于增加理想化水平的進(jìn)化模式，理想化水平的衡量指標(biāo)是效益之和、代價(jià)之和及危害之和。

式中：I為理想化水平；∑B為效益之和；∑E為代價(jià)之和；∑H為危害之和。

對(duì)系統(tǒng)理想化程度進(jìn)行分析，盡可能地提高效益之和，減少代價(jià)之和，轉(zhuǎn)移危害之和，通過集成以增加系統(tǒng)的有用功能，再逐步簡(jiǎn)化系統(tǒng)，使衣柜滿足快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的性能要求。

3 傳動(dòng)系統(tǒng)的校核

首先調(diào)研每種不同款式的衣物的放置方法，一般地，對(duì)于薄型及短小的衣服，人們都會(huì)采用收納盒來放置，如內(nèi)衣和襪子會(huì)有專門的收納盒來收納，故本衣柜不考慮短小的衣服。由數(shù)理統(tǒng)計(jì)[7]可知，男性的平均身高為169.7 cm，女性的平均身高為158.0 cm，男性的平?？钍降囊路?，如T恤或夾克的衣長(zhǎng)為70 cm，若是風(fēng)衣，衣長(zhǎng)則為100 cm左右。同理，分析女性的衣服特征，然后根據(jù)正態(tài)分布來取平均值可得衣長(zhǎng)為85 cm。因此在布置衣柜的掛衣空間時(shí)，至少要滿足衣長(zhǎng)的平均值，然后留有余量[8]。

而一般一件衣服的質(zhì)量普遍在200～2000 g之間，因此在設(shè)計(jì)掛衣架時(shí)需注意：1）掛衣的數(shù)量及單件衣服的質(zhì)量；2）保證掛衣架的輕巧和便捷性；3）取衣和放衣的最佳軌跡；4）機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)不能使機(jī)構(gòu)之間產(chǎn)生干涉；5）機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)不能使衣服受到損壞或玷污。

因此，對(duì)掛衣桿進(jìn)行校核計(jì)算：在掛衣桿上放置15件衣服，每件衣服取最大質(zhì)量為2 kg，即掛衣桿承受的總質(zhì)量為30 kg，總壓力為300 N，通過SolidWorks校核計(jì)算得掛衣桿應(yīng)力圖如圖10所示。由圖10可知掛衣桿滿足強(qiáng)度要求。

圖10 掛衣桿應(yīng)力圖

L形衣鉤配合G形衣鉤進(jìn)行取衣，取承受的最大質(zhì)量為4 kg，壓力為40 N，通過SolidWorks校核計(jì)算得L形桿應(yīng)力圖如圖11所示。由圖11可知L形桿滿足強(qiáng)度要求。

圖11 L形桿應(yīng)力圖

4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)TRIZ理論物場(chǎng)分析，先建立控制系統(tǒng)的物場(chǎng)模型。本物場(chǎng)模型中系統(tǒng)被作用對(duì)象S1為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，作用對(duì)象S2為電動(dòng)機(jī)，作用對(duì)象S2電動(dòng)機(jī)對(duì)被作用對(duì)象S1為不足渴望效應(yīng)，S1與S2之間的場(chǎng)為機(jī)械場(chǎng)，其模型如圖12[9]所示。

圖12 物場(chǎng)模型圖

運(yùn)用非有效完整模型中的一般解法5，增加一個(gè)磁場(chǎng)F2增強(qiáng)F1的作用，即雙物場(chǎng)模型，如圖13所示。

圖13 雙物場(chǎng)模型圖

再結(jié)合采用24號(hào)中介性原理將一容易移動(dòng)的物體與另一物體暫時(shí)結(jié)合，即控制系統(tǒng)通過3個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與1個(gè)直流電動(dòng)機(jī)和1個(gè)電磁吸合器完成主要的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)3個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲桿進(jìn)行連接來完成橫向運(yùn)動(dòng)，通過單片機(jī)對(duì)絲桿進(jìn)行定位。由此控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三坐標(biāo)移動(dòng)，通過對(duì)各點(diǎn)的記錄將數(shù)值直接導(dǎo)入單片機(jī)完成定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。

5 結(jié)語

結(jié)合TIRZ理論對(duì)智控變位衣柜的各功能組件進(jìn)行系統(tǒng)分析找到最優(yōu)解，然后根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行制造、校核設(shè)計(jì)，建立一個(gè)最優(yōu)解模型，再通過模型搭建實(shí)物。由于智能家居的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)沒有統(tǒng)一，技術(shù)也有待改進(jìn)，所以智能家居還沒有實(shí)現(xiàn)大眾化。但通過質(zhì)感體驗(yàn)，鼓勵(lì)各類平臺(tái)創(chuàng)新發(fā)展等系列政策，智控變位衣柜會(huì)有質(zhì)的飛躍，智能家居也會(huì)普及各家各戶。