基于TRIZ理論的多功能跑步機創新設計

李夏 胡光忠

摘要：針對目前跑步機普遍存在的占用空間大、功能單一、節能效率低等問題，設計一種新型多功能智能跑步機。基于TRIZ理論中將該問題轉換為技術矛盾問題，建立跑步機功能組件模型，采用矛盾矩陣工具獲取優先推薦創新設計原理，并結合實際選擇最佳原理解決設計中的問題。通過TRIZ理論設計的跑步機具有可收納折疊，造型美觀，節能效果明顯，功能完善，智能化、信息化程度高等特點。相比傳統的產品設計方法，TRIZ創新理論提高了設計效率，縮短了開發周期，在產品創新設計等領域具有重要的指導意義。

關鍵詞：TRIZ;跑步機;技術矛盾;矛盾矩陣

中國分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）02-0152-02

隨著我國經濟的快速發展和人民生活水平的日益提高，人們對于體育鍛煉的觀念逐漸改變，全民健身、國民體質等相關問題越來越多的引起人們的關注。與此同時，人民健身方式也從傳統的自發性無器械健身，逐漸向器械健身方式轉變。由于我國大部分地區空氣污染嚴重，霧霾天氣下長期在室外進行體育鍛煉會影響心肺功能，極易誘發支氣管炎、哮喘等心血管疾病，對人體健康是極大的威脅。除此之外，天氣狀況、路面狀況、車輛行人等因素也制約著人們的室外運動。因此跑步機作為一種科學、安全的室內健身器械越來越受到歡迎。而且跑步機還能及時向健身者反饋身體狀況，提高了安全性[1，2]。目前國內廠家生產了大量形式各樣、具有各種功能的跑步機，雖然獲得了市場的好評，但是仍然存在一些問題亟待解決[3]：（1）體積較大，占用大量空間;（2）功能單一，智能化、信息化程度不高;（3）節能效率不高。因此，如何在跑步機現有發展狀況的基礎上，通過創新設計尋求改變，提高跑步機的適用性、提升跑步機的智能化、信息化程度具有重要意義。

1 TRIZ創新理論

TRIZ創新理論是由前蘇聯學者阿奇舒勒在分析總結了近250萬件發明專利的基礎上，不斷探索、提煉、總結，并綜合多個學科領域之后提出的一種解決發明創造問題的理論[4，5]。與傳統的創新原理不同，TRIZ理論成功揭示了發明創造的內在規律何原理，將產品設計抽象為技術系統，并將問題用TRIZ語言進行標準化的定義和分析，再依托發明問題的內在規律指導設計師系統的、高效的、有針對性的完成創新設計，大大縮短了研發周期，在機械設計、產品設計、產品評估、管理創新等領域具有廣泛的應用價值[6，7]。一般地，TRIZ解決問題的過程可分為3個步驟：（1）將待解決的問題轉換為TRIZ中的某種通用問題模型;（2）利用TRIZ中相應的中間工具;（3）得到TRIZ解決方案。

2 理想解分析

理想解（IFR，Ideal Final Result）表示在不存在物理實體，不消耗資源和能量卻能夠實現理論上產品可以達到的理想狀態[8]。對于理想解的分析包括6個步驟：（1）設計的最終目的是什么？（2）明確IFR是什么？（3）實現IFR的障礙是什么？（4）出現這種障礙的結果是什么？（5）不出現這種障礙的結果是什么？（6）明確創造這些條件的可用資源是什么[9，10]？就跑步機而言，其IFR的相關分析如表1所示。

3 TRIZ問題求解過程

3.1 跑步機的問題模型

TRIZ的問題模型是從“功能”角度來分析系統的各個組件執行和完成功能的情況。其目的是優化技術系統功能結構并減少實現功能的資源消耗。跑步機是一種電機通過傳動裝置帶動皮帶轉動，模擬不同速度和坡度的跑步環境的健身器材。它由機架、跑臺、電機、傳動裝置、皮帶、儀表等元器件組成。跑步機的組件模型如圖1所示，其相互關系可以描述為：機架支撐電機、跑臺和儀表，電機帶動傳動裝置、跑臺定位皮帶，于此同時，傳動裝置帶動皮帶，皮帶支撐健身者，儀表的功能是顯示信息。該跑步機擬以技術矛盾為問題模型完成創新設計。

3.2 跑步機的矛盾矩陣

在技術矛盾的求解過程中，將待解決的具體問題通過TRIZ理論提供的39個通用工程參數轉換為一般問題。該39個參數是阿奇舒勒分析大量專利文獻之后總結出來的，足以涵蓋工程領域中出現的絕大部分技術矛盾。再從正面和反面兩個角度探索技術系統中的改善參數與惡化參數，并構建矛盾矩陣。最后通過查找矛盾矩陣中兩項參數所在行和列的交叉點，從40個創新原理中查找解決該技術矛盾的優先推薦創新原理。最終根據推薦原理和相關實例尋求最佳設計方案[11]。

具體到跑步機而言，（1）針對體積較大、占用大量空間的問題，擬以圖2問題模型中的“跑臺”為問題入手點，對應改善參數為“靜止物體的體積（N0.8）”，惡化參數為“形狀（NO.12）”，通過表2所示的矛盾矩陣，以N0.8為橫坐標，以N0.12為縱坐標，查找可能解決該矛盾的創新原理為7一嵌套原理，2一抽取原理和35-物理和化學參數改變原理。（2）同理，針對功能單一，智能化、信息化程度不高的問題，以“儀表”為問題入手點，改善參數為“操作流程的方便性（No.33）”，惡化的參數為“可制造性（No.32）”，通過查找矛盾矩陣，得到推薦創新原理為2一抽取原理，5一合并、組合原理和12-等勢原理。（3）針對節能效率不高的問題，以“跑臺”和“機架”為問題入手點，改善的參數為“能量損失（N0.22）”，惡化的參數為“物質的量（N0.26）”，查找矛盾矩陣，得到推薦創新原理為7一嵌套原理，18-機械振動原理和25-自服務原理。

3.3 跑步機的TRIZ創新設計

針對體積較大、占用大量空間的問題選取7一嵌套原理。嵌套原理是把一個物體嵌入另一物體，然后將這兩個物體再嵌入到第三個物體，以此類推。因此，基于嵌套原理，將傳統跑臺設置為可折疊式跑臺，健身結束的時候可將跑臺收納折疊到機架的空隙中。由于機架采用美式風格設計，造型美觀、時尚、大方，折疊后可將其作為茶幾、墻擺放置在客廳中，美觀又實用。

針對功能單一，智能化、信息化程度不高的問題，選取5一合并、組合原理。合并、組合原理是指在空間上將相同物體或相關操作加以組合。故將跑步機同平板電腦組合在一起，取代傳統的儀表顯示，既提高了健身信息的智能化程度，又能加強跑步機的信息化程度，拓展了諸如娛樂、音樂、電影、聊天、網購等平板電腦具有的相關功能，對年輕健身者來說具有很強的吸引力。

針對節能效率不高的問題，選取25-自服務原理。自服務原理是指讓物體通過執行輔助或維護功能為自身服務。所以擬有效利用跑臺前輪和后輪及上、下平行皮帶形成的空間，將輔助設施發電機置于其中。另利用機架平臺下方的空間，放置若干鋰離子電池。當跑步機皮帶驅動時，發電機聯動系統對鋰離子電池充電。該電能主要用于平板電腦的供電，機架平臺上配置有兩個USB接口，可作為外接電源輸出。當鋰離子電池儲存的電量足夠時可以直接為整個跑步機供電，大大減小了能量消耗，提高了能量利用率。跑步機創新設計效果如圖2所示。

4 結語

基于現有跑步機在體積、功能和節能方面的問題，依托TRIZ理論充分分析跑步機IFR，并以此為最終目標研究跑步機的問題模型，充分探究各問題入手點的改善參數和惡化參數，在39個工程參數和40個創新原理構成的矛盾矩陣中查找優先推薦的創新原理提出創新方案。結果表明，TRIZ理論可以很好的應用在產品設計過程之中，能夠拓展設計思路、提高設計效率、為創新設計提供了一條切實可行的方法，對于產品設計領域具有重要的意義。

參考文獻

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