懸浮及跟蹤雨傘的創新設計

孫菊妹 劉書凱 張時源

摘要：針對智能化生活的社會需求，基于TRIZ創新技術設計了一款懸浮及自動跟蹤雨傘，在不需要支撐對象的前提下，雨傘根據環境自動懸浮并定位跟蹤對象。

關鍵詞：懸浮;跟蹤;TRIZ;創新

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）14-0176-03

隨著時代的進步，社會的發展，信息技術的飛躍，對于大家對于生活智能化的期望也越來越高。雨傘作為日常生活常用物品之一，雖然新型雨傘的種類在不斷出現，但都只是在雨傘的外觀結構、打開方式上面有多創新，對于使用過程仍然離不開對象的支撐。本文設計的懸浮雨傘解放了使用者的雙手，借助于TRIZ創新技術，對雨傘的結構進行創新設計，依托信息技術實現雨傘使用過程的智能化。

1 產品概念的創新

1.1 產品現狀的描述

雨傘是人們生活的日常必需品之一，在雨天或在太陽下行走時需要打傘，通常都是用手來握住傘把，導致人們拎東西等能力大大降低。如果手上拿著東西，這時電話來就無法接聽，很不方便。下表是針對用戶的需要，采用了POV設計觀點（point of view）對現有的雨傘做的訪談記錄。

經過對用戶群體的需求進行分析，我們發現目前大家主要的訴求是解放雙手。對此，針對雨傘進行初始形勢分析。

雨傘的主要功能是遮陽擋雨，在實現了這一基本功能的同時，目前許多雨傘都向著智能化方向發展。譬如：小米的“智能傘”，雖然傘面選擇透明和不透明兩種類型，但使用過程仍然是通過機械滑動控制裝置來實現傘內光線的控制;來自紐約的Davek Alert Umbrella主打防丟的智能雨傘，主要是骨架選用優質材料配合傳感器技術實現智能功能;英國制造商Kisha天氣預報的智能雨傘，它主要是借助傳感器感應周圍環境，增加了智能檢測功能;來自南京的團隊研發的Air Umbrella是給傘增加外圍設施來改變雨滴的軌跡，從而起到防護作用。上述這些新型種類的傘主要是增加了雨傘的功能及智能化，沒有從根本上解決如何解放雙手這一主要矛盾？目前解決這一問題的主要方案是肩背式雨傘及頭戴式雨傘。我們發現這種雨傘雖然解放了雙手，但仍存在的問題，主要是穿戴不方便，收納困難等問題。

1.2 產品系統分析

TRIZ是以哲學的辯證法、系統論和知識論為指導思想，以系統科學、思維科學為支柱，它以S曲線和技術系統進化法則為基礎，從IFR、技術、矛盾、資源和功能基本概念出發，結合39個功能參數和40個發明原理運用矛盾分析、功能分析和資源分析工具對問題進行求解。本文下面將從技術問題的最終理想解、技術矛盾分析、功能分析和資源分析四個角度進行分析，獲得解決問題的方案和思路。

1.2.1 最終理想解

最終理想解（idealfinal result，IFR）將通過正確描述問題以及產生問題的阻礙及原因，排除這些阻礙因素問題就直接得到了解決。我們的思維具有慣性，常常讓自己困頓已有的思維邏輯里，結果就使問題不能很好地解決。而IFR是從新角度來重新認識定義問題，跳出我們的慣性思維，從產生問題的源頭出發，得到與傳統設計完全不同的問題根本解決思路。下表是根據最終理想解的分析步驟將本設計產品的問題進行了描述：

1.2.2 技術矛盾分析

雨傘是人們生活的日常必需品之一，在雨天或者烈日下行走的時候需要雨傘來避雨或者遮陽的時候，都需要借助手來支撐使用，在一定程度上對我們帶來了不便。目前市場上雖然已有新型的雨傘，可以不用手來支撐，雨傘的外觀采用肩背或者穿戴的形式，在一定程度上解放了雙手，但是雨傘結構變得復雜，使用過程也很不方便。

1）從問題中提取技術矛盾

通過上述問題描述，發現問題的主要是在新型雨傘雖然解放了雙手，提高了雨傘使用的方便性，但是外觀結構占用一定的空間，在使用過程中帶了不便，而且使傘本體的結構也變得復雜。

矛盾：改善了雨傘使用的適應性，卻增加了雨傘控制系統的復雜性。

用39個通用工程參數中的兩個來表示：

需要改善的參數：35#適應性、通用性;

系統惡化的參數：36#系統的復雜性。

2）根據矛盾矩陣表中改善和惡化參數對應的第35行第36列，得到4個創新原理：15#動態原理、29#氣壓或液壓原理、37#熱膨脹原理、28#更換機械系統原理（如圖1所示）。基于這些創新原理，我們將得出創意方案。

1.2.3 功能分析

功能模型分析是把產品及其各組成部分抽象成功能，并找出其內在聯系的過程。其目的就是消除有害功能，加強必要功能，剔除多余功能，進行功能載體替代，以便提供價值更高的產品，更好地滿足用戶的需求。針對本文設計產品，技術系統是雨傘，其主要功能是阻擋雨水及陽光。通過系統組件及功能分析如圖2所示，雨傘的主要功能是阻擋雨水，主要是由傘布來完成的，骨架的功能是支撐傘布的，支撐桿則是支撐骨架，手通過握把對支撐桿進行支撐。

系統功能裁剪是指當找到系統中價值最低的組件時，將該組件直接裁剪掉，同時把它有用的功能提取出來，讓系統中存在的其他部分去完成這個功能。系統功能裁剪的目的是消除系統產生的有害功能部分，降低成本，而所需要的有用功能依舊存在。針對本論文設計產品主要存在的矛盾點，下圖對系統進行裁剪。

1.2.4 資源分析

TRIZ 中的資源是指系統及其環境中的各種因素，是一切可被人類開發和利用的客觀存在。能反映系統作用、功能、組成、組成間的聯系結構、信息、能量流、物質、形態、空間分布、功能的時間參數、效能及其他有關功能質量的參數，所以資源指的是人類可以開發和利用的物質、能量、信息、時間、空間、功能的總稱。解決技術問題的實質其實是對資源的合理使用，所以資源分析的實質是從資源的高度研究分析資源，挖掘系統的派生資源，關注系統資源間的有機聯系，合理組合、配置和優化資源結構，提升系統資源的理想度。結合雨傘的構成組件以及功能，下圖對雨傘進行了資源分析。

2 產品的創新設計

經過產品分析和TRIZ工具的使用，我們得出了若干種創意方案，具體如下。

影響 /努力矩陣圖是用表單來評估努力和影響之間的量化程度，能從一堆的項目創意中篩選出可以優先考慮的、第二順序的、可以做的和少做的一些方案。下面我們從努力程度、影響結果程度兩方面對創意進行篩選。

結合考慮影響 /努力矩陣對創意方案的篩選結果，最終我們對傘結構的動態性做了創新改良，使用過程可以不需要對象的支撐。如圖所示，本設計的雨傘傘面采用尼龍，傘骨材料選擇在重量和強度方面都有保障的碳纖維與鋁鎂合金相結合，傘柄設置成圓柱形的“黑匣子”，“黑匣子”外圍內嵌四根支架，支架展開類似于無人機的螺旋槳已達到懸浮的功能，支架與“黑匣子”的貼合極大程度節約了存放的空間，給攜帶帶來了便利;“黑匣子”內置智能跟蹤模塊，通過識別系統自動鎖定對象并跟蹤。在跟蹤模塊下方還附加了廣角攝像頭與GPS定位芯片，以達到精準定位和成功避障。同時還附加5G網絡技術，通過手機App或智能手環來對雨傘進行定位、跟蹤并控制。

3 結語

使用TRIZ創新理論中的最終理想解、技術矛盾分析、功能分析和資源分析應，對傘結構和使用過程進行分析，得到了創新設計—懸浮及跟蹤雨傘，此傘使用便捷，自動懸浮解放雙手，根據人體的運動狀態自動跟隨;內部支架采用嵌入式結構，根據使用情況自動收放，呈現結構設計動態化;結合5G技術進行GPS定位實現產品智能信息化。

參考文獻：

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【通聯編輯：唐一東】