基于可拓創(chuàng)新法和TRIZ理論的營地手推車折疊機構設計

王 軍，孫 帥

基于可拓創(chuàng)新法和TRIZ理論的營地手推車折疊機構設計

王 軍，孫 帥

(湖北工業(yè)大學工業(yè)設計學院，湖北 武漢 430064)

針對營地手推車現(xiàn)有折疊方式效率較低、產品笨重等問題，綜合利用多種折疊方式以解決現(xiàn)有問題。首先對現(xiàn)有營地手推車的折疊結構進行分析，確定待解決問題，其次依據(jù)基元理論創(chuàng)建問題模型，利用TRIZ理論查詢并確定解決相應問題的發(fā)明原理，再進行拓展分析和可拓變換，得到解決方案，最終借助優(yōu)度評價選擇最優(yōu)方案。通過營地手推車的實例設計，實現(xiàn)對其折疊時間、折疊流程以及輕量化的目標問題優(yōu)化，證明可拓分析與TRIZ中發(fā)明問題解決原理相結合能夠提高解決效率，為以后產品創(chuàng)新和篩選方案提供參考。

可拓創(chuàng)新方法；TRIZ；折疊機構；工業(yè)設計；產品創(chuàng)新

營地手推車是人們外出短距離運載小型貨物的最佳工具，最常見的營地手推車是一種可以整車折疊的類型，其體積小、折疊后可以放進絕大多數(shù)家用汽車后備箱中。在國外，很多家庭除了使用營地手推車運輸物品之外，更多地作為童車使用，其有利于親子尤其是有多孩家庭在戶外互動交流。隨著我國三孩政策的實施以及對外開放政策深入推進，很多家庭有2個及以上的孩子后，傳統(tǒng)的單孩手推車無法適應這種變化，而營地手推車可以滿足多孩家庭的需求，所以該產品未來在我國市場潛力很大。因此，對其進行創(chuàng)新設計研究具有很大的價值和意義。

1 研究概述

1.1 營地手推車設計現(xiàn)狀

目前，國內的營地手推車產品很多，但現(xiàn)有的產品同質化現(xiàn)象比較嚴重，甚至外觀均大同小異。車架結構作為承載營地手推車的支撐結構，兼具折疊功能，大多采用相似的結構與設計，也沒有根據(jù)載物對象的改變做出相應的調整；折疊方式均為單向折疊，且折疊后體積很大，折疊效果不佳。圖1為國內常見款的兒童營地手推車的展開與折疊展示。

圖1 常見的兒童營地手推車

如圖2所示，營地手推車的車架機構是用鉸接的杠桿件形成的相互連接的一種連桿組件，該控制機構控制連桿組件的展開與折疊閉合。由于折疊結構桿件很多，整車過重，不便于女性操作使用；在折疊過程中需要一個人多步驟操作，還會出現(xiàn)杠桿骨架收折不順暢的問題，因此使用不方便；車子底座也有相應的支撐桿，兒童乘坐時舒適性欠佳。國內學界對于傳統(tǒng)的兒童手推車已有了豐富的研究成果，但是對于營地手推車卻鮮有研究與設計，因此需要設計研究人員對于營地手推車折疊結構進行創(chuàng)新改良來簡化車架的結構，以適應用戶的實際需求。

1.2 可拓創(chuàng)新方法

可拓創(chuàng)新方法是快速有效創(chuàng)意產生方法之一，具有4個基本的特點，即模型化、可變化、收斂化、整體化[1]；可拓創(chuàng)新方法中的建模和拓展主要基于語義分割的方法對創(chuàng)新設計過程中多種設計條件進行語義分割，分成表示設計語義特征的最小最基本元素，針對不同的設計元素組建新的設計語義，采用基元和模型的方式描述。該方法的4個主要的步驟包括：①建立基元模型；②進行拓展分析；③分析結果進行可拓變換及運算；④優(yōu)度評價，選優(yōu)方案。

(①底部支撐架，②車架連接件，③移動鉸接件，④車頂棚支撐架，⑤折疊車把手)

可拓創(chuàng)新方法中采用=[,,]來表示待創(chuàng)新產品的基元模型，為描述對象的某一特征，是特征所對應的量值。在推理與決策過程中，該方法論證嚴密合理，廣泛地應用于創(chuàng)新與決策有關的各個領域中。李仔浩和楊春燕[2]將可拓創(chuàng)新方法與逆向設計相結合，形成改進產品可拓創(chuàng)意生成方法，并應用到全自動裝訂機的創(chuàng)新設計中，并驗證其創(chuàng)新設計的可行性；楊剛俊等[3]闡述了可拓學的物元模型和菱形思維方法，分析了可拓學應用在產品創(chuàng)新設計中的可行性；王金廣和許可[4]研究了可拓學在工業(yè)設計方法創(chuàng)新研究，并與工業(yè)設計方法相結合，建立了用工業(yè)設計語言表述的可拓產品分析法與基于可拓產品分析法的可拓方案優(yōu)選法模型，用于指導工業(yè)設計本土化創(chuàng)新。

1.3 TRIZ創(chuàng)新方法

TRIZ理論作為創(chuàng)新方法中常用的理論之一，包括4個分析工具，即功能分析、矛盾分析、資源分析和物場地模型分析[5]。TRIZ創(chuàng)新方法可簡化為4個主要步驟：①分析描述問題；②找到問題參數(shù)；③利用知識庫求解問題；④理想度評價，選優(yōu)方案。張樂等[6]將TRIZ理論應用到老人購物車的設計研究中，利用39個通用工程參數(shù)和40條發(fā)明原理尋找可能解，完成對傳統(tǒng)老人購物車在使用性及舒適度等方面的方案創(chuàng)新設計。楊勤等[7]將TRIZ理論運用在行李箱創(chuàng)新設計中，解決了行李箱的現(xiàn)有使用問題，獲得了創(chuàng)新設計解決方案。

2 基于可拓創(chuàng)新方法與TRIZ方法的創(chuàng)新流程

雖然可拓學和TRIZ理論2種方法均可以解決創(chuàng)新中的問題，但在分析與解決問題的機制上各不相同。可拓學研究問題更具有適應性，可以通過置換與變換，加強各方法間的聯(lián)系，但運用此理論需要較強的數(shù)理化思維，設計人員不易掌握。TRIZ理論求解工具較多，但較為固定，且互相獨立性較強，并且TRIZ理論求解出來的方案評價方法比較主觀，需要設計人員利用經驗進行理想度評價。江帆[8]運用可拓學與TRIZ理論，并結合一系列案例設計進行研究，產生了豐富的研究成果。本文運用這2種創(chuàng)新理論的優(yōu)點和容易掌握的步驟，將其相互融合補充，明確在求解階段每個步驟的選擇機制，用以獲得集成可拓創(chuàng)新理論與TRIZ的新的創(chuàng)新方法流程，這樣可充分發(fā)揮2種理論的優(yōu)勢，新的方法旨在提高設計人員的效率，為解決設計問題和把握設計需求的準確度提供一系列的操作方法，讓感性化的設計活動變得理性化，讓設計從靈感迸發(fā)變得更加有章可循。

集成2種理論創(chuàng)新方法優(yōu)勢，利用TRIZ分析問題的合理性、易用性和可拓學化解問題的拓展性、規(guī)范性，提出集成可拓創(chuàng)新理論和TRIZ理論的創(chuàng)新方法的步驟如下：

步驟1.根據(jù)設計要求，確定要設計的目標產品P，利用基元方法從功能、部件、環(huán)境等方面對產品進行全面地分析。

步驟2. 根據(jù)分析結果判斷目標產品的設計性質，是改進設計還是設計全新的產品，然后分別進行現(xiàn)有產品的矛盾分析或是利用TRIZ技術矛盾找到描述問題的矛盾參數(shù)。

步驟3. 利用TRIZ矛盾矩陣確定工程原理解，然后對原理解進行專業(yè)領域語義轉化和分割，得到目標產品的基元解。

步驟4. 利用拓展分析法，將上一步得來的基元解進行拓展變換和可拓變換，得到一系列的解決方案或改進方案。

步驟5. 利用優(yōu)度評價方法，將得來的多個方案進行相互對比和選優(yōu)，確定設計方案。

圖3為集成可拓學和TRIZ理論的創(chuàng)新方法的一般流程。

圖3 基于可拓創(chuàng)新方法與TRIZ方法的一般流程

3 營地手推車折疊機構設計應用

3.1 利用基元進行問題分析

根據(jù)營地車折疊結構分析和用戶使用分析，再由3位設計師專家對問題進行整理，得到營地手推車的折疊機構設計需要改進的問題見表1。

表1 營地手推車問題表

通過對問題進行描述和總結，再根據(jù)可拓創(chuàng)新理論中的形式化描述，建立其改進目標基元為

條件物元為

由此可以看出，該問題是一個不相容問題，其設計性質是改進設計，可以描述為=*。

3.2 利用TRIZ理論進一步拓展

通過分析TRIZ矛盾矩陣，并對不相容問題進行技術矛盾分析，可提取出主要問題：如果減少折疊后的體積，則會改變結構，導致結構復雜，增加重量。利用TRIZ的標準工程參數(shù)描述，改善的工程參數(shù)：運動物體的體積；惡化的通用工程參數(shù)：運動物體的重量和運動物體的面積。查詢矛盾矩陣可獲得推薦的發(fā)明原理有N1，N2，N4，N17，N29和N40。

通過查詢TRIZ理論40個發(fā)明原理進行整理分析，結合工業(yè)設計和有關折疊車專業(yè)領域知識，最終選擇N1，N7，N17和N40。這些原理的名稱和含義如下：

N1.分割原理：①將對象分成相互獨立的部分；②將對象分成方便組裝和拆卸的部分；③提升對象的分割度。

N7.嵌套原理：①對象與對象層層嵌入，形成多層嵌套結構；②一個對象收入或者穿過另一個對象的空腔。

N17.多維化原理：①若對象一維直線運動有困難，則向二維平面運動過渡；若二維平面運動有困難，則向三維空間運動轉化，以此類推；②利用單層結構代替多層結構；③將對象傾斜放置或者側向放置；④利用給定面的反面；⑤利用照射到臨近的面或者背面的光流。

N40.復合材料原理：利用復合材料代替單一材料或均質材料。

3.3 可行解的基元拓展

根據(jù)TRIZ分割原理的提示，在設計營地手推車折疊系統(tǒng)中，可以進行分組折疊，或加入模塊化設計，根據(jù)一特征一對象多量值的方法，進行拓展分析，建立模型為

根據(jù)嵌套原理和多維化原理，在原產品折疊系統(tǒng)中，可以將節(jié)點式折疊，改變成多節(jié)點式、多維式或伸縮折疊，幾種常見的折疊方式的示意圖如圖4所示。

經過拓展分析，建立其物元模型如下

根據(jù)復合材料原理，分析原結構主要使用材料。不同的材質對營地手推車的折疊方式、重量以及成本上面都會有很大的影響，常見可以應用到折疊機構上面的材料見表2。

表2 常見材質特征對比

再根據(jù)一對象多特征多量值拓展分析可得

根據(jù)材料的種類，將營地手推車中的連接方式利用一對象多特征的方法進行發(fā)散分析，建立模型如下

根據(jù)上述的拓展分析，可以得到關于收縮方式、結構、材料和連接方式的多種方案。

3.4 可拓變換

在可拓創(chuàng)新理論中，解決矛盾問題的主要工具是可拓變換；其可以使不相容的問題轉變成相容的問題，使不可行的解轉化為可行解。可拓變換的基本變換方法有5種：置換法、增刪法、分解法、擴縮法和復制法[9]。

根據(jù)營地手推車的問題矛盾，折疊機構需要操作便捷，利用增刪法和置換法，在發(fā)散得到的方案中1和2都符合要求，在關于折疊后體積變小的方案發(fā)散中，4種方案都有助于減小折疊后的體積，考慮營地手推車過重，從發(fā)散方案中選擇1和2，最后由于營地手推車載物對象是兒童，考慮舒服性和安全性所以選擇3。

經過可拓變換，可以得到一些初步方案，為了矛盾問題可以得到高效地解決，根據(jù)一些專業(yè)知識，初步選擇如下方案：

方案1. 一種基于鋁合金材料的，軟硬結合單向一步折疊營地手推車結構，其模型為1=1十1十1十3。

方案2. 一種基于碳釬維材料的，軟硬結合多向一步折疊營地手推車結構，模型為2=1十2十2十3。

方案3. 一種基于鋁合金材料的，軟硬結合嵌套多步折疊的營地手推車結構，其模型為3=2十3十1十3。

方案4. 一種基于碳釬維材料的，軟硬結合的組合式多步折疊的營地手推車結構，其模型為4=2十4十2十3。

上述4種方案均可滿足營地手推車操作方便，減輕重量，減小折疊后體積等需求。

3.5 優(yōu)度評價

優(yōu)度評價是可拓創(chuàng)新理論中對對象評價的基本方法，其步驟流程如圖5所示，根據(jù)4種方案，用優(yōu)度評價法將方案評價選優(yōu)。

(1) 選取衡量指標。選取操作性1，折疊后體積2，成本3，為衡量指標，得到衡量條件集：={(1,1),(2,2),(3,3)},是的量值。

(2) 確定權系數(shù)。評價營地手推車優(yōu)劣的各衡量指標1,2,3，有輕重之分，用權系數(shù)來表示各個衡量指標的重要程度，權系數(shù)記為ɑ。采用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)，確定3個衡量指標的相互比率，使用1～5的比率標度法，由于操作性包含重量等影響因素，所以會明顯比其他兩個因素重要，折疊后縮小占地空間是最初問題訴求，所以比成本重要，采用AHP構建判斷矩陣為

采用AHP和法求得權系數(shù)ɑi=(0.6194，0.2842，0.0964)。

(3) 建立關聯(lián)函數(shù)。3個衡量指標均可以是離散型取值，所以建立離散型關聯(lián)函數(shù)來衡量各指標符合要求程度，建立營地手推車結構的操作性、折疊后體積、成本的簡單關聯(lián)函數(shù)為

根據(jù)原始設計的要求和相關領域的專業(yè)知識，將獲得的新方案關于上述3個衡量指標的取值見表3。

表3 方案關于評價特征的取值

將表中的值代入上面的關聯(lián)函數(shù)，計算出不同衡量指標的關聯(lián)度分別為

(4) 計算規(guī)范關聯(lián)度。根據(jù)規(guī)范關聯(lián)度公式為

則其規(guī)范關聯(lián)度為

因此各個方案規(guī)范關聯(lián)度為

(5) 計算優(yōu)度，根據(jù)優(yōu)度公式

將上文規(guī)范關聯(lián)度代入到公式中，得到各個方案的優(yōu)度見表4。

表4 優(yōu)度評價結果對比

通過綜合優(yōu)度結果對比可以看出：進行創(chuàng)新設計后的營地手推車結構方案中，方案2的優(yōu)度值比其他3個方案優(yōu)度值大，因此方案2最優(yōu)，方案1次之。

圖6是方案2的結構展示圖，此方案結構硬部采用碳釬維結構，可有效地減輕整體結構的重量，使整車更加輕量化；折疊時將折疊拉環(huán)向上提，可以使4個輪子同時向內收縮，達到一步多向地折疊，這樣不僅操作簡單，折疊后體積也更小，從而實現(xiàn)對其折疊時間、折疊流程的優(yōu)化；底部軟硬結合的結構可以在使營地手推車穩(wěn)定的同時，讓兒童乘坐更加舒適。

(①底部支撐結構，②折疊拉環(huán)，③滌綸織帶，④車架連接件，⑤移動鉸接件，⑥固定車把手)

4 結 論

(1) 通過對營地手推車的使用分析，模擬分析發(fā)現(xiàn)用戶在使用營地車折疊時產生的一系列問題，為找到折疊機構優(yōu)化點，進行了營地手推車折疊機構的創(chuàng)新設計，達到了整車結構的優(yōu)化和輕量化處理的效果。此種折疊機構不僅可以運用在營地手推車的結構中，救援擔架等相關的折疊結構亦可參考應用。

(2) 在設計的過程中，將可拓創(chuàng)新理論與TRIZ理論結合，得到了在解決矛盾問題的不同階段的處理方式，形成了模型化的推理創(chuàng)新方法，為設計人員提供了新的流程化的設計方法，這種方法具有更好的適應性和可操作性，拓寬了設計人員在解決車子折疊機構時的思路，對相關的設計工作具有一定的參考意義。

本文運用實例驗證了方法的可行性，獲得了多種創(chuàng)意方案，并利用優(yōu)度評價，得到相對最優(yōu)的解決方案。因此基于可拓創(chuàng)新理論和TRIZ理論結合的創(chuàng)新設計方法為產品的創(chuàng)新設計提供了新的設計流程，此方法在更多設計案例中應用將是后續(xù)研究的重點。

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Design of folding mechanism of camping stroller based on extension innovation method and TRIZ theory

WANG Jun, SUN Shuai

(School of Industrial Design, Hubei University of Technology, Wuhan Hubei 430064, China)

Aiming at the problems of low folding efficiency and clumsiness in the existing folding methods of camping stroller, various folding methods were comprehensively employed to address them. First, based on the analysis of the folding structure of the existing camping stroller, the problem to be solved were identified. Second, a problem model was established based on the primitive theory, and the TRIZ theory was adopted to query and determine the invention problem solving principle to solve the corresponding problem, and expand it with extension. The transformation was analyzed and extended to obtain a solution, and finally the best solution was selected with the help of superiority evaluation. Through the example design of the camping stroller, the optimization was realized in terms of its folding time, folding process, and lightweight target problems, and it was proved that the combination of extension analysis and the invention problem solving principle in TRIZ can improve the problem solving efficiency and provide reference for future product innovation and screening solutions.

extension innovation method; TRIZ; folding mechanism; industrial design; innovative design

TB 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2021050866

A

2095-302X(2021)05-0866-07

2021-01-27；

2021-03-06

27 January，2021；

6 March，2021

教育部產學合作協(xié)同育人項目(201602031001)

Ministry of Education Industry-University Cooperation Collaborative Education Project (201602031001)

王 軍(1970–)，男，湖北武漢人，副教授，碩士，碩士生導師。主要研究方向產品創(chuàng)新設計、兒童娛樂產品設計。E-mail：19921039@hbut.edu.cn

WANG Jun (1970-), male, associate professor, master. His main research interests cover product innovation design, children’s entertainment product design. E-mail：19921039@hbut.edu.cn