基于Triz理論的一種6自由度4D座椅的設計

潘峰

摘 ?要：本文通過分析市場現有4D座椅，采用Triz理論設計了一種新型6自由度4D座椅。該座椅采用原有3-RPS型4D座椅增加3-RRR并聯機構的方式實現了具有大工作空間、全運動模擬能力的功能。3-RPS并聯機構具有俯仰、搖擺、上下運動能力，3-RRR并聯機構具有前后、左右、旋轉運動能力，因此新型6自由度4D座椅具有3-RPS型4D座椅的優點，同時彌補了自由度數少的缺點。

關鍵詞：4D座椅：Triz理論;并聯機構

引言

4D影院是在3D影院的基礎上增加運動的功能，使觀眾獲得更佳的觀影體驗。4D影院的核心設備是4D座椅，4D座椅可根據影片內容運動而使觀眾跟著劇情動起來。并聯機構因具有高速度、高加速度、高負載能力等優點而廣泛應用于4D座椅的執行機構。市場上的4D座椅多是采用3-RPS并聯機構與6-UPS并聯機構。3-RPS并聯機構是可執行兩維轉動一維移動的并聯機構，此類4D座椅可給觀眾帶來俯仰運動、搖擺運動與上下運動的體感，具有結構簡單、動作幅度大、可模擬激烈運動的優點，但運動模擬能力較弱。6-UPS并聯機構是可執行6個自由度運動的并聯機構，此類4D座椅可給觀眾帶來上下運動、左右運動、前后運動、俯仰運動、搖擺運動與旋轉運動的體感，具有全運動模擬能力的優點，但其動作幅度小且激烈運動的模擬能力較弱。因此，發明一種既具有全運動模擬能力又具有動作幅度大且可模擬激烈運動的4D座椅是市場的需求。

Triz理論是阿奇舒勒在分析大量專利的基礎上提出來的一種實用的發明方法。經過幾十年的發展，該理論的發明方法已經非常成熟，時至今日依然發揮著重要作用。杜超基于TRIZ理論改進設計了一種平托裝置平移架結構^[1]。張永慧通過Triz理論發明了一種智能加熱加壓輸液裝置^[2]。王日輝根據Triz理論設計了一種齒輪裝夾系統^[3]。沈嶸楓采用Triz理論設計了一種育苗容器自動裝盤裝置^[4]。

本文通過Triz理論發明了一種新型6自由度4D座椅設備，該座椅采用3-RPS并聯機構與3-RRR并聯機構結合的方式成功解決了市場上6-UPS型座椅運動幅度小且激烈運動模擬能力弱的問題。

1、Triz理論介紹

1.1、Triz理論發明過程

1、分析現有產品存在的問題以及期望實現的功能;

2、尋找相應的技術參數，包括需要減少的與需要增加的

3、根據矛盾矩陣尋找方法;

4、討論各種方法的可行性并確定最優解決方案。

1.2、Triz理論最重要的內容^[5]是工程參數（表1所示）、發明原理（表2所示）和矛盾矩陣。

2、現有4D座椅的問題

2.1、3-RPS型4D座椅

2.1.1 3-RPS型4D座椅簡介

如圖1所示，3-RPS型4D座椅由機架、3條RPS支鏈與座椅組成，其中R代表轉動副、P代表移動副、S代表球副，移動副P為主動副。3個主動副P的運動可通過3條支鏈帶動座椅做俯仰、搖擺和上下運動，因此不能進行復雜運動的模擬。觀眾坐在座椅上可獲得3個自由度的運動體感。

2.1.2 該類座椅優缺點

該座椅的優點為：結構簡單緊湊，動作幅度大、可模擬激烈運動。

該座椅的缺點為：自由度少，不能模擬復雜的運動，運動模擬能力弱。

2.2、6-UPS型4D座椅

2.2.1 6-UPS型4D座椅簡介

如圖2所示，6-UPS型4D座椅由機架、6條UPS支鏈與座椅組成，其中U代表虎克鉸、P代表移動副、S代表球副，移動副P為主動副。6個主動副P的運動可通過6條支鏈帶動座椅做俯仰、搖擺、旋轉、前后、左右和上下運動，因此可實現復雜運動的模擬。觀眾坐在座椅上可獲得6個自由度的運動體感。

2.2.2 該類座椅優缺點

該座椅的優點為：具有6自由度運動模擬能力。

該座椅的缺點為：運動幅度小，激烈運動模擬能力弱。

3 基于Triz理論的新型4D座椅的設計

3.1、分析現有產品存在的問題以及期望實現的功能

上節分析了兩種市場上的4D座椅，分別是3-RPS型4D座椅和6-UPS型4D座椅，這兩種座椅各有優缺點，現設計的新型4D座椅期望具有這兩種座椅的優點且盡量避免這兩種座椅的缺點。因此，新型座椅期望實現的功能為：具有6自由度全運動模擬能力，具有較大的運動空間，具有激烈運動的模擬能力。

3.2、尋找相應的技術參數

新型座椅需要減少自身運動空間小帶來的問題，因此對應需要減少的技術參數是（31）物體產生的有害因素“指的是6-UPS型4D座椅由自身結構產生的運動空間小的問題”。同時，新型座椅還需滿足全運動模擬能力，對應需要增加的技術參數是（26）物質或事物的數量“指的是3-RPS型4D座椅需要提高自身自由度數來適應全運動模擬能力的需要”。

3.3、根據矩陣查找方法

在矛盾矩陣中查得方法為：3 35 40 39：

3局部性質原則

a.從物體或外部介質（外部作用）的一致結構過渡到不一致結構。

b.物體的不同部分應當具有不同的功能。

c.物體的每一部分均應具備最適于它工作的條件。

35改變物體聚合態原則

這里包括的不僅是簡單的過渡，例如從固態過渡到液態，還有向“假態”（假液態）和中間狀態的過渡。

40利用混合材料原則

由同種材料轉為混合材料。

39采用惰性介質原則

a、用惰性介質代替普通介質。

b、在真空中進行某過程。

3.4、確定最優解決方案

考慮實際情況，本文采用“3局部性質原則，b物體的不同部分應當具有不同的功能及c物體的每一部分均應具備最適于它工作的條件”來設計新的4D座椅。3-RPS型4D座椅與6-UPS型4D座椅相比具有運動幅度大、激烈運動模擬能力強的優點，同時具有自由度數少而導致的運動模擬能力弱的問題。新的座椅功能只需在3-RPS型4D座椅的基礎上增加缺少的運動能力，即增加前后、左右及旋轉運動功能，這樣可認為是3-RPS型4D座椅具備部分功能，新增結構作為另一部分功能?？紤]到3-RRR并聯機構具有左右、前后及旋轉運動能力，如圖3所示，因此可作為補充部分與3-RPS并聯機構合成新的并聯機構，即3-RRR+3-PRS型6自由度4D座椅，如圖4所示。3-RRR+3-PRS型6自由度4D座椅具有6自由度全運動模擬能力，具有較大的運動空間，具有激烈運動的模擬能力，符合最初的設計理念。

4、結論與建議

綜上所述，本文通過Triz理論設計了一種新型6自由度4D座椅，該座椅采用原有3-RPS型4D座椅增加3-RRR并聯機構的方式實現了具有大工作空間、全運動模擬能力的功能，具有很好的市場應用前景。

參考文獻

[1] 杜超，劉浩，陳俊杰.基于TRIZ理論的平托裝置平移架結構的改進設計[J].晉中學院學報，2021，38（03）：44-47.

[2] 張永慧，馬筱佳，王婷婷，劉歡，李佳鑫，李國利.基于TRIZ理論的一種智能加熱加壓輸液裝置設計[J].科技風，2021（16）：1-2.

[3] 王曰輝.基于TRIZ理論的齒輪裝夾系統創新設計[J].制造技術與機床，2021（05）：124-127.

[4] 沈嶸楓，陳鑫，謝詩妍，高銳，陳志強.基于TRIZ理論的育苗容器自動裝盤裝置設計[J].南方農機，2021，52（08）：84-86.

[5] https：//wenku.baidu.com/view/52c8a99edd88d0d233d46a2b.html