基于TRIZ理論的智控變位衣柜設計與實踐

吳浩，任凱麟，鄧星現，李振昊，方佳

（武昌首義學院，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，為實現智能取衣，掛取式與堆疊式相比，前者可以在視覺識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，本產品的設計采用掛取式收納衣物，通過智能控制，實現取衣放衣全自動化[3]。

TRIZ理論是以蘇聯專家阿奇舒勒為首的眾多前沿科學家整理出來的一套發明問題解決理論體系。TIRZ發明問題解決理論的核心內容是解決沖突，在設計與實踐過程中不斷地發現產品結構中的沖突，利用發明原理分析問題、解決沖突，最后獲得理想的產品[4]。

本文運用TRIZ發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新點：1）通過TRIZ理論分析問題并產出實物，證明了智控變位衣柜的可行性及便捷性；2）將科學效應及相關現象與智控變位衣柜相結合，運用杠桿原理和電流磁效應打造了一款獨特的取衣和放衣系統。

1 總體方案設計

結合TRIZ理論系統元件的不均衡發展和系統進化以結構改善為主的兩種技術系統進化模式，設計一款可以根據不同時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，其總體設計方案如圖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計圖

2 基于TRIZ理論的取衣系統設計

將衣柜的目的參數轉換成39項工程參數中的2項，融于TRIZ理論轉化為TRIZ標準問題。即對衣柜的整體要求是要保證變位衣柜的自動化程度，但又不能使系統過于復雜，不能使變位過程過于冗長。由此選擇工程參數32號自動化程度和36號系統的復雜性，對比阿奇舒勒沖突矩陣表得到與之相對應解決問題的發明原理，即1號分割原理、15號動態化原理、24號中介性原理。每個原理對問題徹底解決的貢獻有限，但將其整體化分析，應用在智控變位衣柜的每個創新模塊對問題的徹底解決貢獻最大[5-6]。

2.1 基于TIRZ理論的執行機構設計

對智控變位衣柜的整體性能進行分析，采取1號分割原理和系統分割的進化模式使每個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軸進給模組、XY平面進給機構、取放衣鉤連桿機構、升降機構五部分組成。其設計結構如圖3所示。運用15號動態化原理，結合個別功能專門化和加強有用功能的思想，采取坐標系三自由度傳動來設計每個傳動模塊。

圖3 執行機構設計圖

2.1.1 X軸進給模組

由TRIZ理論中技術系統協調性進化定律，為使X軸進給模組的傳動平穩、受載均勻，對比各傳動機構的優缺點，通過分析，其主體部分采用絲桿傳動可滿足要求，結構如圖4所示。其作用是：當給智控變位衣柜輸入取衣或放衣信號，控制系統定位衣鉤位置后，由X軸進給模組將取衣機構送至目標衣物前。

圖4 X軸進給模組實物圖

2.1.2 XY平面進給機構

為保證機構運行的快速性、穩定性、準確性，選擇27號可靠性為正向參數，25號時間損失為負向參數對比阿奇舒勒沖突矩陣表得到最優解，即10號預操作原理：為保證機構傳動穩定性和傳動精度，預先對機構進行調試，使機構的定位精度提高到0.01 mm，再對G形衣鉤進行擴孔處理，保證即使有一定的誤差機構也能夠在最短的時間內穩定地完成XY平面的旋轉運動。

在結構設計上，XY平面進給機構由絲桿、1對圓錐滾子軸承、1對一級減速齒輪組、步進電動機、聯軸器、軸及外殼組成，結構如圖5所示。

圖5 XY平面進給機構模型圖

2.1.3 取放衣鉤連桿機構

取衣是本衣柜的關鍵環節，在尋求系統的最優解時，采取增加系統的動態性和可控性的進化模式引入控制場，再結合TRIZ理論的科學效應及相關現象，取放衣鉤的結構設計采用電流磁效應和杠桿原理。其結構技巧是讓推拉式電磁鐵推動杠桿向下運動，由連接杠桿的小型連桿抵消杠桿轉動帶來的橫向位移。限位塊使L形衣鉤只有1個向上運動的自由度。取放衣鉤連桿機構是由連桿和杠桿機構、推拉式電磁鐵、L形桿組成，機構實物模型和半剖視圖如圖6、圖7所示。

圖6 取放衣鉤連桿機構模型圖

圖7 取放衣鉤連桿機構半剖視圖

在掛衣桿的設計上，運用零部件的不均衡發展定律，配合控制系統的運轉和G形衣鉤的結構設計，在掛衣桿的掛衣處銑出斜截式凹槽，安裝傳感器，用于衣物的定位識別。

為使L形桿和G形衣鉤配合完整，根據技術系統協調性進化定律，小組成員對控制系統參數、傳動系統參數進行微調，保證各執行機構充分發揮其功能，各參數之間可以相互調和或反調和，增強系統的柔性功能，實現動態調整和配合。

2.1.4 升降機構

由于系統元件的不均衡發展會引起沖突，如在取放衣鉤連桿完成平面運動后需要將衣物送至下方，但不能增加傳動機構的復雜性。在進化過程中，技術系統總是通過物質結構的發展來改進系統，由此通過打磨和配合精度測試，設計一款與G形衣鉤相配合的限位楔形塊。

升降機構主要由同步帶、同步帶輪、直流電動機和限位楔形塊組成，結構如圖8所示。當傳感器感應到有物體（衣服）接近時，同步帶運動到指定位置，等傳感器感應到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 升降機構模型圖

2.1.5 框架及整體實物結構

為使機構滿足傳動平穩性，選定27號可靠性為正向參數，37號控制和測量的復雜度為負向參數，對比阿奇舒勒沖突矩陣表得到最優解，即40號復合材料原理。衣柜框架的常用材料是木材，但木材不能保證傳動適應性。通過綜合分析，框架采用鋁合金復合材料制造，通過搭建，最終的實物縮小模型如圖9所示。

圖9 智控變位衣柜實物縮小模型圖

衣柜的實物制作、細節優化等是基于增加理想化水平的進化模式，理想化水平的衡量指標是效益之和、代價之和及危害之和。

式中：I為理想化水平；∑B為效益之和；∑E為代價之和；∑H為危害之和。

對系統理想化程度進行分析，盡可能地提高效益之和，減少代價之和，轉移危害之和，通過集成以增加系統的有用功能，再逐步簡化系統，使衣柜滿足快速、穩定、準確的性能要求。

3 傳動系統的校核

首先調研每種不同款式的衣物的放置方法，一般地，對于薄型及短小的衣服，人們都會采用收納盒來放置，如內衣和襪子會有專門的收納盒來收納，故本衣柜不考慮短小的衣服。由數理統計[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，男性的平常款式的衣服，如T恤或夾克的衣長為70 cm，若是風衣，衣長則為100 cm左右。同理，分析女性的衣服特征，然后根據正態分布來取平均值可得衣長為85 cm。因此在布置衣柜的掛衣空間時，至少要滿足衣長的平均值，然后留有余量[8]。

而一般一件衣服的質量普遍在200～2000 g之間，因此在設計掛衣架時需注意：1）掛衣的數量及單件衣服的質量；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）機構運行時不能使機構之間產生干涉；5）機構運行時不能使衣服受到損壞或玷污。

因此，對掛衣桿進行校核計算：在掛衣桿上放置15件衣服，每件衣服取最大質量為2 kg，即掛衣桿承受的總質量為30 kg，總壓力為300 N，通過SolidWorks校核計算得掛衣桿應力圖如圖10所示。由圖10可知掛衣桿滿足強度要求。

圖10 掛衣桿應力圖

L形衣鉤配合G形衣鉤進行取衣，取承受的最大質量為4 kg，壓力為40 N，通過SolidWorks校核計算得L形桿應力圖如圖11所示。由圖11可知L形桿滿足強度要求。

圖11 L形桿應力圖

4 控制系統的設計

根據TRIZ理論物場分析，先建立控制系統的物場模型。本物場模型中系統被作用對象S1為執行機構，作用對象S2為電動機，作用對象S2電動機對被作用對象S1為不足渴望效應，S1與S2之間的場為機械場，其模型如圖12[9]所示。

圖12 物場模型圖

運用非有效完整模型中的一般解法5，增加一個磁場F2增強F1的作用，即雙物場模型，如圖13所示。

圖13 雙物場模型圖

再結合采用24號中介性原理將一容易移動的物體與另一物體暫時結合，即控制系統通過3個步進電動機與1個直流電動機和1個電磁吸合器完成主要的機械運轉。對3個步進電動機與絲桿進行連接來完成橫向運動，通過單片機對絲桿進行定位。由此控制執行機構的三坐標移動，通過對各點的記錄將數值直接導入單片機完成定點運動。

5 結語

結合TIRZ理論對智控變位衣柜的各功能組件進行系統分析找到最優解，然后根據實際工況進行制造、校核設計，建立一個最優解模型，再通過模型搭建實物。由于智能家居的業界標準沒有統一，技術也有待改進，所以智能家居還沒有實現大眾化。但通過質感體驗，鼓勵各類平臺創新發展等系列政策，智控變位衣柜會有質的飛躍，智能家居也會普及各家各戶。