基于TRIZ理論的家用充電沖擊鉆創新設計

關鍵詞：家用充電沖擊鉆；TRIZ；用戶旅程圖；完備性法則；物場分析；熵

引言

家用充電沖擊鉆屬于消費電子類產品，其在家庭裝修和小型商業空間裝修中應用的頻率極高。一方面是由于其本身體積和重量適中，使用結束后即可方便收納；另一方面在于家庭裝修和小型商業空間裝修場景對沖擊鉆的工作功率要求不高，滿足家電拆裝和磚墻鉆孔作業即可。然而，家用充電沖擊鉆的用戶以非專業施工人員為主，在鉆墻作業場景中面臨6 項問題：1. 鉆頭位姿與墻面（作業面）不垂直，造成鉆孔傾斜，進而影響家具和設備的安裝精度和牢固性；2. 鉆孔產生的大量磚粉揚塵以噴射狀態從鉆頭與鉆孔的間隙噴向用戶的面部和軀干，對用戶造成吸入性損害；同時這些磚粉揚塵會對作業區域地面、家具、電子設備造成粉塵覆蓋和吸附，不易清理；3. 無法準確確認鉆頭鉆入墻體深度是否≥膨脹螺栓長度；4. 電池續航能力不足；5. 沖擊擋位力度不足；6. 鉆頭配件強度不佳。為此，文章構建了一種基于TRIZ 理論的產品創新設計范式模型，為上述6 項問題提出了有效的解決方案。

一、TRIZ理論概述

蘇聯海軍專利局專利審核員、發明家根里奇·阿奇舒勒（GenrichS.Altschuller，1926-1998 年）及一批研究人員經過多年努力，在分析研究世界上大量高水平專利的基礎上，提出和創建了發明問題解決理論（TRIZ，拉丁文 Teorija Rezhenjja Inzhenernyh Zadach 的首字母縮寫）。TRIZ 回答了發明問題解決的流程、分析方法和支持工具等難題，已被公認為世界級的創新方法，是目前絕大部分國際大公司采用的創新方法[1]。TRIZ 理論的核心是解決技術創新過程中的矛盾和問題。技術創新的核心是在產品/ 服務的研發、設計、制造、生產、管理、銷售及售后服務等全生命周期的各階段，產生出的新的能滿足日益個性化的顧客需求、有市場競爭力的創意、解決問題的原理或方法，進一步推進技術的發展[2]。

TRIZ 理論作為一種技術創新的解決思路和執行方法，可以構建解決技術創新問題的通用模型；基于該通用模型，結合所在行業細分領域的常規范式模型，可以高效推動所處行業的技術創新和發展，創造更高的經濟效益。

二、基于TRIZ理論的產品創新設計范式模型

通過技術創新，開發出有競爭力的產品，是制造業企業提高自身競爭優勢的重要保障因素。在模糊前端和新產品開發、商品化等階段，均會出現各種技術障礙，制約著企業的產品研發等技術創新行為[3]。特別是模糊前端和新品開發階段，是產品競爭力和產品附加值產生的源頭。要想在源頭將產品做正確，須構建出一套具備有效解且具有高度完備性的產品創新設計范式模型。在此之前，首先要明確現今產品創新設計的常規范式模型，如表1 所示：

由表1 可知，在新品開發階段，STAGE1 階段成功的發現/ 挖掘出目標用戶的共性顯性/ 共性隱性需求，STAGE2 階段找到了該共性顯性/ 共性隱性需求的有效解決方案，當且僅當STAGE1 和STAGE2均達成時，產品創新實至名歸，即創新的方向正確且創新方案是創新方向的有效解。

在此基礎上，文章構建出一套產品創新設計范式模型，如表2所示。該范式模型基于TRIZ 理論中 的完備性法則分析和物場分析，結合表1 產品創新設計常規范式模型，在STAGE2 階段，通過技術系統完備性分析和物場分析，將STAGE1 階段發現的共性顯性問題和挖掘的隱性問題賦予有效解，并將STAGE5 解決方案工業化量產驗證和優化目標前置在STAGE2 階段，從DFMA 入手，對有效解進行工業化量產可行性前置驗證，從而進一步提升基于TRIZ 理論的產品創新設計范式模型的可靠性。

三、家用充電沖擊鉆創新設計

（一）發現共性顯性問題

1. 用戶滿意度分析

文章選取了現今國內市場上具有代表性的家用充電沖沖擊鉆品牌，分別是以米家、小猴為代表的國產新興家用電動工具品牌，以博世（BOSCH）、牧田（MAKITA） 為代表的國外老牌家用電動工具品牌。通過對上述4 個品牌的家用充電沖擊鉆進行用戶滿意度對比分析，進而歸納總結出家用充電沖擊鉆共性顯性問題。文章在遵守網站的使用條款和隱私政策的前提下，運用python 爬蟲工具，在主流電商平臺將上述4 個品牌的用戶公開評論信息進行爬取，得出表3 所示的用戶滿意度結果。

2. 共性顯性問題歸納

進一步將表3 進行歸納總結，可得出4 項家用充電沖擊鉆的共性顯性問題：沒有集塵配件、電池續航力不足、沖擊擋力度弱、鉆頭配件質量不佳，特別是沒有集塵配件這一問題是用戶主要痛點所在。對于部分品牌存在的特定品控問題、兼容性問題以及品牌溢價等原因造成的價格問題則不在共性顯性問題的歸納范圍之內。

（二）挖掘隱性問題

1. 用戶旅程圖分析

用戶旅程圖（Customer Journey Map）是服務設計中的一種常用方法，以時間順序描述用戶在整體流程中分階段產生的體驗情緒[4]。在用戶旅程圖中可以鎖定共性顯性問題的導致的行為反饋；同時發掘出用戶模糊的，被無意識忽視的隱形問題。依據家用充電沖擊鉆共性4 項共性顯性問題可知：現有家用充電沖擊鉆的短板主要在沖擊鉆鉆墻這一應用場景中。文章通過用戶旅程圖歸納總結20 組家用充電沖擊鉆用戶鉆墻作業旅程，如表4 所示。表4 中觸點是用戶行為實現的前沿媒介，行為反饋通過觸點觸發；行為反饋與行為匹配度越高，用戶使用體驗越佳；反之低匹配度會引發用戶的挫敗感，導致用戶體驗驟降。

2. 共性隱性問題歸納

通過表4 用戶鉆墻作業行為和反饋的擬合度對比可知，STEP3-8是用戶體驗驟降的集中區間，在此階段用戶體驗驟降的原因除去4項共性顯性問題導致之外，文章還挖掘出2 項共性隱性問題：鉆頭作業前和作業中位姿無法穩定垂直，還無法準確確認鉆頭鉆入墻體深度是否≥膨脹螺栓長度。

（三）完備性法則分析

完備性法則是TRIZ 理論的核心工具之一。完備性法則可以簡單描述為：系統為實現功能，必需具備保障最低工作能力的基本組成要素和基本聯系[5]。完備性法則有助于我們準確地判斷現有技術系統中組件集合是否構成完整的技術系統，有助于我們較為清楚地判斷各個裝置（組件）的運行狀態，使得能夠判斷是否進行裁剪或者由系統自身完成[6]。文章認為，隨著技術進步和人性化設計的持續普及，完備性法則可以進階為：技術系統為實現良好的用戶使用體驗，其工作能力須保障良好的用戶體驗。文章稱之為完備性法則進階版，在完備性法則的基礎上引入用戶體驗、能源以及作業對象的反饋描述，使得完備性法則更符合人性化設計趨勢。

TRIZ 理論將產品視為一個完整的系統，各組件間相互關聯，以實現產品功能為目標的集合體。為了實現產品功能，系統必須具備4 個最基本的要素，即執行裝置、傳動裝置、動力裝置和控制裝置[7] 。文章將家用充電沖擊鉆鉆墻應用場景的4 項顯性問題和1項隱性問題代入完備性法則進階版進行分析，準確判斷其技術系統的完整性以及組件運行狀態的用戶滿意度，得到如圖1 所示的分析結果。

由圖1 可知，在完備性法則分析中（2 環內），家用充電沖擊鉆技術系統四個基本要素可以保障最低工作能力，滿足了用戶基本需。在完備性法則進階分析中（3 環內），外部控制并沒有給用戶帶去良好的使用體驗，相反帶給用戶不良使用體驗；外部控制疊加能源并沒有充分將體力（生物能）和電力充分的傳導至作用對象；最終，不良用戶體驗反饋疊加不良能源反饋，導致了作業對象（結果）的不良。同時由圖1 可知，手柄作為主要組件，貫穿控制裝置、動力裝置、傳動裝置，可以進一步明確：解決家用充電沖擊鉆鉆墻應用場景不良使用體驗的技術創新點主要位于手柄。

（四）物場分析

物場分析是 TRIZ 理論中一個重要的問題構造、描述和分析的工具。阿奇舒勒通過對功能的研究，發現并總結出以下 3 條定律：① 所有的功能都可以分解為3 個基本元素，即兩種物質和一種場；② 一個存在的功能必定由3 個基本元素組成；③ 將相互作用的3 個元素進行有機組合將形成一個功能。這種采用兩種物質和一種場的方式來表達技術系統中相互作用和能量轉換關系的符號模型稱為物質 -場模型（Su-Field Models），簡稱物場模型[1]。如圖 2 所示，S2 是工具，S1 是作業對象，二者均為物質；F 則是場。其中，物質是指技術系統實現功能的物質實體或者工藝流程，它可以是整個系統，也可以是系統內的子系統或單個的系統組件，甚至可以是環境（超系統及超系統組件）、工藝流程等；場是指工具和作業對象間相互作用所須能量，兩種物質依靠場來進行聯結；物質之間的相互作用如果出現了能量的產生、吸收或轉換現象，這種相互作用及能量轉換就是“場”。

物場模型可以用來描述系統中出現的問題，主要有 4 種問題類型：① 有用并且充分的相互作用；② 有用但不充分的相互作用；③ 有用但過度的相互作用；④ 有害的相互作用[1]。將家用充電沖擊鉆鉆墻應用場景的4 項共性顯性問題和1 項共性隱性問題按照物場模型的4 類問題進行歸納總結，并依據物場模型的變換規則，向對應的物場問題提出解決方案，如表5 和圖3 所示。

為了使得技術系統不因新增的物場而過度增加自身的熵。文章創新性地將同一技術系統同時出現的上述兩類物場問題的解決方案進行融合，將原本用于解決有害作用的S3（橙色背景）融入原本用于強化系統的S3（藍色背景）形成S3’， 使得S3’同時具備解決有害作用和強化系統的功能（一物兩用），使得技術系統的熵增得到有效控制，如圖4 所示。由于融合后的模型形象如同“fox face”，故文章將該模型命名為“FOX”——有用但不充分和有害作用一體化的技術系統問題解決模型，簡稱“FOX”控熵物場模型，該模型適用于解決有用但不充分和有害作用同時出現在同一技術系統的物場問題。“熵”的概念源自物理學，指系統混亂狀態的量度。根據熵定律，每消耗一定的有效能量熵便增加，熵增加則意味著有效能量的貶值與混亂的增值[8]。

（五）方案設計

文章在此階段前置引入DFMA 分析，該分析基于家用充電沖擊鉆鉆墻應用場景完備性法則及其進階版分析結果和“FOX”控熵物場模型，確保使得STAGE2 概念設計方案既是有效解，也是后期順利實現工業化量產的有效解，如表6 所示。

至此，文章開始執行創新設計STAGE2 的具體任務：輸出解決家用充電沖擊鉆共性顯性/ 共性隱性問題的創新技術方案，如圖5 至圖7 所示。為了更為清晰地解析技術創新方案，文章將圖5 至圖7 的關鍵工具（產品部件）予以數字編號標注，在表7 中對基于TRIZ 理論創新技術方案的用戶旅程進行數字化驗證，通過表7 與表4 市場現有家用充電沖擊鉆用戶鉆墻作業旅程分析表的比對，將共性顯性問題和共性隱性問題PB1-6 的解決成效實現閉環驗證。

通過表7 和表4 的對比可知，較之市場上現有家用充電沖擊鉆的11 個步驟的用戶旅程，基于TRIZ 理論的創新技術方案的家用充電沖擊鉆用戶鉆墻作業旅程僅需6 個步驟即可順利完成鉆墻工作，且過程中將有效消除了有害作用，有用但不充分的相互作用被進一步轉化為用用充分的相互作用，使得現有家用充電沖擊鉆PB1-6 的共性顯性問題和共性隱性問題得到有效解，同時解決成果具有較高的商業化實現條件。

結論

文章通過用戶滿意度分析和用戶旅程圖分析，發現了家用充電沖擊鉆的4 項共性顯性問題，發掘了2 項共性隱性問題；基于TRIZ 理論的產品創新設計范式模型，將家用充電沖擊鉆上述6 項問題歸納為有用但不充分作用和有害作用兩類物場問題，同時創新性地提出“FOX”控熵物場模型，并輸出有效且控熵的解決方案。同時，該創新設計范式模型連同“FOX”控熵物場模型也為消費電子類產品的技術創新提供了一定的參照。