李夏 胡光忠

摘要：針對(duì)目前跑步機(jī)普遍存在的占用空間大、功能單一、節(jié)能效率低等問題，設(shè)計(jì)一種新型多功能智能跑步機(jī)?；赥RIZ理論中將該問題轉(zhuǎn)換為技術(shù)矛盾問題，建立跑步機(jī)功能組件模型，采用矛盾矩陣工具獲取優(yōu)先推薦創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理，并結(jié)合實(shí)際選擇最佳原理解決設(shè)計(jì)中的問題。通過TRIZ理論設(shè)計(jì)的跑步機(jī)具有可收納折疊，造型美觀，節(jié)能效果明顯，功能完善，智能化、信息化程度高等特點(diǎn)。相比傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，TRIZ創(chuàng)新理論提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了開發(fā)周期，在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)等領(lǐng)域具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：TRIZ;跑步機(jī);技術(shù)矛盾;矛盾矩陣

中國(guó)分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）02-0152-02

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們對(duì)于體育鍛煉的觀念逐漸改變，全民健身、國(guó)民體質(zhì)等相關(guān)問題越來越多的引起人們的關(guān)注。與此同時(shí)，人民健身方式也從傳統(tǒng)的自發(fā)性無器械健身，逐漸向器械健身方式轉(zhuǎn)變。由于我國(guó)大部分地區(qū)空氣污染嚴(yán)重，霧霾天氣下長(zhǎng)期在室外進(jìn)行體育鍛煉會(huì)影響心肺功能，極易誘發(fā)支氣管炎、哮喘等心血管疾病，對(duì)人體健康是極大的威脅。除此之外，天氣狀況、路面狀況、車輛行人等因素也制約著人們的室外運(yùn)動(dòng)。因此跑步機(jī)作為一種科學(xué)、安全的室內(nèi)健身器械越來越受到歡迎。而且跑步機(jī)還能及時(shí)向健身者反饋身體狀況，提高了安全性[1，2]。目前國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)了大量形式各樣、具有各種功能的跑步機(jī)，雖然獲得了市場(chǎng)的好評(píng)，但是仍然存在一些問題亟待解決[3]：（1）體積較大，占用大量空間;（2）功能單一，智能化、信息化程度不高;（3）節(jié)能效率不高。因此，如何在跑步機(jī)現(xiàn)有發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)尋求改變，提高跑步機(jī)的適用性、提升跑步機(jī)的智能化、信息化程度具有重要意義。

1 TRIZ創(chuàng)新理論

TRIZ創(chuàng)新理論是由前蘇聯(lián)學(xué)者阿奇舒勒在分析總結(jié)了近250萬件發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，不斷探索、提煉、總結(jié)，并綜合多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域之后提出的一種解決發(fā)明創(chuàng)造問題的理論[4，5]。與傳統(tǒng)的創(chuàng)新原理不同，TRIZ理論成功揭示了發(fā)明創(chuàng)造的內(nèi)在規(guī)律何原理，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)抽象為技術(shù)系統(tǒng)，并將問題用TRIZ語言進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的定義和分析，再依托發(fā)明問題的內(nèi)在規(guī)律指導(dǎo)設(shè)計(jì)師系統(tǒng)的、高效的、有針對(duì)性的完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)，大大縮短了研發(fā)周期，在機(jī)械設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品評(píng)估、管理創(chuàng)新等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[6，7]。一般地，TRIZ解決問題的過程可分為3個(gè)步驟：（1）將待解決的問題轉(zhuǎn)換為TRIZ中的某種通用問題模型;（2）利用TRIZ中相應(yīng)的中間工具;（3）得到TRIZ解決方案。

2 理想解分析

理想解（IFR，Ideal Final Result）表示在不存在物理實(shí)體，不消耗資源和能量卻能夠?qū)崿F(xiàn)理論上產(chǎn)品可以達(dá)到的理想狀態(tài)[8]。對(duì)于理想解的分析包括6個(gè)步驟：（1）設(shè)計(jì)的最終目的是什么？（2）明確IFR是什么？（3）實(shí)現(xiàn)IFR的障礙是什么？（4）出現(xiàn)這種障礙的結(jié)果是什么？（5）不出現(xiàn)這種障礙的結(jié)果是什么？（6）明確創(chuàng)造這些條件的可用資源是什么[9，10]？就跑步機(jī)而言，其IFR的相關(guān)分析如表1所示。

3 TRIZ問題求解過程

3.1 跑步機(jī)的問題模型

TRIZ的問題模型是從“功能”角度來分析系統(tǒng)的各個(gè)組件執(zhí)行和完成功能的情況。其目的是優(yōu)化技術(shù)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)并減少實(shí)現(xiàn)功能的資源消耗。跑步機(jī)是一種電機(jī)通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬不同速度和坡度的跑步環(huán)境的健身器材。它由機(jī)架、跑臺(tái)、電機(jī)、傳動(dòng)裝置、皮帶、儀表等元器件組成。跑步機(jī)的組件模型如圖1所示，其相互關(guān)系可以描述為：機(jī)架支撐電機(jī)、跑臺(tái)和儀表，電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)裝置、跑臺(tái)定位皮帶，于此同時(shí)，傳動(dòng)裝置帶動(dòng)皮帶，皮帶支撐健身者，儀表的功能是顯示信息。該跑步機(jī)擬以技術(shù)矛盾為問題模型完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3.2 跑步機(jī)的矛盾矩陣

在技術(shù)矛盾的求解過程中，將待解決的具體問題通過TRIZ理論提供的39個(gè)通用工程參數(shù)轉(zhuǎn)換為一般問題。該39個(gè)參數(shù)是阿奇舒勒分析大量專利文獻(xiàn)之后總結(jié)出來的，足以涵蓋工程領(lǐng)域中出現(xiàn)的絕大部分技術(shù)矛盾。再從正面和反面兩個(gè)角度探索技術(shù)系統(tǒng)中的改善參數(shù)與惡化參數(shù)，并構(gòu)建矛盾矩陣。最后通過查找矛盾矩陣中兩項(xiàng)參數(shù)所在行和列的交叉點(diǎn)，從40個(gè)創(chuàng)新原理中查找解決該技術(shù)矛盾的優(yōu)先推薦創(chuàng)新原理。最終根據(jù)推薦原理和相關(guān)實(shí)例尋求最佳設(shè)計(jì)方案[11]。

具體到跑步機(jī)而言，（1）針對(duì)體積較大、占用大量空間的問題，擬以圖2問題模型中的“跑臺(tái)”為問題入手點(diǎn)，對(duì)應(yīng)改善參數(shù)為“靜止物體的體積（N0.8）”，惡化參數(shù)為“形狀（NO.12）”，通過表2所示的矛盾矩陣，以N0.8為橫坐標(biāo)，以N0.12為縱坐標(biāo)，查找可能解決該矛盾的創(chuàng)新原理為7一嵌套原理，2一抽取原理和35-物理和化學(xué)參數(shù)改變?cè)?。?）同理，針對(duì)功能單一，智能化、信息化程度不高的問題，以“儀表”為問題入手點(diǎn)，改善參數(shù)為“操作流程的方便性（No.33）”，惡化的參數(shù)為“可制造性（No.32）”，通過查找矛盾矩陣，得到推薦創(chuàng)新原理為2一抽取原理，5一合并、組合原理和12-等勢(shì)原理。（3）針對(duì)節(jié)能效率不高的問題，以“跑臺(tái)”和“機(jī)架”為問題入手點(diǎn)，改善的參數(shù)為“能量損失（N0.22）”，惡化的參數(shù)為“物質(zhì)的量（N0.26）”，查找矛盾矩陣，得到推薦創(chuàng)新原理為7一嵌套原理，18-機(jī)械振動(dòng)原理和25-自服務(wù)原理。

3.3 跑步機(jī)的TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)

針對(duì)體積較大、占用大量空間的問題選取7一嵌套原理。嵌套原理是把一個(gè)物體嵌入另一物體，然后將這兩個(gè)物體再嵌入到第三個(gè)物體，以此類推。因此，基于嵌套原理，將傳統(tǒng)跑臺(tái)設(shè)置為可折疊式跑臺(tái)，健身結(jié)束的時(shí)候可將跑臺(tái)收納折疊到機(jī)架的空隙中。由于機(jī)架采用美式風(fēng)格設(shè)計(jì)，造型美觀、時(shí)尚、大方，折疊后可將其作為茶幾、墻擺放置在客廳中，美觀又實(shí)用。

針對(duì)功能單一，智能化、信息化程度不高的問題，選取5一合并、組合原理。合并、組合原理是指在空間上將相同物體或相關(guān)操作加以組合。故將跑步機(jī)同平板電腦組合在一起，取代傳統(tǒng)的儀表顯示，既提高了健身信息的智能化程度，又能加強(qiáng)跑步機(jī)的信息化程度，拓展了諸如娛樂、音樂、電影、聊天、網(wǎng)購等平板電腦具有的相關(guān)功能，對(duì)年輕健身者來說具有很強(qiáng)的吸引力。

針對(duì)節(jié)能效率不高的問題，選取25-自服務(wù)原理。自服務(wù)原理是指讓物體通過執(zhí)行輔助或維護(hù)功能為自身服務(wù)。所以擬有效利用跑臺(tái)前輪和后輪及上、下平行皮帶形成的空間，將輔助設(shè)施發(fā)電機(jī)置于其中。另利用機(jī)架平臺(tái)下方的空間，放置若干鋰離子電池。當(dāng)跑步機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)鋰離子電池充電。該電能主要用于平板電腦的供電，機(jī)架平臺(tái)上配置有兩個(gè)USB接口，可作為外接電源輸出。當(dāng)鋰離子電池儲(chǔ)存的電量足夠時(shí)可以直接為整個(gè)跑步機(jī)供電，大大減小了能量消耗，提高了能量利用率。跑步機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)效果如圖2所示。

4 結(jié)語

基于現(xiàn)有跑步機(jī)在體積、功能和節(jié)能方面的問題，依托TRIZ理論充分分析跑步機(jī)IFR，并以此為最終目標(biāo)研究跑步機(jī)的問題模型，充分探究各問題入手點(diǎn)的改善參數(shù)和惡化參數(shù)，在39個(gè)工程參數(shù)和40個(gè)創(chuàng)新原理構(gòu)成的矛盾矩陣中查找優(yōu)先推薦的創(chuàng)新原理提出創(chuàng)新方案。結(jié)果表明，TRIZ理論可以很好的應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程之中，能夠拓展設(shè)計(jì)思路、提高設(shè)計(jì)效率、為創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了一條切實(shí)可行的方法，對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有重要的意義。

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