基于TRIZ和FBS的閉環(huán)設(shè)計(jì)方法（上）
3 搓澡機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程
3.1 確定問(wèn)題
手部有殘疾的人群、老人和胖人對(duì)搓澡機(jī)有很強(qiáng)烈的新需求：
(1)不需要手動(dòng)即可控制搓澡/按摩方向。
(2)按摩時(shí)移動(dòng)速度慢、擠壓力大。
為了衡量發(fā)明的水平和影響，Altshuller根據(jù)解決問(wèn)題所需要的反復(fù)嘗試(TRIAL AND ERROR)次數(shù)把問(wèn)題分為5個(gè)層次，對(duì)應(yīng)著問(wèn)題的解，其中發(fā)明或?qū)＠燃?jí)最高（5級(jí)發(fā)明）。1級(jí)發(fā)明最低，只是對(duì)產(chǎn)品的一般改進(jìn)。利用此評(píng)估方法，在中國(guó)專利局官方網(wǎng)站搜索關(guān)鍵詞“搓澡機(jī)”，得到發(fā)明專利15個(gè)，統(tǒng)計(jì)各年份專利申請(qǐng)的數(shù)量，并對(duì)該年專利逐個(gè)分析、評(píng)估后，得到表1。
表1 各年專利申請(qǐng)數(shù)量及分析評(píng)估
此外，Altshuller還提出采用性能、專利數(shù)量、專利級(jí)別和利潤(rùn)率4個(gè)尺度變量來(lái)評(píng)估系統(tǒng)所處S曲線的位置。每個(gè)尺度變量都有自己的以時(shí)間為橫坐標(biāo)的特征曲線（2.1節(jié)圖4所示）。對(duì)應(yīng)搓澡機(jī)的專利數(shù)量和專利等級(jí)，得知針對(duì)搓澡機(jī)的研究處于嬰兒期。
3.2 分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)
現(xiàn)在15個(gè)專利中：手持式搓澡機(jī)專利1款，其產(chǎn)品現(xiàn)已面世，但銷(xiāo)量不大；掛壁式搓澡機(jī)14款，未見(jiàn)產(chǎn)品。比較現(xiàn)有專利的優(yōu)缺點(diǎn)，如表2所示。
3.3 根據(jù)TRIZ進(jìn)化理論和專利，預(yù)測(cè)并總結(jié)進(jìn)化方向
(1)趨于經(jīng)濟(jì)性。在商業(yè)模式日趨發(fā)達(dá)的今天，經(jīng)濟(jì)性占據(jù)了首位，而所有的專利中，也只有最小型的“手持式的搓澡機(jī)”投入市場(chǎng)。其最大的原因便是該設(shè)計(jì)成本低，經(jīng)濟(jì)性好。
(2)趨于掛壁方式固定。面世產(chǎn)品為手持式，但手持式有其不可避免的缺陷：轉(zhuǎn)矩不平衡和需要手臂提供擠壓力。這兩點(diǎn)使得手持式搓澡機(jī)不能滿足殘疾人、老人、小孩和婦女的需求。費(fèi)力、不舒服、面向人群少是阻礙手持搓澡機(jī)銷(xiāo)量的瓶頸。掛壁式搓澡機(jī)可以有效地規(guī)避這3點(diǎn)：擠壓力由人體重力提供；無(wú)任何費(fèi)力操作；可面對(duì)所有人群（包括殘疾人、老人、皮膚病患者）。
(3)趨于非手動(dòng)控制。由于殘疾人、老人和其他搓澡不方便的人群存在，非手動(dòng)控制一定是未來(lái)的進(jìn)化方向。包括踏板控制、壓力控制和聲音控制等等。
(4)趨于按摩搓洗一體化。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活水平的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的純搓洗用的機(jī)器已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)代用戶的需求；而快節(jié)奏高壓力的生活也使得按摩功能不可或缺。
(5)趨于坐立兩式。評(píng)價(jià)按摩功能的主要參數(shù)只有舒適度，而舒適度就要求搓澡機(jī)可提供坐式按摩和立式搓澡兩種模式。
3.4 基于進(jìn)化方向，抽象目標(biāo)功能和尋求最優(yōu)解的過(guò)程
(1)目標(biāo)：對(duì)身體進(jìn)行搓洗并按摩。
人們對(duì)搓洗和按摩的要求有3個(gè)：力度、速度和位置。搓洗的本質(zhì)是產(chǎn)生摩擦，按摩的本質(zhì)是低速的點(diǎn)受力。搓洗功能容易實(shí)現(xiàn)，但是為了追求舒適度，如壁掛自蹭式搓澡機(jī)一類(lèi)的用戶運(yùn)動(dòng)型搓澡機(jī)首先被淘汰；其次，傳統(tǒng)的搓澡巾或者皮帶傳動(dòng)型搓澡機(jī)使用面摩擦，難以達(dá)到點(diǎn)受力的按摩效果，專利中搓棍式洗澡機(jī)能夠達(dá)到線受力的按摩效果，但是搓洗面積小，舒適度低，所以被淘汰；手持式搓澡機(jī)、墻體分隔式搓澡機(jī)和調(diào)速滑輪滑槽式搓澡機(jī)都采用了搓澡頭的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)受力按摩，但是這些設(shè)計(jì)搓洗效率低、受力不平衡、升降需要手動(dòng)控制，不能面對(duì)所有人群，需要對(duì)這些進(jìn)行改進(jìn)。
(2)目標(biāo)：搓洗效率高、受力平衡
在選用搓澡頭設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，要想提高搓洗效率，必須多個(gè)搓澡頭并用，以擴(kuò)大面積。另一方面，設(shè)計(jì)必須采用偶數(shù)個(gè)搓澡頭對(duì)稱布置才可避免扭力不平衡的問(wèn)題。從基于FBS的概念設(shè)計(jì)和人機(jī)工程學(xué)原理出發(fā)，以搓洗背部為例，設(shè)計(jì)必須涵蓋如圖7中的6個(gè)位置，綜合按摩經(jīng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，選用了菱形分布的4個(gè)搓澡頭。
圖7 回旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
(3)目標(biāo)：非手動(dòng)控制箱體升降
此目標(biāo)抽象為人們對(duì)搓澡和按摩位置的要求，如圖7中的菱形方案保證了固定區(qū)域的搓洗按摩，但本設(shè)計(jì)如果不能升降，不要說(shuō)搓洗全身，就連背部都不能覆蓋，故升降功能是“必要解”。此外，結(jié)合進(jìn)化方向的“趨于非手動(dòng)控制”進(jìn)化方向，對(duì)比踏板控制、壓力控制和聲音控制的實(shí)現(xiàn)難易程度和經(jīng)濟(jì)性，該設(shè)計(jì)選用踏板控制箱體升降。
(4)目標(biāo)：防水、安全、穩(wěn)定性。
浴室里的機(jī)電產(chǎn)品考慮最多的就是“防水和安全”問(wèn)題，對(duì)比專利和已有文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，安全問(wèn)題可以通過(guò)弱點(diǎn)驅(qū)動(dòng)/控制、嚴(yán)格防水來(lái)解決，但是在電路控制、電源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)很難做到嚴(yán)格防水，否則經(jīng)濟(jì)性會(huì)非常差�，F(xiàn)有設(shè)計(jì)里，升降裝置主要通過(guò)絲桿和繩輪實(shí)現(xiàn)，其驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性非常差，除了有非常大的震顫和噪聲外，還必須依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而一旦使用電機(jī)，就會(huì)使得在潮濕環(huán)境下工作的搓澡機(jī)工作穩(wěn)定性下降很多，如果短路，該方案也是失敗的設(shè)計(jì)。
表2 現(xiàn)有專利結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
3.5 確定最優(yōu)解
以尋求搓澡機(jī)行程控制的最優(yōu)解為例，由“進(jìn)化模式”和“進(jìn)化潛能圖”發(fā)散得到的行程控制方案有：背部壓力控制、遙控板控制和腳動(dòng)踏板控制。利用TRIZ矛盾矩陣，對(duì)不同控制方式進(jìn)行分析。
總的來(lái)說(shuō)，3種控制方式的可控性均存在缺點(diǎn)。遙控板控制依靠紅外傳感器，在浴室環(huán)境下，靈敏度不高；腳動(dòng)踏板控制利用踏板實(shí)現(xiàn)“升、降、停”3功能的時(shí)候，腳踝反向受力不符合人機(jī)工程學(xué)原理；背部壓力控制對(duì)用戶操作的要求更高，且按摩效果會(huì)大大減弱。利用TRIZ矛盾矩陣（如表3所示）對(duì)“32可操作性”做出改善。由于搓澡機(jī)系統(tǒng)中只有摩擦力做負(fù)功，綜合考慮液壓傳動(dòng)的特點(diǎn)；允許惡化的參數(shù)有：25時(shí)間損失、23物質(zhì)損失和10力。
表3 TRIZ矛盾矩陣
查矩陣得到可利用的發(fā)明原理：2分離、4對(duì)稱變化、10預(yù)操作、13反向、24中介物、28機(jī)械系統(tǒng)的替代、32光學(xué)性能變化、34拋棄與修復(fù)、35屬性轉(zhuǎn)變。利用其中的第28條“機(jī)械系統(tǒng)的替代”——用視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)系統(tǒng)代替部分機(jī)械系統(tǒng)，可以得到提升可控性的解決方案，即聲控升降系統(tǒng)。
綜合設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)考慮，聲控升降系統(tǒng)無(wú)外在機(jī)械結(jié)構(gòu)、體積小，即控制性和安全性好，可以滿足除語(yǔ)言障礙外所有人群的需求，在搓澡機(jī)的控制方案中為最優(yōu)解。
應(yīng)用TRIZ矛盾矩陣分析絲杠傳動(dòng)和繩輪傳動(dòng)方案，前者的噪聲、振動(dòng)較大而且易生銹，后者繩輪部分的防潮和防腐性很低，兩者電機(jī)驅(qū)動(dòng)極易發(fā)生漏電、觸電安全隱患，故對(duì)其“31產(chǎn)生的有害因素”改進(jìn)。同理，得到“29應(yīng)用氣動(dòng)或液壓結(jié)構(gòu)”。
綜合設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)考慮，電機(jī)絲桿傳動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)，但不安全、不穩(wěn)定，防水要求極其苛刻，負(fù)載小、有噪聲、有振動(dòng)；液壓動(dòng)力的缺點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性不夠和油管老化帶來(lái)的維修不便，但是絕對(duì)安全、絕對(duì)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、完全不需要防水處理、負(fù)載大、無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)，而且“維修不便”的缺點(diǎn)可以通過(guò)內(nèi)設(shè)油路的方法得到根本性解決。故液壓動(dòng)力傳動(dòng)為搓澡機(jī)傳動(dòng)方案的最優(yōu)解。
此外，胸腹3大經(jīng)絡(luò)分布范圍最廣、最易實(shí)現(xiàn)按摩功能，所以菱形分布的搓澡頭為最優(yōu)解；為了提供足夠的擠壓力，壁掛式設(shè)計(jì)為最優(yōu)解。對(duì)于利用TRIZ矛盾矩陣對(duì)其的改善過(guò)程在此不在贅述。
由上分析，搓澡機(jī)的最優(yōu)解為：液壓傳動(dòng)式菱形搓澡機(jī)。這樣的優(yōu)點(diǎn)是：安全、穩(wěn)定、不必做防水處理、無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、負(fù)載大、可遠(yuǎn)端控制、可踏板控制、行程調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便。缺點(diǎn)是：經(jīng)濟(jì)性一般。液壓傳動(dòng)菱形搓澡機(jī)主體部分模型如圖8所示。
圖8 液壓傳動(dòng)式菱形搓澡機(jī)主體部分模型
用聯(lián)合FBS和TRIZ的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的液壓傳動(dòng)式掛壁菱形搓澡機(jī)，對(duì)比現(xiàn)有其他專利，評(píng)估如表4所示。
表4 評(píng)估
5 結(jié)論
所提出的“結(jié)合TRIZ和FBS的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法”綜合了TRIZ和FBS理論的優(yōu)勢(shì)，即FBS可以輔助和完善TRIZ進(jìn)化理論，TRIZ可以輔助FBS較快地找到最優(yōu)解。
此創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法根據(jù)TRIZ和FBS得出的產(chǎn)品要求，不僅滿足用戶的需求，而且符合進(jìn)化的趨勢(shì)，前景很好。
基于用戶需求和TRIZ理論得到的進(jìn)化方向，再結(jié)合FBS的概念設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步完善和預(yù)測(cè)進(jìn)化方向。而且基于以上產(chǎn)品要求的FBS尋求最優(yōu)解過(guò)程在TRIZ矛盾矩陣的輔助下，對(duì)“行為-結(jié)構(gòu)”的改進(jìn)和取舍提供了很好的支持。
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