基于TRIZ和FBS的閉環設計方法（上）
3 搓澡機創新設計過程
3.1 確定問題
手部有殘疾的人群、老人和胖人對搓澡機有很強烈的新需求：
(1)不需要手動即可控制搓澡/按摩方向。
(2)按摩時移動速度慢、擠壓力大。
為了衡量發明的水平和影響，Altshuller根據解決問題所需要的反復嘗試(TRIAL AND ERROR)次數把問題分為5個層次，對應著問題的解，其中發明或專利等級最高（5級發明）。1級發明最低，只是對產品的一般改進。利用此評估方法，在中國專利局官方網站搜索關鍵詞“搓澡機”，得到發明專利15個，統計各年份專利申請的數量，并對該年專利逐個分析、評估后，得到表1。
表1 各年專利申請數量及分析評估
此外，Altshuller還提出采用性能、專利數量、專利級別和利潤率4個尺度變量來評估系統所處S曲線的位置。每個尺度變量都有自己的以時間為橫坐標的特征曲線（2.1節圖4所示）。對應搓澡機的專利數量和專利等級，得知針對搓澡機的研究處于嬰兒期。
3.2 分析現有設計優缺點
現在15個專利中：手持式搓澡機專利1款，其產品現已面世，但銷量不大；掛壁式搓澡機14款，未見產品。比較現有專利的優缺點，如表2所示。
3.3 根據TRIZ進化理論和專利，預測并總結進化方向
(1)趨于經濟性。在商業模式日趨發達的今天，經濟性占據了首位，而所有的專利中，也只有最小型的“手持式的搓澡機”投入市場。其最大的原因便是該設計成本低，經濟性好。
(2)趨于掛壁方式固定。面世產品為手持式，但手持式有其不可避免的缺陷：轉矩不平衡和需要手臂提供擠壓力。這兩點使得手持式搓澡機不能滿足殘疾人、老人、小孩和婦女的需求。費力、不舒服、面向人群少是阻礙手持搓澡機銷量的瓶頸。掛壁式搓澡機可以有效地規避這3點：擠壓力由人體重力提供；無任何費力操作；可面對所有人群（包括殘疾人、老人、皮膚病患者）。
(3)趨于非手動控制。由于殘疾人、老人和其他搓澡不方便的人群存在，非手動控制一定是未來的進化方向。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。隨著經濟的發展，人們對生活水平的要求越來越高，傳統的純搓洗用的機器已經不能適應當代用戶的需求；而快節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。評價按摩功能的主要參數只有舒適度，而舒適度就要求搓澡機可提供坐式按摩和立式搓澡兩種模式。
3.4 基于進化方向，抽象目標功能和尋求最優解的過程
(1)目標：對身體進行搓洗并按摩。
人們對搓洗和按摩的要求有3個：力度、速度和位置。搓洗的本質是產生摩擦，按摩的本質是低速的點受力。搓洗功能容易實現，但是為了追求舒適度，如壁掛自蹭式搓澡機一類的用戶運動型搓澡機首先被淘汰；其次，傳統的搓澡巾或者皮帶傳動型搓澡機使用面摩擦，難以達到點受力的按摩效果，專利中搓棍式洗澡機能夠達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、墻體分隔式搓澡機和調速滑輪滑槽式搓澡機都采用了搓澡頭的設計，實現了點受力按摩，但是這些設計搓洗效率低、受力不平衡、升降需要手動控制，不能面對所有人群，需要對這些進行改進。
(2)目標：搓洗效率高、受力平衡
在選用搓澡頭設計的基礎上，要想提高搓洗效率，必須多個搓澡頭并用，以擴大面積。另一方面，設計必須采用偶數個搓澡頭對稱布置才可避免扭力不平衡的問題。從基于FBS的概念設計和人機工程學原理出發，以搓洗背部為例，設計必須涵蓋如圖7中的6個位置，綜合按摩經絡的設計目標，選用了菱形分布的4個搓澡頭。
圖7 回旋傳動機構
(3)目標：非手動控制箱體升降
此目標抽象為人們對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域的搓洗按摩，但本設計如果不能升降，不要說搓洗全身，就連背部都不能覆蓋，故升降功能是“必要解”。此外，結合進化方向的“趨于非手動控制”進化方向，對比踏板控制、壓力控制和聲音控制的實現難易程度和經濟性，該設計選用踏板控制箱體升降。
(4)目標：防水、安全、穩定性。
浴室里的機電產品考慮最多的就是“防水和安全”問題，對比專利和已有文獻不難發現，安全問題可以通過弱點驅動/控制、嚴格防水來解決，但是在電路控制、電源轉換環節很難做到嚴格防水，否則經濟性會非常差。現有設計里，升降裝置主要通過絲桿和繩輪實現，其驅動的穩定性非常差，除了有非常大的震顫和噪聲外，還必須依靠電機驅動，而一旦使用電機，就會使得在潮濕環境下工作的搓澡機工作穩定性下降很多，如果短路，該方案也是失敗的設計。
表2 現有專利結構特點及優缺點對比
3.5 確定最優解
以尋求搓澡機行程控制的最優解為例，由“進化模式”和“進化潛能圖”發散得到的行程控制方案有：背部壓力控制、遙控板控制和腳動踏板控制。利用TRIZ矛盾矩陣，對不同控制方式進行分析。
總的來說，3種控制方式的可控性均存在缺點。遙控板控制依靠紅外傳感器，在浴室環境下，靈敏度不高；腳動踏板控制利用踏板實現“升、降、停”3功能的時候，腳踝反向受力不符合人機工程學原理；背部壓力控制對用戶操作的要求更高，且按摩效果會大大減弱。利用TRIZ矛盾矩陣（如表3所示）對“32可操作性”做出改善。由于搓澡機系統中只有摩擦力做負功，綜合考慮液壓傳動的特點；允許惡化的參數有：25時間損失、23物質損失和10力。
表3 TRIZ矛盾矩陣
查矩陣得到可利用的發明原理：2分離、4對稱變化、10預操作、13反向、24中介物、28機械系統的替代、32光學性能變化、34拋棄與修復、35屬性轉變。利用其中的第28條“機械系統的替代”——用視覺、聽覺、嗅覺系統代替部分機械系統，可以得到提升可控性的解決方案，即聲控升降系統。
綜合設計者經驗考慮，聲控升降系統無外在機械結構、體積小，即控制性和安全性好，可以滿足除語言障礙外所有人群的需求，在搓澡機的控制方案中為最優解。
應用TRIZ矛盾矩陣分析絲杠傳動和繩輪傳動方案，前者的噪聲、振動較大而且易生銹，后者繩輪部分的防潮和防腐性很低，兩者電機驅動極易發生漏電、觸電安全隱患，故對其“31產生的有害因素”改進。同理，得到“29應用氣動或液壓結構”。
綜合設計者經驗考慮，電機絲桿傳動方式的優點是經濟，但不安全、不穩定，防水要求極其苛刻，負載小、有噪聲、有振動；液壓動力的缺點是經濟性不夠和油管老化帶來的維修不便，但是絕對安全、絕對穩定、使用壽命長、完全不需要防水處理、負載大、無噪聲、無振動，而且“維修不便”的缺點可以通過內設油路的方法得到根本性解決。故液壓動力傳動為搓澡機傳動方案的最優解。
此外，胸腹3大經絡分布范圍最廣、最易實現按摩功能，所以菱形分布的搓澡頭為最優解；為了提供足夠的擠壓力，壁掛式設計為最優解。對于利用TRIZ矛盾矩陣對其的改善過程在此不在贅述。
由上分析，搓澡機的最優解為：液壓傳動式菱形搓澡機。這樣的優點是：安全、穩定、不必做防水處理、無噪聲、無振動、負載大、可遠端控制、可踏板控制、行程調節簡便。缺點是：經濟性一般。液壓傳動菱形搓澡機主體部分模型如圖8所示。
圖8 液壓傳動式菱形搓澡機主體部分模型
用聯合FBS和TRIZ的設計方法設計的液壓傳動式掛壁菱形搓澡機，對比現有其他專利，評估如表4所示。
表4 評估
5 結論
所提出的“結合TRIZ和FBS的創新設計方法”綜合了TRIZ和FBS理論的優勢，即FBS可以輔助和完善TRIZ進化理論，TRIZ可以輔助FBS較快地找到最優解。
此創新設計方法根據TRIZ和FBS得出的產品要求，不僅滿足用戶的需求，而且符合進化的趨勢，前景很好。
基于用戶需求和TRIZ理論得到的進化方向，再結合FBS的概念設計，可以進一步完善和預測進化方向。而且基于以上產品要求的FBS尋求最優解過程在TRIZ矛盾矩陣的輔助下，對“行為-結構”的改進和取舍提供了很好的支持。
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本文標題：基于TRIZ和FBS的閉環設計方法（下）
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