基于TRIZ理论的新型活动靠背设计研究*

2013-07-04彭开元栾国强何雪涛

机械研究与应用 2013年4期

彭开元，栾国强，何雪涛

(北京化工大学机电工程学院，北京 100029)

1 引言

TRⅠZ理论是一种通过寻找冲突进行机械设计与优化的方法，主要包括矛盾矩阵、发明原理、物-场模型分析等方法。通过TRⅠZ理论可寻找传统设计中存在的不足之处，完成对床头活动靠背的创新设计［1］。床头活动靠背作为生活辅助用具，它将成为残疾人、老年人、长时间卧床人员以及住院病人必备的生活用具。基于人体工程学的靠背形状设计可有效地将人体的背部兜托于自然弯曲舒适而身体又不会下滑的坐卧状态，随着靠背角度的任意调节，使人能长时间舒适地靠在床上而不会感到乏累。

2 活动靠背设计的方法与流程

利用TRⅠZ理论设计床头活动靠背，分为以下六个步骤，如图1所示。其中，第一步是寻找日常生活中不同种类的活动靠背所存在的各种缺陷与不足;第二步寻找其中的冲突;第三步将冲突分类，陈述改善后的理想状态;第四步运用物场分析法;第五步得出通用解，并对其进行特殊化处理;第六步进行评价与改进，得出最终方案。

3 活动靠背的设计

3.1 角度调节部分的应用

3.1.1 寻找现有活动靠背的缺陷

现有的床头活动靠背结构中，在市场上广泛存在的结构如图2所示［2］，它主要存在两点缺陷:①当使用者坐在活动靠背上时，无法进行靠背角度的调节;②靠背的调节角度只有数档，是一种有级调节，而不能使靠背固定在任何角度。

图1 运用TRⅠZ设计活动靠背流程图

3.1.2 寻找技术矛盾

矛盾一:改善参数为:操作的方便性(No.34);恶化参数为:控制的复杂性(No.46)。

矛盾二:改善参数为:兼容性或连通性(No.33);恶化参数为:结构的稳定性(No.21)。

3.1.3 运用矛盾矩阵表寻找解决方法

对于第一组矛盾，由2003矛盾矩阵表［3］可以查得，可运用 01、25、37、05、03、10 号发明原理，即分割(01)，自服务(25)，热膨胀(37)，组合、合并(05)，局部质量(03)，预先作用(10)。

由分割和组合可将图2中的几级卡槽变为图3中类似于书包背带的结构，这样只要调节书包背带的长短就可以使活动靠背呈任意角度，方便使用者的坐卧。

图2 传统活动靠背的有级调节结构

图3 通过弹性带实现无级调节

对于第二组矛盾，可运用35、24、33、27、03、10 号发明原理，即物理或化学参数变化(35)，借助中介物(24)，同质性(33)，廉价替代品(27)，局部质量(03)，预先作用(10)。

由借助中介物与替代品原理，选取与汽车调角器相似的替代品，如图4所示，将其与活动靠背的椅背与椅面相连，在弹簧的预紧下，使用者可通过位于活动靠背侧面的把手，方便地控制椅背的角度，且在120°的范围内固定。

图4 调角器运用在活动靠背中

3.2 椅背部分的设计

3.2.1 现有靠背椅背部分的设计缺陷

现有的活动靠背椅背部分的设计简单，是将海绵或者尼龙固定于椅框上，这种设计在使用者长时间保持坐姿的情况下，会给使用者带来不舒适，对于老年人与病人来说，更加严重［4］。

3.2.2 寻找技术矛盾

矛盾一:改善参数为:舒适性(No.32);恶化参数:装置的复杂性(No.45)。

矛盾二:改善参数为:自动化程度(No.43);恶化参数为:装置的复杂性(No.45)。

3.2.3 运用矛盾矩阵表寻找解决方法

对于第一组矛盾，由2003矛盾矩阵表［3］可以查得，可运用 06、28、29、31、35、40、17、25 号发明原理，即多用型(06)，机械系统替代(28)，气压或液压结构(29)，多孔材料(31)，物理或化学参数变化(35)，复合材料(40)，一维变多维(17)，自服务(25)。对活动靠背进行优化。

由机械系统替代原理可以想到，在椅背与下支撑板连接处，可以放弃使用传统的刚性连接，而使用弹簧与连杆相连接的方式，如图5所示，使靠背固定角度时有一缓冲空间，使舒适度增加。

由一维变多维原理，考虑可以将椅背部分分为两部分，与连杆机构相连，分别由2个电机控制其的运动，这样椅背在侧视图上，由一条简单的直线变为2段可在侧视平面内自由调节角度的线段，椅背下段的长度设计为4～5腰椎的长度，由《人机工程与造型设计》［5］知，这样人体上身的支撑点由腰椎提供，压力适当地分布于各椎间盘上，肌肉组织上分布均匀的静压力，使人体处于良好的坐姿下。

图5 椅背连接处采用弹簧连接

由多维材料及复合材料发明原理，活动靠背的材料可以摒弃传统的尼龙布料，而使用多孔材料增加其通气性，在成本允许的情况下，可以使用记忆海绵，增加使用者的舒适性。

对于第二组矛盾，由2003矛盾矩阵表可以查得，可运用15、24、28、13、04、17 号发明原理，即动态特性(No.15)，借助中介物(No.24)，机械系统替代(No.28)，反向作用(No.13)，增加不对称性(No.04)，一维变多维(No.17)对活动靠背进行优化。

由动态特性，借助中介物与增加不对称性原理，在活动靠背的一侧安装同步齿轮带轮幅与小型电机，使靠背部分为电控，实现自动控制的目的，由于同步齿形带轮的中介作用，这些的电控装置不同于传统的电控系统，是十分简单的［6］。

3.3 照明模块的设计

为了方便用户阅读，设计照明模块置于床上活动靠背中，代替传统的床头灯，照明模块需满足占用较小的位置，较为简单的安装方式以及光线分布均匀等特点。运用TRⅠZ理论需找合理方案。

结合TRⅠZ理论创新软件Pro/Ⅰ，受到专利热收缩将管固定在壁中［7］的启发，可使用热收缩树脂制作照明模块的外壁，并将光源做成柱状。将待固定的光源插入活动靠背两侧的预留孔中。靠背侧面上孔的周围有凸出部分。用一段长度较短的热收缩柱形件将凸出部分和一部分插入管包覆起来。在相对较低的温度下加热热收缩柱形件。在所提供的热的作用下，柱形件发生热收缩，即其尺寸减小。柱形件被压缩，在壁内将照明模块与凸出部分连结起来。这样，便将照明模块固定在了床上活动靠背上。

此安装方式简单轻便，占用很小的空间，且比传统的插入式安装要牢固很多。

另外，传统的照明模块或者床头台灯的光线分布不均匀，易被遮挡且不适合阅读。要解决这个问题，运用Solution KB软件对专利进行检索，如图6所示，考虑运用光片均匀分布光线［8］。