悬浮及跟踪雨伞的创新设计

孙菊妹 刘书凯 张时源

摘要：针对智能化生活的社会需求，基于TRIZ创新技术设计了一款悬浮及自动跟踪雨伞，在不需要支撑对象的前提下，雨伞根据环境自动悬浮并定位跟踪对象。

关键词：悬浮;跟踪;TRIZ;创新

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）14-0176-03

随着时代的进步，社会的发展，信息技术的飞跃，对于大家对于生活智能化的期望也越来越高。雨伞作为日常生活常用物品之一，虽然新型雨伞的种类在不断出现，但都只是在雨伞的外观结构、打开方式上面有多创新，对于使用过程仍然离不开对象的支撑。本文设计的悬浮雨伞解放了使用者的双手，借助于TRIZ创新技术，对雨伞的结构进行创新设计，依托信息技术实现雨伞使用过程的智能化。

1 产品概念的创新

1.1 产品现状的描述

雨伞是人们生活的日常必需品之一，在雨天或在太阳下行走时需要打伞，通常都是用手来握住伞把，导致人们拎东西等能力大大降低。如果手上拿着东西，这时电话来就无法接听，很不方便。下表是针对用户的需要，采用了POV设计观点（point of view）对现有的雨伞做的访谈记录。

经过对用户群体的需求进行分析，我们发现目前大家主要的诉求是解放双手。对此，针对雨伞进行初始形势分析。

雨伞的主要功能是遮阳挡雨，在实现了这一基本功能的同时，目前许多雨伞都向着智能化方向发展。譬如：小米的“智能伞”，虽然伞面选择透明和不透明两种类型，但使用过程仍然是通过机械滑动控制装置来实现伞内光线的控制;来自纽约的Davek Alert Umbrella主打防丢的智能雨伞，主要是骨架选用优质材料配合传感器技术实现智能功能;英国制造商Kisha天气预报的智能雨伞，它主要是借助传感器感应周围环境，增加了智能检测功能;来自南京的团队研发的Air Umbrella是给伞增加外围设施来改变雨滴的轨迹，从而起到防护作用。上述这些新型种类的伞主要是增加了雨伞的功能及智能化，没有从根本上解决如何解放双手这一主要矛盾？目前解决这一问题的主要方案是肩背式雨伞及头戴式雨伞。我们发现这种雨伞虽然解放了双手，但仍存在的问题，主要是穿戴不方便，收纳困难等问题。

1.2 产品系统分析

TRIZ是以哲学的辩证法、系统论和知识论为指导思想，以系统科学、思维科学为支柱，它以S曲线和技术系统进化法则为基础，从IFR、技术、矛盾、资源和功能基本概念出发，结合39个功能参数和40个发明原理运用矛盾分析、功能分析和资源分析工具对问题进行求解。本文下面将从技术问题的最终理想解、技术矛盾分析、功能分析和资源分析四个角度进行分析，获得解决问题的方案和思路。

1.2.1 最终理想解

最终理想解（idealfinal result，IFR）将通过正确描述问题以及产生问题的阻碍及原因，排除这些阻碍因素问题就直接得到了解决。我们的思维具有惯性，常常让自己困顿已有的思维逻辑里，结果就使问题不能很好地解决。而IFR是从新角度来重新认识定义问题，跳出我们的惯性思维，从产生问题的源头出发，得到与传统设计完全不同的问题根本解决思路。下表是根据最终理想解的分析步骤将本设计产品的问题进行了描述：

1.2.2 技术矛盾分析

雨伞是人们生活的日常必需品之一，在雨天或者烈日下行走的时候需要雨伞来避雨或者遮阳的时候，都需要借助手来支撑使用，在一定程度上对我们带来了不便。目前市场上虽然已有新型的雨伞，可以不用手来支撑，雨伞的外观采用肩背或者穿戴的形式，在一定程度上解放了双手，但是雨伞结构变得复杂，使用过程也很不方便。

1）从问题中提取技术矛盾

通过上述问题描述，发现问题的主要是在新型雨伞虽然解放了双手，提高了雨伞使用的方便性，但是外观结构占用一定的空间，在使用过程中带了不便，而且使伞本体的结构也变得复杂。

矛盾：改善了雨伞使用的适应性，却增加了雨伞控制系统的复杂性。

用39个通用工程参数中的两个来表示：

需要改善的参数：35#适应性、通用性;

系统恶化的参数：36#系统的复杂性。

2）根据矛盾矩阵表中改善和恶化参数对应的第35行第36列，得到4个创新原理：15#动态原理、29#气压或液压原理、37#热膨胀原理、28#更换机械系统原理（如图1所示）。基于这些创新原理，我们将得出创意方案。

1.2.3 功能分析

功能模型分析是把产品及其各组成部分抽象成功能，并找出其内在联系的过程。其目的就是消除有害功能，加强必要功能，剔除多余功能，进行功能载体替代，以便提供价值更高的产品，更好地满足用户的需求。针对本文设计产品，技术系统是雨伞，其主要功能是阻挡雨水及阳光。通过系统组件及功能分析如图2所示，雨伞的主要功能是阻挡雨水，主要是由伞布来完成的，骨架的功能是支撑伞布的，支撑杆则是支撑骨架，手通过握把对支撑杆进行支撑。

系统功能裁剪是指当找到系统中价值最低的组件时，将该组件直接裁剪掉，同时把它有用的功能提取出来，让系统中存在的其他部分去完成这个功能。系统功能裁剪的目的是消除系统产生的有害功能部分，降低成本，而所需要的有用功能依旧存在。针对本论文设计产品主要存在的矛盾点，下图对系统进行裁剪。

1.2.4 资源分析

TRIZ 中的资源是指系统及其环境中的各种因素，是一切可被人类开发和利用的客观存在。能反映系统作用、功能、组成、组成间的联系结构、信息、能量流、物质、形态、空间分布、功能的时间参数、效能及其他有关功能质量的参数，所以资源指的是人类可以开发和利用的物质、能量、信息、时间、空间、功能的总称。解决技术问题的实质其实是对资源的合理使用，所以资源分析的实质是从资源的高度研究分析资源，挖掘系统的派生资源，关注系统资源间的有机联系，合理组合、配置和优化资源结构，提升系统资源的理想度。结合雨伞的構成组件以及功能，下图对雨伞进行了资源分析。

2 产品的创新设计

经过产品分析和TRIZ工具的使用，我们得出了若干种创意方案，具体如下。

影响 /努力矩阵图是用表单来评估努力和影响之间的量化程度，能从一堆的项目创意中筛选出可以优先考虑的、第二顺序的、可以做的和少做的一些方案。下面我们从努力程度、影响结果程度两方面对创意进行筛选。

结合考虑影响 /努力矩阵对创意方案的筛选结果，最终我们对伞结构的动态性做了创新改良，使用过程可以不需要对象的支撑。如图所示，本设计的雨伞伞面采用尼龙，伞骨材料选择在重量和强度方面都有保障的碳纤维与铝镁合金相结合，伞柄设置成圆柱形的“黑匣子”，“黑匣子”外围内嵌四根支架，支架展开类似于无人机的螺旋桨已达到悬浮的功能，支架与“黑匣子”的贴合极大程度节约了存放的空间，给携带带来了便利;“黑匣子”内置智能跟踪模块，通过识别系统自动锁定对象并跟踪。在跟踪模块下方还附加了广角摄像头与GPS定位芯片，以达到精准定位和成功避障。同时还附加5G网络技术，通过手机App或智能手环来对雨伞进行定位、跟踪并控制。

3 结语

使用TRIZ创新理论中的最终理想解、技术矛盾分析、功能分析和资源分析应，对伞结构和使用过程进行分析，得到了创新设计—悬浮及跟踪雨伞，此伞使用便捷，自动悬浮解放双手，根据人体的运动状态自动跟随;内部支架采用嵌入式结构，根据使用情况自动收放，呈现结构设计动态化;结合5G技术进行GPS定位实现产品智能信息化。

参考文献：

[1] 刘桂涛，袁春静，戴义贵.TRIZ中技术矛盾解决矩阵的应用[J].机械设计与制造，2007（8）：63-65.

[2] 童亚拉，陈益，别业广.基于TRIZ理论的创新人才培养探析[J].计算机时代，2009（12）：67-69.

[3] 刘训涛，曹贺，陈国晶.TRIZ理论及应用[M].北京：北京大学出版社，2011.

[4] 颜惠庚.TRIZ创新方法丛书--技术创新方法提高-TRIZ流程与工具[M].北京：化学工业出版社，2012.

【通联编辑：唐一东】