基于Triz理论的一种6自由度4D座椅的设计

潘峰

摘  要：本文通过分析市场现有4D座椅，采用Triz理论设计了一种新型6自由度4D座椅。该座椅采用原有3-RPS型4D座椅增加3-RRR并联机构的方式实现了具有大工作空间、全运动模拟能力的功能。3-RPS并联机构具有俯仰、摇摆、上下运动能力，3-RRR并联机构具有前后、左右、旋转运动能力，因此新型6自由度4D座椅具有3-RPS型4D座椅的优点，同时弥补了自由度数少的缺点。

关键词：4D座椅：Triz理论;并联机构

引言

4D影院是在3D影院的基础上增加运动的功能，使观众获得更佳的观影体验。4D影院的核心设备是4D座椅，4D座椅可根据影片内容运动而使观众跟着剧情动起来。并联机构因具有高速度、高加速度、高负载能力等优点而广泛应用于4D座椅的执行机构。市场上的4D座椅多是采用3-RPS并联机构与6-UPS并联机构。3-RPS并联机构是可执行两维转动一维移动的并联机构，此类4D座椅可给观众带来俯仰运动、摇摆运动与上下运动的体感，具有结构简单、动作幅度大、可模拟激烈运动的优点，但运动模拟能力较弱。6-UPS并联机构是可执行6个自由度运动的并联机构，此类4D座椅可给观众带来上下运动、左右运动、前后运动、俯仰运动、摇摆运动与旋转运动的体感，具有全运动模拟能力的优点，但其动作幅度小且激烈运动的模拟能力较弱。因此，发明一种既具有全运动模拟能力又具有动作幅度大且可模拟激烈运动的4D座椅是市场的需求。

Triz理论是阿奇舒勒在分析大量专利的基础上提出来的一种实用的发明方法。经过几十年的发展，该理论的发明方法已经非常成熟，时至今日依然发挥着重要作用。杜超基于TRIZ理论改进设计了一种平托装置平移架结构^[1]。张永慧通过Triz理论发明了一种智能加热加压输液装置^[2]。王日辉根据Triz理论设计了一种齿轮装夹系统^[3]。沈嵘枫采用Triz理论设计了一种育苗容器自动装盘装置^[4]。

本文通过Triz理论发明了一种新型6自由度4D座椅设备，该座椅采用3-RPS并联机构与3-RRR并联机构结合的方式成功解决了市场上6-UPS型座椅运动幅度小且激烈运动模拟能力弱的问题。

1、Triz理论介绍

1.1、Triz理论发明过程

1、分析现有产品存在的问题以及期望实现的功能;

2、寻找相应的技术参数，包括需要减少的与需要增加的

3、根据矛盾矩阵寻找方法;

4、讨论各种方法的可行性并确定最优解决方案。

1.2、Triz理论最重要的内容^[5]是工程参数（表1所示）、发明原理（表2所示）和矛盾矩阵。

2、现有4D座椅的问题

2.1、3-RPS型4D座椅

2.1.1 3-RPS型4D座椅简介

如图1所示，3-RPS型4D座椅由机架、3条RPS支链与座椅组成，其中R代表转动副、P代表移动副、S代表球副，移动副P为主动副。3个主动副P的运动可通过3条支链带动座椅做俯仰、摇摆和上下运动，因此不能进行复杂运动的模拟。观众坐在座椅上可获得3个自由度的运动体感。

2.1.2 该类座椅优缺点

该座椅的优点为：结构简单紧凑，动作幅度大、可模拟激烈运动。

该座椅的缺点为：自由度少，不能模拟复杂的运动，运动模擬能力弱。

2.2、6-UPS型4D座椅

2.2.1 6-UPS型4D座椅简介

如图2所示，6-UPS型4D座椅由机架、6条UPS支链与座椅组成，其中U代表虎克铰、P代表移动副、S代表球副，移动副P为主动副。6个主动副P的运动可通过6条支链带动座椅做俯仰、摇摆、旋转、前后、左右和上下运动，因此可实现复杂运动的模拟。观众坐在座椅上可获得6个自由度的运动体感。

2.2.2 该类座椅优缺点

该座椅的优点为：具有6自由度运动模拟能力。

该座椅的缺点为：运动幅度小，激烈运动模拟能力弱。

3 基于Triz理论的新型4D座椅的设计

3.1、分析现有产品存在的问题以及期望实现的功能

上节分析了两种市场上的4D座椅，分别是3-RPS型4D座椅和6-UPS型4D座椅，这两种座椅各有优缺点，现设计的新型4D座椅期望具有这两种座椅的优点且尽量避免这两种座椅的缺点。因此，新型座椅期望实现的功能为：具有6自由度全运动模拟能力，具有较大的运动空间，具有激烈运动的模拟能力。

3.2、寻找相应的技术参数

新型座椅需要减少自身运动空间小带来的问题，因此对应需要减少的技术参数是（31）物体产生的有害因素“指的是6-UPS型4D座椅由自身结构产生的运动空间小的问题”。同时，新型座椅还需满足全运动模拟能力，对应需要增加的技术参数是（26）物质或事物的数量“指的是3-RPS型4D座椅需要提高自身自由度数来适应全运动模拟能力的需要”。

3.3、根据矩阵查找方法

在矛盾矩阵中查得方法为：3 35 40 39：

3局部性质原则

a.从物体或外部介质（外部作用）的一致结构过渡到不一致结构。

b.物體的不同部分应当具有不同的功能。

c.物体的每一部分均应具备最适于它工作的条件。

35改变物体聚合态原则

这里包括的不仅是简单的过渡，例如从固态过渡到液态，还有向“假态”（假液态）和中间状态的过渡。

40利用混合材料原则

由同种材料转为混合材料。

39采用惰性介质原则

a、用惰性介质代替普通介质。

b、在真空中进行某过程。

3.4、确定最优解决方案

考虑实际情况，本文采用“3局部性质原则，b物体的不同部分应当具有不同的功能及c物体的每一部分均应具备最适于它工作的条件”来设计新的4D座椅。3-RPS型4D座椅与6-UPS型4D座椅相比具有运动幅度大、激烈运动模拟能力强的优点，同时具有自由度数少而导致的运动模拟能力弱的问题。新的座椅功能只需在3-RPS型4D座椅的基础上增加缺少的运动能力，即增加前后、左右及旋转运动功能，这样可认为是3-RPS型4D座椅具备部分功能，新增结构作为另一部分功能。考虑到3-RRR并联机构具有左右、前后及旋转运动能力，如图3所示，因此可作为补充部分与3-RPS并联机构合成新的并联机构，即3-RRR+3-PRS型6自由度4D座椅，如图4所示。3-RRR+3-PRS型6自由度4D座椅具有6自由度全运动模拟能力，具有较大的运动空间，具有激烈运动的模拟能力，符合最初的设计理念。

4、结论与建议

综上所述，本文通过Triz理论设计了一种新型6自由度4D座椅，该座椅采用原有3-RPS型4D座椅增加3-RRR并联机构的方式实现了具有大工作空间、全运动模拟能力的功能，具有很好的市场应用前景。

参考文献

[1] 杜超，刘浩，陈俊杰.基于TRIZ理论的平托装置平移架结构的改进设计[J].晋中学院学报，2021，38（03）：44-47.

[2] 张永慧，马筱佳，王婷婷，刘欢，李佳鑫，李国利.基于TRIZ理论的一种智能加热加压输液装置设计[J].科技风，2021（16）：1-2.

[3] 王曰辉.基于TRIZ理论的齿轮装夹系统创新设计[J].制造技术与机床，2021（05）：124-127.

[4] 沈嵘枫，陈鑫，谢诗妍，高锐，陈志强.基于TRIZ理论的育苗容器自动装盘装置设计[J].南方农机，2021，52（08）：84-86.

[5] https：//wenku.baidu.com/view/52c8a99edd88d0d233d46a2b.html