基于TRIZ理论的儿童跳跳车创新设计实践

陈莉莉 魏平

摘要：为了更好地满足儿童运动能力、身体协调能力发展，实现儿童健康成长，将TRIZ理论运用到儿童跳跳杆玩具创新设计实践中。通过对市场主流产品分析利弊，发现问题，运用TRIZ中的功能分析完成产品的功能组件分析，建立功能模型，运用的物-场分析解决主要技术矛盾；最后结合人机工程学相关人体数据进行具体工程尺寸设计，力求实现儿童跳跳车产品从问题发现、研究分析到概念生成、设计创新到生产制造的全过程实践。

关键词：TRIZ理论 儿童运动发展 市场研究 创新设计实践 产品设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2023）17-0116-04

Abstract：In order to better meet the development of childrens sports ability and physical coordination ability and realize childrens healthy growth，TRIZ theory is applied to the innovative design practice of childrens jumping bar toys. By analyzing the advantages and disadvantages of mainstream products in the market，find out the problems，use the function analysis in TRIZ to complete the function component analysis of products，and establish the function model. Use the material field analysis to solve the main technical contradictions. Finally，combined with ergonomics related human body data，the specific engineering size design is carried out. A jumping car product with stronger jumping force，safer，silent and non disturbing was designed，which was suitable for the childrens fitness and entertainment needs，and obtained the national patent certificate.

Keywords：TRIZ theory Childrens sports development Market research Innovative design practice Product design

引言

“少年強则国强”，中国人历来都十分重视儿童的健康成长，尤其是近年来儿童早期成长更是受到社会和家庭的重视。每个家庭都在努力给孩子提供健康而快乐的童年，父母希望孩子能拥有健康的身体，并在快乐的环境中成长。健康的身体包括身体器官的发育、运动能力的发展以及机体对外界环境的适应能力。其中，运动能力的发展可以促进器官发育的完善，提高机体免疫力，进而增强儿童对外界恶劣环境的适应能力。目前，市场上能满足弹跳力运动发展的活动项目分为与体育运动有关的专业化能力训练，比如球类运动（篮球、排球、羽毛球、乒乓球等）和与基础运动能力发展相关的，游戏性质的儿童玩具类产品，本次研究主要围绕发展儿童跳跃能力的儿童跳跃类产品展开理论研究及设计实践活动，希望产品能够在满足孩子健康运动的同时给孩子带来更多游戏娱乐的体验。

一、儿童跳跃运动发展分析

儿童的运动发展具有可预测性，其按照一定的发展顺序与实践展开，基于格拉胡（Gallahue，1982）的儿童运动发展理论[1]，进行简化后得出的儿童运动发展阶段（图1），从图中可以看出3岁以后，儿童进入基本运动时期，主要发展跑、跳、扔、踢、击打、伸展等自主协调性运动，这一时期的运动能力发展是儿童从幼儿向青少年过渡的关键时期，充分的运动会让儿童在以后的生活、娱乐、竞赛活动中受益一生[2]。从已有的相关研究表明，跳跃运动可以锻炼幼儿大肌肉群的活动能力，促进对肌肉运用的控制和协调，加快胃肠蠕动和血液循环，训练儿童的平衡感和节奏感。同时，伴随跳跃过程，儿童会不自觉地数数，可以提高儿童将抽象的数学概念和实际的事物联系起来，建立初步的数字概念。

儿童跳跳杆产品相比传统的跳绳、跳远、单脚跳等传统跳跃项目更具趣味性、游戏性。将运动与游戏相结合可以激发儿童游戏的欲望，让儿童运动变成一种趣味无穷的娱乐活动。

二、儿童跳跃类玩具产品市场研究

儿童跳跃玩具产品是以辅助儿童弹跳力发展，促进身体协调，保持平衡的儿童运动娱乐性质的玩具，根据市场的需求，也发展出了不同类型的跳跃类产品。本次通过网络及实地观察调研了市场上热销的四款儿童跳跃类产品，并对其作了比较分析，如表1所示。

通过表1的对比分析，发现现有产品都有各自的优缺点，结合现代社会发展中家庭室内居住及邻里环境的需求（静音不扰民），儿童身体成长、健康娱乐的需求，本次设计实践定位目标人群选择3岁以上儿童，适合儿童娱乐的室内外场所，具备较强跳跃功能的儿童跳跳车。

三、运用TRIZ理论对儿童跳跳跳车产品进行分析研究

（一）TRIZ理论介绍

TRIZ理论是阿奇舒勒（G.S.Altshuller）在1946年创立的，是在其团队研究了百万份高水平专利之后建立的一个由解决技术，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系，并综合多學科领域的原理和法则，建立起TRIZ理论体系。该理论中常用的解决问题工具有基于冲突矛盾的物-场模型分析法，基于系统组成的功能分析，冲突矩阵，40个发明原理等[3]。本次研究希望结合TRIZ理论中的发明创造原理，对已有产品的优缺点进行整合，力求新的设计能够最大限度地满足儿童娱乐健身的需求。

（二）应用功能组件分析完成儿童跳跳杆的功能技术研究

TRIZ中基于系统组成的功能分析可以用系统化的手段有效地发现现有产品在总体功能完成和各部件之间功能完成的关系，进而发现其存在的问题。根据TRIZ组件功能分析法，以表1产品a为对象，将其定义为一个技术系统，然后对系统组件及组件之间的相互关系进行分析，见表2，表3。

由表2系统组件列表和表3组件相互作用矩阵分析表看出弹力球与踏板、连接杆、球体固定结构、地面、环境存在相互作用，且是实现儿童跳跃功能的主要组件系统；踏板与连接杆、球体固定结构存在相互作用；把手与把手保护套、连接杆存在相互作用；连接杆与球体固定结构存在相互作用；地面与防滑用品、环境、看护人组成一个超系统，用来解决儿童跳跃过程中的安全保护以及对周围人群的影响。

儿童跳跳球产品的主要组件及功能运转如下：把手是儿童手部抓握部件，主要由横杆和外部软套组成；连杆是连接把手和底座，同时承受手部向上的拉力，保持身体平衡，辅助底座进行弹跳；底座部分是弹力提供的主要部件，主要由踏板和弹力球组成，通过脚部发力，向地面挤压底部弹力球，触发向上的弹力，带动儿童身体整体向上，再由重力作用落回地面，如此反复即可实现跳跃效果。建立功能模型，如图2：

由图2可以看出，地面对弹力球是有害系统组件，弹力球通过踏板反作用力不足导致跳跳球的跳跃高度受限；弹力球固定的捆绑式结构功能不足，导致球体容易脱离踏板。综合考虑表1中的其他跳跃类产品功能及结构，建立整合性产品概念功能系统图，如图3。

由图3可知，控制系统是实现产品跳跃功能的主要结构，包括高度调节和弹力结构。目前市场上的高度调节分为弹性拉伸和机械调整，弹力拉伸通过弹性材料的伸缩实现产品连杆的高度变化，优点是调节自由，缺点是不易控制；机械调整通过机械挡位实现分档调整，优点是控制方便，缺点是自由度受限。弹力结构分为高弹气球和弹簧，高弹气球通过球体内气体受压产生的反作用力实现跳跃，优点是着地静音，缺点是跳跃高度不足；弹簧主要是通过金属弹性受压产生反作用力实现跳跃，优点是弹力足，缺点是不能直接着地（环形截面着地不符合产品结构力学及安全性设计要求）。

（三）应用物-场模型分析解决儿童跳跳车主要矛盾冲突

在TRIZ理论中，物-场模型是从物质和场的角度来分析和构造最小技术系统的理论和方法，主要用于分析问题本质，力求从根源上解决矛盾。基于对儿童跳跳车的功能组件分析，产品面临的主要问题是充气结构弹力不足，弹簧结构着地噪声大，不易控制。根据物-场模型包括3个基本要素：S1（物质—被动元件），S2（物质—主动元件），F（场—使能元件）[4]，把人、脚踩充气弹跳结构看成物质，分别用S1、S2表示，人手对跳跳车使用机械场用F表示，虚线代表人对跳跳车施加脚踩机械力之后产生的弹跳机械力不足以达到理想的弹跳高度，示意图4如下：

根据TRIZ理论儿童跳跳车模型属于效果不足的物—场模型，需要通过增加新的物质来产生附加力场以达到增强效果的目的[5]。综合前面的产品分析，能够产生力的跳跳车结构有充气球体结构（S2）和弹簧结构（用S3来表示）来表示，建立新的可以达到完整效果的物—场模型如图5所示：

通过充气和弹簧两种弹力结构的叠加实现儿童跳跳车物场模型的完整性，解决了产品的主要矛盾点（充气结构弹力不足，弹簧结构着地声音大），实现了产品功能的优化升级，接下来就是从产品整体结构优化角度运用产品结构设计的方法解决两种结构叠加的具体设计。

四、儿童跳跳车的整体设计实施

（一）产品设计思路

本次儿童跳跳车的设计思路主要包括以下3个方面：

1.产品设计的主要对象是儿童，对儿童产品设计来说，首先要保证儿童在使用产品过程中的人身安全，这就要求儿童产品必须以儿童的生理和心理特性出发，提前预测到产品可能存在的安全隐患，做好安全测试。儿童跳跳车的安全隐患主要是预防儿童在跳跃過程中的摔倒，可以从产品的抓握功能（采用易于儿童抓握的把手造型和材质），产品高度的可调节，脚踩部分的防滑设计，着地的摩擦力几个方面进行优化设计。另外，从色彩的安全来说，要以鲜艳的红黄蓝等高纯度高亮度的色彩为主，一方面孩子符合儿童对色彩的喜好，另一方面可以方便家长在人多的时候易于辨认孩子的位置。

2.儿童产品设计的主要目标主要是为了满足儿童健康成长，设计具有高可用性和高体验价值的功能性产品。儿童跳跳车是带有一定冒险刺激性质的游戏娱乐产品，满足儿童的好奇及探索欲望。儿童跳跳车产品的高可用性主要体现在产品弹跳力大小和可持续性上，这就需要对现有的儿童跳跳车跳跃功能进行加强设计；其次，从视觉造型上，要美观、新颖，具有吸引力，满足儿童的探索欲望。最后，考虑到儿童跳跳车主要以户外活动为主，而且主要是以家长携带为主，因此提高产品的可携带性，方便存放等，以满足家长对儿童跳跳车的需求。

3.对优秀的产品设计而言，正确处理人机环境，即“人—产品—环境”三者之间的关系是衡量一切的关键。在儿童跳跳车产品中“人—产品”之间关系是对儿童而言，产品的安全性、高可用性（易学性、高效性、记忆性、容错性、满意性）和产品带给儿童良好的娱乐体验性；“产品—环境”之间关系是收纳方便（现代室内家庭空间不足）、着地静音（不对邻居产生噪音影响）以及轻巧便携（外出携带方便）；“人—环境”中的“环境”是指儿童在练习跳跃玩耍时的主要场地，看护人员。场地分为家庭室内（大多以地板、瓷砖地面为主以及家具产品）和室外（大多是石材地面的广场、公园，以及部分橡胶跑道）。看护人员一般来讲是父母或者其他家庭成员，3岁以上儿童在室内玩耍时相对安全，外出玩耍都会有看护人员陪伴，以免突发意外。

（二）产品设计实施

通过前期对儿童弹跳类产品的市场调研和产品设计思路分析，尽管市场上这类产品多种多样，但研究对比分析之后都存在各种各样的问题，因此，本次设计瞄准问题，结合TRIZ理论中的功能组件分析和物-场模型分析结果，采用产品功能整合的方法，在儿童跳跳车支撑系统中选择可调整连杆结构有利于儿童成长身高变化的需求，同时满足安全防护需求；控制系统中以物-场模型为出发点，得出弹簧系统和充气系统的各自优缺点（弹簧系统弹力足，但噪音污染大；充气系统着地静音，但弹力不足），因此，将此两种结构合而为一，优势互补；结合儿童产品设计特点，最终产品外观效果（图6）、主要功能组件、内部结构（图7）所示。通过两层弹跳结构设计，主要为一个充气筒和气球组成的第一组弹跳机构，以及由圆垫底端的四个弹簧和外部的折叠弹性材料组成的第二弹跳机构，实现很好的娱乐训练效果。

本次设计实践创新点分析：两层弹跳结构设计中第一层的弹力球及气筒结构设计，主要实现儿童跳跳车产品着地静音，不会对环境中其他人群产品噪音污染，气筒设计则可以及时解决弹力球气压不足导致弹力降低的问题；第二层弹跳结构中的一组四个弹簧可以实现更高高度的跳跃效果，且弹簧组可以实现脚踏板的平衡问题，外部折叠弹性材料可以配合弹簧实现伸缩，且保护儿童不受弹簧金属的碰撞，以免造成伤害。脚踏板上的4个圆形的防滑垫设计可以增加儿童鞋底的摩擦力，不容易掉落摔倒；气筒固定销可以实现连杆的高度调节，随着儿童的身高变化调整儿童跳跳车的高度，使产品的适应年龄段更加广泛。

（三）结合人机学确定儿童跳跳车设计尺寸

人机工程学把产品尺寸分为Ⅰ型（双限值设计），Ⅱ型（单限值设计）和Ⅲ型平均值[6]。查阅《中国未成年人体尺寸—GB-T 26158-2010》，分别得到4～6岁、7～10岁、11～12岁儿童p50百分位的人机尺寸如表4所示。结合具体结构的使用功能要求，该产品定位在满足3岁以上儿童的健身娱乐需求，考虑到在此区间儿童身高变化比较大因素，将车体高度设计为三挡可调节装置，把手和底座以p50百分位中的最大值设计。

1.车把手直径即手长除以圆周率（122/π～162/π），范围约在39mm～52mm之间。属于平均值型产品尺寸，考虑到部抓握存在手指抓握重叠情况，车把手取值42mm。考虑到跳跳车使用最适合年龄为6岁左右，车把手宽度以肩最大宽值为参考，介于4～6岁和7～10岁参考值之间，取326mm。

2.车体身高度（脚踩位置到把手的高度），位于肚脐以上胸部以下位置，可采用肩高减去上臂长得出数值，数值分别为（851-199）652mm，（1038-240）798mm，（1187-274）913mm之间，考虑到儿童成长期身高变化比较大，设计成三档高度可调节结构，分别为652m，798，913mm三档高度。

3.底座部分长宽主要参考脚部尺寸最大值，长度以11～12岁女童脚长162mm为参考，根据产品设计人体尺寸数据的应用方法及要求：产品最小功能尺寸=相应百分位数人体尺寸+功能修正量。由于儿童跳跳车要满足4～12岁儿童需求，建议以满足最大儿童尺寸设计为基准进行设计。成人的穿鞋修正量男+25mm，女+20mm，考虑到12岁的儿童脚部发展基本上快接近成人，适当增加修正值，取180mm。宽度以车把手宽度为参考，取300mm。底座部分高度考虑到弹簧的弹力和底部球体尺寸而定。

（四）儿童跳跳车的造型、色彩与材料分析

产品的整体造型及材料工艺上，全部采用圆滑柔软的设计理念，在孩子能接触到的地方都是圆润的，不会对儿童身体造成伤害。产品材料的选择上，考虑儿童的感知特性，从儿童跳跳杆产品的功能和主要结构出发，手握部分主要有轻质合金杆（强度高）和外部泡棉（手握柔软舒适、防滑吸汗）。连接部分是可以分段固定高度的轻质合金管材，外加垫圈及固定结构与手握横杆和底座进行连接固定。底座部分主要是可以充气的弹力球体和外部黄色可折叠结构采用橡胶材料，弹簧组处于可折叠橡胶套内部，需采用弹性好，耐疲劳的合金材料[7]。考虑处于成长期的儿童比较偏爱鲜亮的颜色和玩具产品耐脏，易清理两方面，将车体主色设计成黄色，辅以黑色（橡胶、海绵）、银色（合金固有色）。在视觉上能够吸引儿童、比较醒目，易于家长锁定目标、观察儿童状态，以便及时预测及避免可能发生的意外情况。

结语

儿童跳跳车设计实践是以儿童的健康发展为目标，以儿童身心健康成长规律为出发点，通过调查研究市场的现有跳跃类产品，发现问题，并对问题进行对比分析，进而得出产品设计定位。根据设计定位，选择适合产品创新设计开发的TRIZ理论对现有儿童跳跳车类产品进行研究分析，具体做法是运用TRIZ理论中功能组件分析法获得儿童跳跳车产品功能组件之间的结构关联、功能实现与功能组件之间的关系，得出产品功能改良和产品组件之間的矛盾点，再通过物—场模型分析主要矛盾的深层次原因，从根源上发现儿童跳跳车存在的主要矛盾。最后以主要矛盾为出发点进行具体的功能设定，结构设计，结合人机工程学给产品赋予相应的设计尺寸，结合现有的市场材料研究赋予儿童跳跳车产品造型、色彩、材料等设计元素，力求实现儿童跳跳车产品从市场研究、问题发现、问题研究到概念生成、设计创新到生产制造的全过程实践展示。

基金项目：安徽高校自然科学研究重点项目（KJ2020A1099）。

参考文献

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