徐梦媛， 鲁玉军， 唐曹丹， 胡小勇

(浙江理工大学 机械与自动控制学院， 浙江 杭州 310018)

TRIZ(theory of inventation problem solving)表示发明创造解决理论，其拼写是由有相同含义的俄文单词替换英文单词构成[1-2]。TRIZ中包含多种分析和解决问题的工具，提供一种系统化创新方法[3-4]，尤其在解决产品创新模糊前端设想的问题和产品进化过程中发挥着重要的作用[5]。

产品设计主要分为概念设计和详细设计2个阶段。其中，概念设计阶段对产品性能和70%的成本起着决定性的作用。计算机辅助创新软件(computer aided innovation，CAI)可以有力支持产品的创新设计[6]，有效填补概念设计工具的空白。课题组运用TRIZ创新设计方法，结合IKC计算机辅助创新设计平台[7]对传统便捷式榨汁机结构占用空间大、储汁量低等问题开展优化设计研究。

1 问题描述

目前，便捷式榨汁机因其便捷的特点受到人们的青睐[8-12]，因此制作者不断对便捷式榨汁机结构进行完善。一些学者通过集中增加滤网和接汁桶或吸管口以减少人为过滤和倾倒汁液的操作[13-14]，或者通过增加保温层对汁液进行保温或保冷[15]，但都未能较好地解决榨汁机便捷携带的问题，反而因功能复杂化而带来的结构复杂化。目前市场上的便捷式榨汁机结构主要由主机机体、榨汁杯和刀具3部分组成，如图1所示。在使用时，由主机机体承接刀具底座，刀具与刀具底座固连，榨汁杯下部螺纹与刀具底座内部螺纹配合连接；在携带时，可选择将3个模块拆分携带或整体携带2种方式。

一味追求功能多样化会造成榨汁机结构复杂，体积增大，设计者们只有减小榨汁机体积才能满足携带的便捷性，但这又带来了单次榨汁量少等问题。因此课题组针对传统便捷式榨汁机结构进行创新研究，在储汁量不变甚至更大的情况下，减小携带便捷式榨汁机时占用的空间。

2 基于TRIZ的便捷式榨汁机优化设计过程

TRIZ理论解决问题基本流程如图2所示[16]。

运用TRIZ理论解决问题的基本思想是将待解决的问题转化成典型问题，找出问题的主要矛盾，再针对性地使用TRIZ工具得出解决特定问题的方案，最后根据实际情况(如实用性、美观性等特性)得到最终解决方案。

2.1 定义最终理想解

TRIZ之父阿奇舒勒指出，系统总是在沿着增加其理想度[17]的方向发展和进化，最终表现为：系统能够实现所有既定的有用功能，却不占用时间和空间，不消耗资源，也不产生任何有害功能。

2.1.1六步法定义最终理想解

对于便捷式榨汁机理想解的分析包括以下6个步骤：

1) 设计的最终目的

改善便捷式榨汁机储汁量少，结构功能单一等问题。

2) 明确最终理想解

储汁量多，结构多样，功能完善，造型美观。

3) 遇到的障碍

便捷式榨汁机传统结构固化，不能与顾客需求协调同步。

4) 出现障碍的结果

便捷式榨汁机整体结构越来越小，储汁量越来越少。

5) 不出现障碍的结果

功能和结构的创新要及时响应市场的需求。

6) 明确创造这些条件的可用资源

便捷式榨汁机现有的机械结构和功能。

2.2 普通便捷式榨汁机组件分析

如图3所示为运用IKC软件构建普通便捷式榨汁机的组件列表。

为了明确普通便捷式榨汁机各组件之间的相互关系，首先对其进行系统组件分析，建立起各组件间的相互联系并明确组件之间的功能关系，进而合理地匹配组件、优化结构。

为了有利于电机散热，大部分电机外壳与存放电机位置之间都有一定的间隙，该间隙部分仍然具有很大的可拓性，因此电机外壳固定电机和刀具底座的功能被定义为不足功能，其余“固定”、“控制”、“支撑”、“粉碎”和“盛放”均为有用功能。

2.3 工程参数和矛盾分析

为了更好地解决具体问题，将其系统性地转化为由若干工程参数描述的典型问题，根据阿奇舒勒提出的39个通用工程参数，并按照这些参数在技术系统中出现几率的大小进行编码。基于“工程参数”的概念，就可以定义矛盾。

2.3.1技术矛盾分析

技术矛盾[18]是发生在技术系统中的冲突，表现为某一参数的改善导致其他参数的恶化，可通过查询矛盾矩阵加以解决。技术矛盾往往隐含着物理矛盾[19-20]，两者之间可以相互转化，利用这一转化机制，可将冲突程度较低的技术矛盾转化为冲突程度较高的物理矛盾。

通过对技术矛盾的问题分析，构造如图4所示的逻辑链。链的两端为技术矛盾中2个矛盾的参数，即技术矛盾表现为：在使用时需要增加存放的蔬果量，会导致榨汁杯的体积增大；同时体积更大、功率更大的电机可以满足较高的出汁率。在逻辑链中，选择体积作为中间参数，沿着逻辑链向体积这个结点推进和汇合，表现为物理矛盾：在使用时希望榨汁杯体积较大，增加可盛放的蔬果量，在携带时希望榨汁机整体体积减小，具有较高的携带便捷性。物理矛盾逻辑链如图5所示。

2.3.2物理矛盾分析

为了实现某一功能，同一个工程参数产生了互斥现象，为物理矛盾，可运用表1所示的4大分离原理[21]加以解决。

表1 4大分离原理

选择体积作为中间参数，物理矛盾描述如下：为了提高存放蔬果量，需要增大榨汁机的体积，能量消耗增加；为了携带的便捷性，需要减小榨汁机体积，造成物质或事物的数量减小。因此，要求榨汁机体积既要大又要小，构成物理矛盾，在矛盾矩阵39个参数中，“体积”对应参数“静止物体体积”，如表2所示。

表2 物理矛盾分析

经过有效分析，这组物理矛盾在不同时段对体积有着不同的要求，可采用时间分离原理解决。分离原理与发明原理之间的对应关系如表3所示。

因此，可采用与时间分离原理对应的12条发明原理解决矛盾。受到10预先作用原理的启发，让榨汁杯和刀具部分的收纳工作处于易操作状态，同时满足占用较少空间的状态需求。因此，提出概念方案Ⅰ：针对榨汁杯体积大的问题，换用自身体积可以变化的榨汁杯，从而使榨汁杯在收纳时占用的空间资源减小，具体如图6所示。

表3 4大分离原理对应的发明原理

3 物场分析

作为TRIZ的基础，阿奇舒勒通过对功能的研究后发现，一个技术系统至少由两个物质(目标物质S1和工具物质S2)和一个场(F)组成[22]。针对不同的问题，可以将物场模型分为4个模块展开讨论，分别为：有效完整模型、不完整模型、效应不足模型和有害效应模型。采用物场分析理论解决问题基本思想如图7所示。

3.1 便捷式榨汁机的物场分析

1) 问题描述：要解决便捷式榨汁机结构局部在时间上做好榨汁杯和刀具的收纳工作。

2) 对体积占用最多且较为固定的主机部分进行物质-场分析，可知被固定物为S1，主机部分为S2，F为机械场。分析发现，主机固定刀具的功能为不足功能，如图8所示。

3) 通过查询物场模型可知图7模型为不完整模型，可通过改变物质或场、增加物质或场加以解决。通过分析传统的主机模型，发现主机外壳和电机部分均有间隙，将其定义为场F2完成收纳功能；同时改进物质结构，该物质为S3刀具、S4主机和S5榨汁杯，实现收纳的配合。

4) 在充分考虑物场分析模型的基础上，提出概念方案Ⅱ：利用电机部分未充分利用的空间资源，来保存携带时需要额外占用空间资源的榨汁杯和刀具，既满足了果蔬存放量又减小携带体积。

3.2 概念方案提取

基于物场分析原则，初步得出如下2 种设想：

1) 概念方案Ⅱ。①榨汁杯收纳时，利用主机外壳和电机之间间隙进行存放榨汁杯；取用时，向下按压榨汁杯，使榨汁杯向上弹起，然后向右旋转榨汁杯一定角度，再向上拔出，使榨汁杯外表面凸台脱离套筒内部槽孔，同时榨汁杯外表面凸台通过主机外壳内表面凹槽脱离主机外壳。②刀具收纳时，刀具部分保存在主机外壳下端；使用时，旋转刀具底座使之与主机外壳脱离。正常使用时，将榨汁杯底部和刀具部分以及主机外壳进行连接即可。示意结构如图9所示。

2) 概念方案Ⅲ。在保存榨汁杯时，也是利用主机外壳和电机之间的间隙进行存放。依靠外部作用力来实现榨汁杯的存放和取拿。收纳时，刀具部分保存在主机外壳下端；使用时，旋转刀具底座使之与主机外壳脱离，榨汁杯底部内表面螺纹与刀具外壳外表面螺纹配合连接，刀具外壳下部与主机外壳上部通过定位杆连接，示意结构如图10所示。

4 概念方案评价

以理想度为评价准则对上述概念方案进行选择，理想度表示公式为[23-24]：

结合概念方案结构以及人们实际购买力，假定有用功能占比0～60%(可以正常榨汁占比0～30%，能够便捷携带占比0～15%，能够承装较多蔬果量占比0～15%)；有害功能占比为0%～30%(承装蔬果量少占比0～15%，携带体积大占比0～15%)；成本占比0%～10%(组件的增多或者材料特殊造成成本上升)。对概念方案I、概念方案Ⅱ和概念方案Ⅲ进行分析，采用模糊综合评价法对3个概念方案进行评价，具体结果如表4所示。

表4 评价指标

用理想度对各个概念方案进行功能评价，结果如图11所示。

由图11可以看出，概念方案Ⅲ理想度最高，因此选择该方案为最终的设计方案。

5 最终方案

5.1 自收纳便捷式榨汁机结构

通过上述分析，考虑实际情况，并结合设计者经验，最终设计一款自收纳便捷式榨汁机。

1) 在收纳时，如图12所示，可将刀具装置取下，与榨汁机下部的散热底盖配合连接；当榨汁杯插入到壳体与电机间隙时，榨汁杯外表面凸起沿着L型滑槽插入到底端时，转动榨汁杯，使得凸起卡入L型滑槽内部。

2) 在使用时，如图13所示，可将刀具从榨汁机下部的散热底盖取出，通过限位杆卡接在榨汁机本体上部，并且使刀具与电机连接；反向旋转榨汁杯，然后拔出榨汁杯即可将榨汁杯从榨汁机间隙取出；将榨汁杯连接在刀具底座上，便可进行榨汁的工作。

通过这种连接方式可以快速对榨汁杯进行取用或者收纳和更换。

5.2 自收纳便捷式榨汁机优势

这款自收纳便捷式榨汁机在使用时与普通家用榨汁机具有相同的尺寸要求。如图14所示，其整体高度约为377.16 mm，榨汁杯高度为121.02 mm，圆周直径为114 mm，计算得榨汁杯体积约为1.2 L，可以满足一次榨汁、多人分享的需求。携带时，其自身可收纳的结构让它在收纳时的高度缩减为正常使用状态下的2/3甚至更小，如图15所示。携带时的整体高度与市面上的普通便捷式榨汁机的高度相同，满足携带的需求。

6 结语

TRIZ作为一种系统化的创新方法，其基本理念是将一个待解决的具体问题转化成典型问题的模型，然后针对不同问题的属性采用相应的TRIZ解决工具以及解决流程，以得到典型解决方案模型，最后结合实际情况得到具体的解决方案。课题组将TRIZ解决问题基本理念运用到便捷式榨汁机结构改善的研究中，提出了自收纳保存结构；同时利用TRIZ工具，提出了多个概念方案，结合实际运用情况得到最终解决方案；最后运用增材制造技术做出实物模型，验证了方案的可行性。

本课题的创新点如下:

1) 将系统化的TRIZ创新方法应用到便捷式榨汁机结构改善的研究中，并对TRIZ工具以及计算机辅助创新软件进行相关阐述。

2) 课题组采用TRIZ创新方法对现有的便捷式榨汁机系统进行组件分析、技术和物理矛盾分析和物场分析，确定问题产生的原因以及寻找解决问题的资源。并用理想度对概念方案进行评价，找出最具可行性的概念解决方案。

3) 课题组提出了一种自收纳式结构，并产生实物进行分析，模拟该榨汁机结构的使用状态和收纳状态，收纳状态下的体积是使用状态下体积的1/2。

该自收纳结构的提出将对便捷式榨汁机结构改进产生有力影响，可对其他类似产品的便捷式结构改进产生启发。课题组运用TRIZ理论对便捷式榨汁机结构进行再设计，但尚未将研究结果应用到生产中，在结合实际应用时，其材质、颜色以及尺寸等各项参数有待进一步研究。