机构创新设计与优化
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输送杆销轴
C
A
D
B
弯杆
齿轮A 齿轮销轴 弯杆孔销轴
齿轮B
输送爪
连杆E 凸轮
偏心凸轮槽 导轨
与凸轮槽相 配的轴销
输送杆
连杆A
连杆B
连杆D 连杆C
（c） 图 12-26 各种步进机构
被输送的零件
输送爪
导轨 机体
输送杆 输送杆的 运动轨迹
（d）
气缸盖
空气
气缸体 空气
压缩弹簧 密封
O形环
活塞
（a）
手爪
滚轮支架
3 什么情况下，不现实部分能够变为现实？（a）箱板分离，主箱板成为车体的一部分 。
b. 零件容易折叠，且折叠后平整。 4 确定系统、超系统和子系统的可用资源。超系统：所有的折叠机构；系统：自行车 系 统；子系统：自行车的组成构件，如车架、把手、车轮、链条等。 5 利用已有的资源，得到可能的解决方案构想：如图 12-25 所示，将箱体的两块主箱 板 固定在车架的外侧，通过连杆机构的优化，使车轮、座椅、手把、链轮等构件折叠平整。
碾轮
排气孔 气缸
空气
气路
板簧手爪 锁紧螺母
（b）
1）多屏幕方法 多屏幕思维方式是一种分析问题的手段，为解决问题提供资源，而非直接的解决问题的 手段。如图 12-22 所示，利用多屏幕方法，可以从不同的角度分析待解决问题，主要步骤如 下：
1 先从机构系统的本身出发，考虑可以利用的资源； 2 考虑机构系统的子系统、超系统中的资源； 3 考虑系统的过去和未来，从中寻找可以利用的资源； 4 考虑超系统和子系统的过去和未来，从中寻求可以利用的资源。
TRIZ 理论的强大作用正在于它为人们创造性地发现问题和解决问题提供了系统的理论 和方法工具。TRIZ 的主要内容包括以下几方面：（1）创新思维方法与问题分析方法：TRIZ 理论中提供了如何系统分析问题的科学方法，如多屏幕法。而对于复杂问题的分析，它包含 了科学的问题分析建模方法——物场分析法，它可以帮助快速确认核心问题，发现根本矛盾 所在。（2）技术系统进化法则：针对技术系统进化演变规律，在大量专利分析的基础上，TRIZ 理论总结提炼出八大进化法则。利用这些进化法则，可以分析确认当前产品的技术状态，并 预测未来发展趋势，开发富有竞争力的新产品。（3）最终理想解：发明创造的理想状态是理 想解的实现，尽可能使企业的产品接近于其理想解是产品创新的指导思想。（4）工程矛盾解 决原理：不同的发明创造往往遵循共同的规律，TRIZ 理论将这些共同的规律归纳成 40 个发 明原理与 11 个分离原理，针对具体的矛盾，可以基于这些创新原理，结合工程实际寻求具 体的解决方案。（5）发明问题标准解法：针对具体问题的物场模型之间的不同特征，分别对 应有标准的模型处理方法，包括模型的修整、转换、物质与场的添加等。（6）发明问题解决 算法（ARIZ）：主要针对问题情境复杂，矛盾及其相关部件不明确的技术系统。它是一个 对初始问题进行一系列变形及再定义等非计算性的逻辑过程，实现对问题的逐步深入分析，
阿奇舒勒认为，技术系统进化过程不是随机的，而是有客观规律可以遵循，这种规律在 不同领域反复出现。现代 TRIZ 理论的核心思想主要体现在三个方面：首先，在解决发明问 题的实践中，人们遇到的各种矛盾以及相应的解决方案总是重复出现。其次，用来彻底而不 是折中解决技术矛盾的创新原理与方法。第三，技术系统发展的理想状态是用最少的资源实 现最大效益的功。
图 12-25 箱式折叠自行车
强化训练题 12-3：试用金鱼法求解无能耗自返回装卸车的设计方案。具体问题描述为： 现有四轮运输车运送货物时，由人力推动或电力驱动，现计划改善其驱动方式，使其不需人 力、电力等能源，而是利用车的自身机构特点驱动运输车前进，并能在卸货后自动返回。
3）机构创新思维的联想案例 在机构设计中，实现同一功能可能有很多种机构形式，要善于联想，这样尽可能多找到 备选方案，为最终方案的选择提供充足的数据。 以步进输送零件为例，就有如图12-26 所示的4 种方案。又如机械夹持机构，有如图12-27 所示的 8 种方案。请读者自行分析这些机构组成及工作过程、特点，为机构分析与综合准备 思维拓展思路。因此，读者在设计机构中要根据已有知识，充分挖掘潜在的机构形式，以便 寻求最优的方案。
强化训练题 12-2：（1）试用多屏幕方法分析汽车系统、汽车转向系统。（2）试用多屏 幕方法分析手机系统、自行车系统。
2）金鱼法 利用金鱼法求解问题时，先从一堆提议的解决方案中区分现实和幻想方案，对幻想方案 寻求资源支持，转换为现实方案，进而找到整个问题的解决方案。如图 12-24 所示，金鱼法 是反复迭代区分现实与幻想，并集中求解幻想部分的问题求解方法。
STC算子
矛盾矩阵
金鱼法 分离原理
技术矛盾
物理矛盾
多屏幕法
技术进化工具
TRIZ理论
发明原理
RTC算子
物场模型
How to模型
76种标准解法
知识效应库
最终理想解
小矮人法
图 12-20 TRIZ 理论体系
问题分析
是否有解？
构建模型
技术矛盾与物理矛盾、 最终理想解
是否有解？ 是否有解？
TRIZ思维方法
物场分析与标准解
是否有解？
科学效应库
是否有解？
转化或替代问题
进化方法
原理解评价（是 否为最终解？）
原理解优化 实际解决方案
图 12-21 TRIZ 求解问题的流程
1.突破惯性思维的 TRIZ 思维方法 当我们创新时，总是受到惯性思维的约束，TRIZ 理论采用多屏幕法、STC 算子、RTC 算子、金鱼法、小矮人法扩展我们的思维，帮助我们克服惯性思维。下面用实例介绍多屏幕 法和金鱼法在机构创新设计中的应用。
第十二章 机构创新设计与优化
本章学习任务：机构创新设计方法、机构优化方法。 驱动项目的任务安排：项目中机构优化。
12.1 机构创新设计
12.1.2 基于 TRIZ 理论的机构设计 TRIZ 理论是“发明问题的解决理论”（（Theory of InventiveProblem Solving）的俄语含
解：运用金鱼法解决自行车折叠后能立着存放及零件不外露的问题，过程如下。 1 根据条件区分现实部分和不现实部分。现实部分：自行车折叠后竖立存放、隐藏零 件 的想法；不现实部分：采用箱子包装、零件过多拆卸。 2 为什么采用箱子包装、零件过多拆卸是不现实的？因为单独用箱子包装，需要随时 携 带一只箱子，折叠车上无法存放；同时，零件过多拆卸，容易丢失，重装配时间比较长。
输送杆的运动轨迹
水平滑板 驱动轴Biblioteka Baidu
被输送的零件 输送杆 L形连杆 滑块 摩擦滑块
摩擦导轨 连杆A
导轨
被输送的零件 输送爪
输送杆的轨迹
凸轮轴
机体
驱动臂 曲柄轮
导轨 档块B
连杆B
凸轮
连杆C 凸轮槽 偏心凸轮 （内侧）
输送杆
连杆E 与凸轮槽相配的轴销 连杆D
（a）
（b）
输送杆的运动轨迹 被输送的零件
齿轮A=B=C=D （齿数相同）
问题转化，直到问题解决。（7）科学效应与现象知识库：基于物理、化学、几何学等工程学 原理的数百万项发明专利的分析结果而构建的知识库，可以为技术创新提供丰富的方案来源。 其基本理论体系如图 12-20 所示，其求解复杂问题的流程如图 12-21 所示。由于 TRIZ 理论 体系较大，本节主要对 TRIZ 思维方法、TRIZ 进化工具、TRIZ 冲突求解、TRIZ 物场分析 四个方面的内容进行分析和应用实践。
图 12-23 曲柄滑块机构的多屏幕方法
例 12-2 利用多屏幕方法分析曲柄滑块机构，为获得较佳的滑块运动规律准备资源。 解：在解决曲柄滑块机构问题时，遵循多屏幕方法的四个步骤，先从曲柄滑块机构本身 入手，考虑可以利用资源，看看是否能够找到滑块按给定运动规律的解决方案，如果不能， 则考虑该机构的子系统、超系统中的资源，以及系统、超系统、子系统的过去和未来的资源， 从中寻求解决方案。 如图 12-23 所示，曲柄滑块机构是由曲柄摇杆机构演变而来，所以它的过去是曲柄摇杆 机构，同时分析它的功能可能被凸轮机构或齿轮机构取代，故它的未来资源是凸轮机构或齿 轮机构。它的子系统是各个构件，构件的过去是简单形状，未来是复杂形状或者形状的演变 样式。它的超系统是组合机构，组合机构的过去是简单的串联或并联组合机构，其未来是复 杂混合联结组合机构。
超系统的过去
当前系统 的超系统
超系统的未来
当前系统的过去
当前系统
当前系统的未来
子系统的过去
当前系统 的子系统
子系统的未来
图 12-22 系统的多屏幕方法
简单串联（或并 联）组合机构
组合机构
复杂混合联结组 合机构
曲柄摇杆机构
曲柄滑块机构
凸轮机构或齿轮 齿条
简单形状
构件（如连杆、 滑块等）
复杂形状或形状 演变
问题
解决方案构建
现实方案 满足条件？
幻想方案
可以利用资源如 子系统、系统、 超系统转换为现
实
图 12-24 金鱼法解决流程
例 12-3 箱式折叠自行车的设计，为了便于自行车的携带，折叠自行车已经出现，但现 有的折叠自行车仍有不便于立体堆放，并有突起零件外露，易对搬运者带来伤害，拟用金鱼 法设计一款新型的折叠自行车。
义的单词首字母“Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zada-tch”的缩写），由前苏联发明家阿 奇舒勒（G•S•Altshuller）在 1946 年创立的，在他的领导下，前苏联的研究机构、大学、企 业组成了 TRIZ 的研究团体，分析了世界近 250 万份高水平的发明专利，总结出各种技术发 展进化遵循的规律模式，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则，建立一个由 解决技术问题，实现创新开发的各种方法和算法组成的综合理论体系，并综合多学科领域的 原理和法则，终于建立起 TRIZ 理论体系。
C
A
D
B
弯杆
齿轮A 齿轮销轴 弯杆孔销轴
齿轮B
输送爪
连杆E 凸轮
偏心凸轮槽 导轨
与凸轮槽相 配的轴销
输送杆
连杆A
连杆B
连杆D 连杆C
（c） 图 12-26 各种步进机构
被输送的零件
输送爪
导轨 机体
输送杆 输送杆的 运动轨迹
（d）
气缸盖
空气
气缸体 空气
压缩弹簧 密封
O形环
活塞
（a）
手爪
滚轮支架
3 什么情况下，不现实部分能够变为现实？（a）箱板分离，主箱板成为车体的一部分 。
b. 零件容易折叠，且折叠后平整。 4 确定系统、超系统和子系统的可用资源。超系统：所有的折叠机构；系统：自行车 系 统；子系统：自行车的组成构件，如车架、把手、车轮、链条等。 5 利用已有的资源，得到可能的解决方案构想：如图 12-25 所示，将箱体的两块主箱 板 固定在车架的外侧，通过连杆机构的优化，使车轮、座椅、手把、链轮等构件折叠平整。
碾轮
排气孔 气缸
空气
气路
板簧手爪 锁紧螺母
（b）
1）多屏幕方法 多屏幕思维方式是一种分析问题的手段，为解决问题提供资源，而非直接的解决问题的 手段。如图 12-22 所示，利用多屏幕方法，可以从不同的角度分析待解决问题，主要步骤如 下：
1 先从机构系统的本身出发，考虑可以利用的资源； 2 考虑机构系统的子系统、超系统中的资源； 3 考虑系统的过去和未来，从中寻找可以利用的资源； 4 考虑超系统和子系统的过去和未来，从中寻求可以利用的资源。
TRIZ 理论的强大作用正在于它为人们创造性地发现问题和解决问题提供了系统的理论 和方法工具。TRIZ 的主要内容包括以下几方面：（1）创新思维方法与问题分析方法：TRIZ 理论中提供了如何系统分析问题的科学方法，如多屏幕法。而对于复杂问题的分析，它包含 了科学的问题分析建模方法——物场分析法，它可以帮助快速确认核心问题，发现根本矛盾 所在。（2）技术系统进化法则：针对技术系统进化演变规律，在大量专利分析的基础上，TRIZ 理论总结提炼出八大进化法则。利用这些进化法则，可以分析确认当前产品的技术状态，并 预测未来发展趋势，开发富有竞争力的新产品。（3）最终理想解：发明创造的理想状态是理 想解的实现，尽可能使企业的产品接近于其理想解是产品创新的指导思想。（4）工程矛盾解 决原理：不同的发明创造往往遵循共同的规律，TRIZ 理论将这些共同的规律归纳成 40 个发 明原理与 11 个分离原理，针对具体的矛盾，可以基于这些创新原理，结合工程实际寻求具 体的解决方案。（5）发明问题标准解法：针对具体问题的物场模型之间的不同特征，分别对 应有标准的模型处理方法，包括模型的修整、转换、物质与场的添加等。（6）发明问题解决 算法（ARIZ）：主要针对问题情境复杂，矛盾及其相关部件不明确的技术系统。它是一个 对初始问题进行一系列变形及再定义等非计算性的逻辑过程，实现对问题的逐步深入分析，
阿奇舒勒认为，技术系统进化过程不是随机的，而是有客观规律可以遵循，这种规律在 不同领域反复出现。现代 TRIZ 理论的核心思想主要体现在三个方面：首先，在解决发明问 题的实践中，人们遇到的各种矛盾以及相应的解决方案总是重复出现。其次，用来彻底而不 是折中解决技术矛盾的创新原理与方法。第三，技术系统发展的理想状态是用最少的资源实 现最大效益的功。
图 12-25 箱式折叠自行车
强化训练题 12-3：试用金鱼法求解无能耗自返回装卸车的设计方案。具体问题描述为： 现有四轮运输车运送货物时，由人力推动或电力驱动，现计划改善其驱动方式，使其不需人 力、电力等能源，而是利用车的自身机构特点驱动运输车前进，并能在卸货后自动返回。
3）机构创新思维的联想案例 在机构设计中，实现同一功能可能有很多种机构形式，要善于联想，这样尽可能多找到 备选方案，为最终方案的选择提供充足的数据。 以步进输送零件为例，就有如图12-26 所示的4 种方案。又如机械夹持机构，有如图12-27 所示的 8 种方案。请读者自行分析这些机构组成及工作过程、特点，为机构分析与综合准备 思维拓展思路。因此，读者在设计机构中要根据已有知识，充分挖掘潜在的机构形式，以便 寻求最优的方案。
强化训练题 12-2：（1）试用多屏幕方法分析汽车系统、汽车转向系统。（2）试用多屏 幕方法分析手机系统、自行车系统。
2）金鱼法 利用金鱼法求解问题时，先从一堆提议的解决方案中区分现实和幻想方案，对幻想方案 寻求资源支持，转换为现实方案，进而找到整个问题的解决方案。如图 12-24 所示，金鱼法 是反复迭代区分现实与幻想，并集中求解幻想部分的问题求解方法。
STC算子
矛盾矩阵
金鱼法 分离原理
技术矛盾
物理矛盾
多屏幕法
技术进化工具
TRIZ理论
发明原理
RTC算子
物场模型
How to模型
76种标准解法
知识效应库
最终理想解
小矮人法
图 12-20 TRIZ 理论体系
问题分析
是否有解？
构建模型
技术矛盾与物理矛盾、 最终理想解
是否有解？ 是否有解？
TRIZ思维方法
物场分析与标准解
是否有解？
科学效应库
是否有解？
转化或替代问题
进化方法
原理解评价（是 否为最终解？）
原理解优化 实际解决方案
图 12-21 TRIZ 求解问题的流程
1.突破惯性思维的 TRIZ 思维方法 当我们创新时，总是受到惯性思维的约束，TRIZ 理论采用多屏幕法、STC 算子、RTC 算子、金鱼法、小矮人法扩展我们的思维，帮助我们克服惯性思维。下面用实例介绍多屏幕 法和金鱼法在机构创新设计中的应用。
第十二章 机构创新设计与优化
本章学习任务：机构创新设计方法、机构优化方法。 驱动项目的任务安排：项目中机构优化。
12.1 机构创新设计
12.1.2 基于 TRIZ 理论的机构设计 TRIZ 理论是“发明问题的解决理论”（（Theory of InventiveProblem Solving）的俄语含
解：运用金鱼法解决自行车折叠后能立着存放及零件不外露的问题，过程如下。 1 根据条件区分现实部分和不现实部分。现实部分：自行车折叠后竖立存放、隐藏零 件 的想法；不现实部分：采用箱子包装、零件过多拆卸。 2 为什么采用箱子包装、零件过多拆卸是不现实的？因为单独用箱子包装，需要随时 携 带一只箱子，折叠车上无法存放；同时，零件过多拆卸，容易丢失，重装配时间比较长。
输送杆的运动轨迹
水平滑板 驱动轴Biblioteka Baidu
被输送的零件 输送杆 L形连杆 滑块 摩擦滑块
摩擦导轨 连杆A
导轨
被输送的零件 输送爪
输送杆的轨迹
凸轮轴
机体
驱动臂 曲柄轮
导轨 档块B
连杆B
凸轮
连杆C 凸轮槽 偏心凸轮 （内侧）
输送杆
连杆E 与凸轮槽相配的轴销 连杆D
（a）
（b）
输送杆的运动轨迹 被输送的零件
齿轮A=B=C=D （齿数相同）
问题转化，直到问题解决。（7）科学效应与现象知识库：基于物理、化学、几何学等工程学 原理的数百万项发明专利的分析结果而构建的知识库，可以为技术创新提供丰富的方案来源。 其基本理论体系如图 12-20 所示，其求解复杂问题的流程如图 12-21 所示。由于 TRIZ 理论 体系较大，本节主要对 TRIZ 思维方法、TRIZ 进化工具、TRIZ 冲突求解、TRIZ 物场分析 四个方面的内容进行分析和应用实践。
图 12-23 曲柄滑块机构的多屏幕方法
例 12-2 利用多屏幕方法分析曲柄滑块机构，为获得较佳的滑块运动规律准备资源。 解：在解决曲柄滑块机构问题时，遵循多屏幕方法的四个步骤，先从曲柄滑块机构本身 入手，考虑可以利用资源，看看是否能够找到滑块按给定运动规律的解决方案，如果不能， 则考虑该机构的子系统、超系统中的资源，以及系统、超系统、子系统的过去和未来的资源， 从中寻求解决方案。 如图 12-23 所示，曲柄滑块机构是由曲柄摇杆机构演变而来，所以它的过去是曲柄摇杆 机构，同时分析它的功能可能被凸轮机构或齿轮机构取代，故它的未来资源是凸轮机构或齿 轮机构。它的子系统是各个构件，构件的过去是简单形状，未来是复杂形状或者形状的演变 样式。它的超系统是组合机构，组合机构的过去是简单的串联或并联组合机构，其未来是复 杂混合联结组合机构。
超系统的过去
当前系统 的超系统
超系统的未来
当前系统的过去
当前系统
当前系统的未来
子系统的过去
当前系统 的子系统
子系统的未来
图 12-22 系统的多屏幕方法
简单串联（或并 联）组合机构
组合机构
复杂混合联结组 合机构
曲柄摇杆机构
曲柄滑块机构
凸轮机构或齿轮 齿条
简单形状
构件（如连杆、 滑块等）
复杂形状或形状 演变
问题
解决方案构建
现实方案 满足条件？
幻想方案
可以利用资源如 子系统、系统、 超系统转换为现
实
图 12-24 金鱼法解决流程
例 12-3 箱式折叠自行车的设计，为了便于自行车的携带，折叠自行车已经出现，但现 有的折叠自行车仍有不便于立体堆放，并有突起零件外露，易对搬运者带来伤害，拟用金鱼 法设计一款新型的折叠自行车。
义的单词首字母“Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zada-tch”的缩写），由前苏联发明家阿 奇舒勒（G•S•Altshuller）在 1946 年创立的，在他的领导下，前苏联的研究机构、大学、企 业组成了 TRIZ 的研究团体，分析了世界近 250 万份高水平的发明专利，总结出各种技术发 展进化遵循的规律模式，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则，建立一个由 解决技术问题，实现创新开发的各种方法和算法组成的综合理论体系，并综合多学科领域的 原理和法则，终于建立起 TRIZ 理论体系。