产品创新设计

1、项目背景
近年来，全球各国都面临着人口老龄化的问题。

老年人比例的逐渐增大，给老年人用品市场带来很大的潜力。

据了解，老年人群体中普遍存在行动不便的问题，大部分老人家常常需要靠拐杖辅助行走，需要椅子可以随时坐下休息。

然而，同时携带这两样工具非常麻烦，影响老人家出行，因此，市场亟需一种同时具有拐杖和椅子功能的便携式的产品。

从上述现状出发，本项目着力于研究拐杖与椅子的有效结合，以拐杖为原型，结合雨伞的工作原理，通过简单的变形可实现拐杖和椅子的功能，携带方便，使用简单，人性化程度高，符合当前市场的需求，其产品必将受到普遍欢迎。

本项目采用TRIZ理论创新方法进行研究。

2、 TRIZ理论与方法概述
2.1、ＴＲＩＺ理论简介
TRIZ理论是由前苏联发明家阿利赫舒列尔(G. S. Altshuller)在1946年创立的， Altshuller也被尊称为TRIZ之父。

1946年，Altshuller开始了发明问题解决理论的研究工作。

当时Altshuller在前苏联里海海军的专利局工作，在处理世界各国著名的发明专利过程中，他总是考虑这样一个问题：当人们进行发明创造、解决技术难题时，是否有可遵循的科学方法和法则，从而能迅速地实现新的发明创造或解决技术难题呢？答案是肯定的！Altshuller发现任何领域的产品改进、技术的变革、创新和生物系统一样，都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡，是有规律可循的。

人们如果掌握了这些规律，就能能动地进行产品设计并能预测产品的未来趋势。

以后数十年中，Altshuller穷其毕生的精力致力于TRIZ理论的研究和完善。

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，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系，并综合多学科领域的原理和法则，建立起TRIZ理论体系。

2.2、ＴＲＩＺ的核心思想和基本特征
现代TRIZ理论的核心思想主要体现在三个方面。

首先，无论是一个简单产品还是复杂的技术系统，其核心技术的发展都是遵循着客观的规律发展演变的，即具有客观的进化规律和模式。

其次，各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力。

再就是技术系统发展的理想状态是用尽量少的资源实现尽量多的功能。

2.3、ＴＲＩＺ的体系结构
任何问题的解决过程都包括两部分：问题分析和问题解决。

成功的创新经验表明，问题分析和系统转换对于解决问题都是非常重要的。

因此，ＴＲＩＺ包含用于问题分析的分析工具、用于系统转换的基本知识的工具和理论基础。

技术系统的进化模式或定律是TRIZ的基础。

这些模式包含用于工程系统进化的基本规律，理解这些模式可以增强人们解决问题的能力。

TRIZ分析工具包含ARIZ算法、物质—场分析、冲突分析和功能分析，这些工具用于问题模型的建立、分析和转换。

它们并不是要利用存在问题的产品的每一条信息，而是用一种特殊的方式，如冲突、物质—场模型或功能模型来表示一个问题。

（1）物质—场分析：G. S. Altshuller对发明问题解决理论的贡献之一是提出了功能的物质—场（substance-field）描述方法与模型。

其原理为所有功能都可以分解为两种物质及一种场，即一种功能由两种物质及一种场三个元件组成。

产品的功能是一种实现，因此可用物质—场分析产品的功能。

（2）ARIZ算法 ARIZ（algorithm for inventive-problem solving）称为发明问题解决算法，它是TRZI的一种主要工具，是发明问题解决的完整算法，该算法采用一套逻辑过程逐步将初始化问题程序化。

该算法特别强调冲突与理想解的程序化，一方面技术系统向着理想解的方向进化，另一方面如果一个技术问题存在冲突需要克服，该问题就变成一个发明问题。

应用ARIZ取得成功的关键
在于没有理解问题的本质前，要不断地对问题进行细化，一直到确定了物理冲突。

该过程及物理冲突的求解已有软件支持。

（3）功能分析功能分析的目的是从完成功能的角度而不是从技术的角度分析系统、子系统和部件。

该过程包括裁剪，即研究每一个功能是否必需，如果必须。

系统中的其他元件是否可完成其功能。

设计中的重要突破、成本或复杂程度的显著降低往往是功能分析及裁剪的结果。

TRIZ包含基于知识的工具：40条发明原理、76个标准解和效应数据库。

这些工具是在积累人类创新经验和大量专利的基础之上发展起来的额，基于知识的工具与分析工具的不同之处在于：基于知识的工具指出解决问题的过程系统转换的方式，而分析工具用于改变问题的描述。

（1）40条发明原理用于指导TRIZ使用者找出用于创新的解决方案。

每一种解决方案都是一个建议，应用该建议可以使系统产生特定的变化以消除技术冲突。

在解决大约1250项已知冲突时，冲突矩阵会推荐应当考虑的原理。

（2）76个标准解用于解决基于技术系统进化模式的标准问题。

按照目标，这些标准解被分为五累，分类中解的顺序反映出技术系统的进化方向。

要使用这些工具必须先确定问题的类别（基于物质—场模型），然后再选定一系列标准解。

这些标准解会建议采用哪一种系统变换来消除存在的问题。

（3）效应知识库该知识库是TRIZ中最容易使用的一种工具。

在对其进行研究的早期阶段，G. S. Altshuller就已验证：对于一个给定的难题，运用各种物理、化学和几何效应可以使解决方案更理想和简单地实现，而要实现这一点必须开发出一份大型的知识库。

要使用效应知识库，必须先选定一项系统要实现的适当功能，然后知识库会提供一些可选择方案来转化功能。

2.4、TRIZ解决问题的过程
发明问题解决理论的核心是技术进化原理。

按这一原理，技术系统一直处于进化之中，解决冲突是其进化的推动力。

进化速度随技术系统一般冲突的解决而降低，使其产生突变的唯一方法是解决阻碍其进化的深层次冲突。

G.S. Altshuller依据世界上著名的发明，研究了消除冲突的方法，他提出了消除冲突的发明原理，建立了消除冲突的基于知识的逻辑方法，这些方法包括
发明原理（Inventive Principles）、发明问题解决算法（ARIZ，Algorithm for Inventive Problem Solving）及标准解（TRIZ Standard Techniques）。

在利用TRIZ解决问题的过程中，设计者首先将待设计的产品表达成为TRIZ 问题，然后利用TRIZ中的工具，如发明原理、标准解等，求出该TRIZ问题的普适解或称模拟解（Analogous solution）；最后设计者在把该解转化为领域的解或特解。

2.5、ＴＲＩＺ的研究现状
TRIZ近60年默默无闻的发展及近十几年来的迅速爆发性的普及与应用，越来越显示出在市场及技术竞争日趋激烈的环境下，TRIZ作为创造性地解决产品设计及制造过程中问题的一个有效工具所发挥的重要作用。

由于ＴＲＩＺ在创新概念设计过程中的强大功能，在全世界范围内兴起了研究ＴＲＩＺ的热潮，ＴＲＩＺ的研究与实践得以迅速的普及和发展。

俄罗斯、瑞典、日本、以色列、美国等都成立了ＴＲＩＺ研究中心，ＴＲＩＺ方法也已广泛应用于工程技术领域，并在多个跨国公司迅速得以推广并为其带来巨大收益。

如今，它已在全世界广泛应用，创造成千上万项重大发明。

经过半个多世纪的发展，如今ＴＲＩＺ已经发展成为一套解决新产品开发实际问题的成熟理论和方法体系，并经过实践的检验，帮助众多知名企业取得了重大的经济效益和社会利益。

在美国，许多公司都致力于以ＴＲＩＺ为核心原理开发计算机辅助创新软件，如美国Ｉｎｖｅｎｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅ公司的ＧｏｌｄｆｉｒｅＩｎｎｏｖａｔｏｒ软件及ＩｄｅａｔｉｏｎＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ公司的ＩＷＢ软件，另外还有Ｔｒｉｓｏｌｖｅｒ２．１、Ｉｍｐｒｏｖｅｒ等等。

一些著名的公司如Ｆｏｒｄ、Ｍｏｔｏｒｏｌａ、ＧＭ、ＧＥ、ＨＰ等都已使用计算机辅助创新软件解决工程技术问题并取得了巨大收益。

计算机辅助计算机辅助创新软件已经成为国外企业、尖端科技领域解决技术难题、实现创新的有用工具。

软件用户遍及航空航天、机械制造、汽车工业、国防军工、铁路、石油化工、水电能源、电子、土木建筑、造船、生物医学、轻工和家电等领域。

2.6、ＴＲＩＺ的发展方向
ＴＲＩＺ的理论研究一直没有停止，其理论方法也在不断发展，并形成了庞大的理论体系。

ＴＲＩＺ目前的发展包括以下五个方面：
（１）ＴＲＩＺ基础理论研究如物质—场模型的新型符号系统、多冲突问题及解决技术的进一步发展，标准工程参数的增加，冲突矩阵的改进，可用资源的挖掘及ＡＲＩＺ算法的改进等。

（２）ＴＲＩＺ与其他创新技法的集成研究ＴＲＩＺ方法以其他的设计理论集成，为新产品的开发和创新提供了理论指导和广泛的可能性，使技术创新过程由以往凭借经验和灵感，发展到按照技术演变规律进行。

例如，ＴＲＩＺ与ＱＦＤ、稳健设计的集成，ＴＲＩＺ与ＣＰＣ的组合等。

（３）ＴＲＩＺ与技术创新管理过程集成研究提供宏观过程模型，增加已有技术创新管理过程的微观可操作性。

（４）开发计算机辅助创新软件计算机辅助创新软件是基于知识的创新工具，它以ＴＲＩＺ方法作为基础，结合现代设计方法学、计算机辅助技术、多学科领域的知识，以分析解决产品及其制作过程中遇到的冲突为出发点，从而可以从根本上解决新产品开发过程中遇到的技术难题而实现创新，并可为工程技术领域新产品、新技术的创新提供科学的理论指导，指明探索方向。

将ＴＲＩＺ方法与计算机软件技术结合可以释放出巨大的能量，不仅为产品研发提供实时指导，而且还能在产品的研发过程中不断扩充和丰富。

3、基于TRIZ理论分析求解过程
3.1、项目描述
（1）技术系统：多功能拐杖
作用：在老人需要憩息之时随时可以转换拐杖的形态，变拐杖为椅子，供老人歇息。

功能：保留拐杖原有的功能；
接收折叠椅子的功能；
改善传统拐杖所带来的问题。

（2）初始情景存在的问题
高龄者由于年龄、身体等等的原因，一般在日常生活中行走都会觉得吃力，大多数这类的老者都会有一把拐杖在身边，所谓拐杖，就是老人们的行动辅助工具，是他们的“第三只脚”。

虽然是靠着拐杖行走，但随着许多高龄者伴随体质的下降、骨质疏松与关节退化等等的原因，平时长时间地站立和行走是比较困难的。

（3）主要问题
在高龄者或者行动不便的人外出散步的时候，一般靠的是拐杖帮助他们保持身体的平衡得以行走，走的时间一长，很容易就会感觉到疲惫，肯定需要就地歇息，却常常苦于无椅子可坐，身边就只有拐杖这一工具而已。

这是他们感到比较懊恼的问题。

（4）发生上述问题的条件
问题普遍性：上述的主要问题是广大高龄者或者行动不便的人常常苦恼的事情；
问题广泛性：对于大多数高龄者或者行动不便的人都需要外出活动，一般都不喜欢宅在家里；
对象针对性：对于高龄者、老人们，身边都有一把贴身拐杖。

儿女们忙于工作无法相陪，这时候拐杖确是他们行动的时候的唯一依靠。

（5）初步思路（讨论解决方案）
方案一：老人们在外出的时候可以随身携带一椅子；
缺点：实用性低，对于老人而言，外出时候再带一凳子会加重他们的负担。

方案二：社区可在路边建设更多的凳子椅子供路人歇息；
缺点：这些公共椅子的事后维护是比较困难的，而且此举操作起来的范围可想而知。

（6）待解决的问题
如何解决普遍性和操作便捷性之间的关系；
如何确立产品的可靠性，结构的稳定性。

（7）对新技术系统的要求
符合力学性能，稳定性强；
对大多数高龄者或者行动不便的人都适用，普遍性高；
操作起来方便，简单。

3.2、本项目TRIZ方法应用过程与求解（发明）过程
在将问题转化成TRIZ标准问题的过程中，主要是寻找冲突，然后根据冲突的特点，分别采用冲突矩阵及发明原理、分离原理、效应及效应库、标准解、进化模式及路线进行解决。

TRIZ提出描述技术冲突的39个通用工程参数：运动物体质量、静止物体质量、运动物体长度、静止物体长度等。

为了解决技术冲突，TRIZ理论提出了40 项发明原理，如分割、分离、局部质量、不对称等。

而冲突矩阵将描述技术冲突的39个工程参数与40条发明原理建立了对应关系，解决了设计过程中选择发明原理的难题。

3.2.1、产品参数的技术冲突分析
拐杖在老龄人群体当中颇受欢迎，它能帮助行动不便的高龄者外出行走，现有的传统拐杖的形态，最简单的就是仅一木棍，使之成为老龄人行走的“第三只脚”。

但是传统的拐杖在实际使用中存在设计上的不足，需要对其进行改进。

传统的拐杖功能单一，唯辅助老龄人行走，当老人们长时间行走之后，需要停下来休息，而考虑到无地方可以歇息，此时，普通的拐杖就无法满足使用者的要求了。

而在普通拐杖上加上多项不同的功能，这样拐杖的结构就会显得很复杂，拐杖的形状和重量就会大大增加了使用者的负担。

由冲突矩阵确定可用的发明原理为： NO.15动态化、NO.28机械系统的代替、NO.29气动与液压结构、NO.37热膨胀。

对于实际问题，可以采用NO.15动态化，改变物体的形态，在不同的时间、不同的环境中变换不同的功能。

使用冲突分离原理：将冲突的双方在不同的时间分离，在某一时间内冲突的双方只出现一方。

拐杖在平时辅佐使用者走路的时候，只呈现传统拐杖的基本单一的功能；当使用者需要休息时，变换拐杖的形态，改变拐杖原有的功能，使之成为椅子，以发挥椅子的基本功能，达到时间分离的效果。

而这种方案在实际使用中，功能增多的拐杖在结构稳定性上难以把握，结构不再简单，技术系统中的某一些构件不稳定，例如椅子面的支撑杆在工作的时候受力方向不同，使之难以确定它实质的位置。

这样，就产生了另一对技术冲突。

由冲突矩阵确定可用的发明原理为：NO.2 分离、 NO.30柔性壳体或薄膜、NO.34 抛弃与修复、NO.35 参数变化。

对此，我从中选择采用NO.35 参数变化。

使用冲突分离原理：整体与局部的分离，使冲突双方在不同的层次分离。

支撑杆和主轴的连接部件可选用强度和硬度高的材料，在确定支撑杆展开的位置的同时，也提高了各部分支架的承受压力的强度。

3.2.2、产品参数的物理冲突分析
根据上述问题的描述，老龄人在平时行走的时候会用到传统拐杖的基本功能，就是能辅助行走，这个功能要求拐杖必须越简单越好，以减轻老龄人行走的负重，并且操作方便。

而在另一个条件下---老龄人长时间走动需要停下来休息的条件下，则希望拐杖的功能越多越好，以便达到停下来用以歇息、有地方可以歇息的要求。

这样就产生了矛盾：
物理冲突：拐杖需要结构简单便于使用，减少负重；
拐杖的结构应避免过于简单而功能单一。

解决原理：分离原理为物理冲突提供解决方法。

通常，分离原理有四种形式：空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体与局部的分离。

每个分离原理都对应多种不同的发明原理。

3.2.3、物质—场模型分析
TRIZ理论认为，技术系统构成要素S1、作用体S2、场 F三者缺少其中一个就会造成系统不完整。

而当系统中某一物质的特定机能没有实现时，系统就会产生问题。

为了控制这一物质产生的问题，有必要引入另外的物质。

由此产生这些物质之间的相互作用并伴随能量（场）的产生、变换、吸收等，物—场模型也从一种形式变换为另一种形式。

因此各种技术系统及其变换都可用物质和场的相互作用形式表述。

建立物质——场模型
其中F为机械场，S1为拐杖，S2为人（手）
存在问题：有用功能：辅助老龄人行走；
缺少功能：用以歇息的地方
在原有的系统上，我发现缺少了可以满足需要——用以歇息的功能，在建立系统的物质——场模型之后，我对此进行了改良。

根据约束条件，我从标准化表中体出改进方案。

使用标准解法3，向外部复杂物质——场跃迁，在S2或者S1的外部引入一种永久的或者临时的外部添加物S3。

由此得出，若在S2的外部引入的话，可以在原有的系统——拐杖（S2）上加入椅子（S3），以补足拐杖所缺少的功能。

如下模型：
椅子的种类很多，倘若加入的是定型椅子，所组成的系统的体积必定很大，根据标准化表中的标准解法17，向带有工具分散物质—场跃迁，提高完成工具功能的物质分散度。

把定型椅拆成小零件或者小部件再与拐杖结合，这时，我可以用折叠椅来代替原有的定型椅，利用折叠椅的灵活性和伸缩性改变原有系统的形态，减小它的体积。

为了解决新系统中两个小系统之间连接的复杂性和稳定性问题，根据标准化表中的标准解法38，改变双系统或者多系统之间的连接。

由此得出，把拐杖（S2）和椅子（S3）合二为一，即椅子的中心支撑杆为拐杖，拐杖的外部和顶部为椅子，两个小系统的构件互相应用，组合成一个新的系统（S4）。

如下模型：
3.2.4、由TRIZ分析得到的部分通解
基于以上应用TRIZ方法的分析，我得到了一下几个通解：
1、老人外出可以携带一张比较轻便的椅子，累的时候可以就地休息
2、政府在更多的活动场所建设更多的公共椅子，让老人随时随地可以歇息
3、制作一张可折叠的适合老人的椅子，便于老人出门携带。

4、老人携带一张垫子，可以随时随地坐。

5、我通过制作一支多功能拐杖，一举两得。

在多功能拐杖这个问题上，我结合以上的TRIZ分析得到以下几种方案：
（1）、通过简单的机械结构将椅子和拐杖合并，即在拐杖的主体部分与椅子的椅面配合，然后通过设计一个三角形结构来作为椅子的脚。

（2）、通过简单的机械结构，拐杖由多截可以通过铰链连接的棍体组成，我通过拆卸拐杖来重新组合成一张椅子，当要作为拐杖的时候，可以通过拆卸椅子来重新拼回拐杖。

（3）、基于1.2这个通解，我发现很难将一支拐杖拼出一张椅子，我考虑使用两条拐杖来组合在一起，拼成一张椅子。

（4）、我从舒适度考虑，同样是采用拐杖拼接成椅子的方法，但是材料改为使用面积比较大的塑料板。

（5）、通过简单的机械结构，将拐杖通过伸缩切换为椅子。

基于以上分析，同时结合现有的物品雨伞的工作原理，我得到以下的一个通解：
图1.折叠状态
图2.展开为椅子的状态
以下为各个组成部件所谓分析：
（1）、手握端（效果图如下图所示）
图3.手握端
手握端是可以拆卸的一部分，当作为拐杖时，把它安装在拐杖的主轴上，可以当手握扶手使用；当把拐杖作为椅子的时候，可以简单地拆卸下来，这样就形成了一张平整的椅子。

手握端与主轴的结合原理很简单，我是仿照电灯泡和灯座配合的原理来实现，即在主轴安装弹簧和预留一个槽，当用力将手握端顶进去时，通过逐走的弹簧和槽之间的作用使得手握端能稳固地固定在主轴上。

这样的结构拆卸非常方便而且不费劲，非常适合老人操作使用。

（2）、滑块
图4.滑块
本项目使用了两个滑块来固定八组摇杆结构。

滑块设计成八边形棱柱是因为我有八组摇杆结构，这样达到空间对称，使得受力均匀。

棱柱的一个断面切割了八个中心对称分布的槽，目的是把限定摇杆机构左右移动的螺柱杆件，当八个螺柱放下槽中后，上面要堵住（图中没有标出）。

棱柱的八个侧面挖了八个中心对称分布的槽，这些槽是预留空间给八组摇杆运动的。

我的项目效仿了雨伞的部分原理，用两个滑块就可以实现椅子的收缩和展开了。

图5.一对摇杆结构与两个滑块的结合
（3）、主轴
图6.主轴
主轴主要起支撑的作用的，上端有一个与手握段结合的弹簧卡座，由于时间问题没有画出来！下面有一条螺钉伸出来，目的是让拐杖具有伸缩功能，而且当椅子的时候可以适当调节椅子的高度。

（4）、底座
图7.完整底座效果图
图8.局部放大图
底座是一个三脚架支座，现在很多拐杖都采用这种设计，原因是这样更加稳定。

而我这样设计，既可以让拐杖更加稳定，又可以在转换为椅子的时候作为椅子的脚，一举两得！
当然这个底座和主轴配合还实现了可收缩功能，主轴的螺柱可以通过卡在底座的不同位置来获得不同的高度，当然这个卡的方式还不是很好，以后可以改进！
（5）、软皮革
图9.软皮革
软皮革是包裹在八组摇杆结构的上端，类似于雨伞的布的作用。

当拐杖折叠起来作为拐杖使用的时候，皮革也收缩起来，当展开拐杖当做椅子的时候，皮革便会张开，此时起提高舒适度和加固椅子的表面的作用。

（6）、摇杆结构
摇杆结构由上杆和下杆组成
图10. 上杆
图11.下杆
上杆和下杆通过销钉连接便可以组成摇杆结构，如图12所示。

图12. 摇杆结构
按一定比例制作的摇杆结构的两端分别连接到上下两个滑块之中，使得拐杖伸缩自如，实现了折叠功能。

（7）、固结结构
图13.固结结构
如图13所示的是固结结构，原理和雨伞的固结原理一样。

通过在主轴上加一个可收缩的机械按钮，实现固定摇杆结构的作用。

由于人的体重比较大，所以在选择材料的时候要分析一下受力情况，最终确定是否可行。

3.3、方案评估与选优
（1）方案评估
A.可行性
通解1-5都具有一定的可行性，其中通解1、通解3、通解4原理相似，均由老人家携带“椅子”方便随时休息，虽然可行，但实际操作比较麻烦，不符合人性化设计，通解1、通解3的椅子携带不方便，通解4的垫子虽然轻便，但不符合老年人使用要求。

通解2灵活性低，投入大，后期维护麻烦，难以大规模推广。

通解5既满足功能上的要求，也具有便携，灵活等优点，其中，通解 5.1结构简单，但椅子和拐杖结合程度较低，携带相对不方便，通解5.2、通解5.3使用较麻烦，可靠性低，通解5.4外形较庞大，携带相对不方便，5.5则同时具有基本避开其他方案的缺陷，具有体积小，便携，使用方便，可靠性高，成本较。