TRIZ与可拓学理论在办公椅设计中的应用研究

■曾盼盼，陶 涛，陈星艳，尹志远，张叙俊，宋 玲，袁 园 Zeng Panpan & Tao Tao & Chen Xingyan & Yin Zhiyuan & Zhang Shujun & Song Ling & Yuan Yuan

(1.中南林业科技大学，湖南长沙 410004；2.圣奥科技股份有限公司，浙江杭州 310000；3.湖南科技职业学院，湖南长沙 410004）

面对消费者对于产品多样化和求新的需求，只有不断进行设计创新才能有效满足其需求，因此不少企业已将创新列为提高竞争力的重要因素和发展趋势[1]。在办公椅同质化现象普遍的情况下，企业面临着创新问题的挑战。而使用创新设计方法可以更有效解决产品设计的问题，帮助产品进行创新设计，提高产品的设计水平和性能。目前，国内外所熟知的主流的创新方法有TRIZ理论、可拓学理论、公理化设计、QFD等，其中可拓学和TRIZ理论在应用中都取得了良好的创新效果，两者都是以解决矛盾问题为主，但在解决问题时具有各自的优势和特点[2]。为了能更大地发挥可拓学和TRIZ创新方法在办公椅[3-4]产品设计中的作用，本文将利用两种理论的优势对其进行有机融合，建立设计流程，并以办公椅为实例进行应用。

1 可拓学和TRIZ理论概述

1.1 可拓学理论概述

可拓学是数学、哲学与工程交叉的一门新兴学科，为解决矛盾问题，其以矛盾为对象，利用形式化的模型的方式来探索事物间的拓展可能性并且创建了用于创新的方法。它以一套程序化的方法帮助人们按照程序处理矛盾问题和开拓创新,是高效的创新方法之一[5]。在可拓学中，建立了物元、事元、关系元（统称为基元）来描述物、事和关系。基元(B)作为逻辑细胞的基本表达式为

可拓创新方法是可拓学用于创新的基本方法，使用流程一般是先用形式化的方式表示矛盾问题，通过发散树、相关网、蕴含系、分合链的4种拓展方法进行拓展，再通过置换、增删、扩缩、分解、复制的5种基本变换方法以及与、或、积、逆的4种基本运算，来获得创新方案，最后通过可拓优度评价，获取较优方案[8]。

■图1 基于可拓学和TRIZ方法的设计流程

■图2 办公椅N的结构图

1.2 TRIZ理论概述

TRIZ作为发明问题系统化解决的理论是基于知识的、面向人的，适用于各个行业[9-10]，其可以帮助人们突破思维，探索解决问题的方法。现代TRIZ理论体系中包括功能模型分析法、因果链分析法、39个工程参数、40个发明原理、矛盾矩阵、物—场模型分析等理论工具，核心是利用发明原理工具解决矛盾矩阵中的冲突，以达到最终理想解[11]，其解决问题的流程一般是先定义问题，其次是分析问题，再通过分析解的方式选择最优解[12]。

2 基于可拓学和TRIZ 的设计流程

可拓学具有形式化、一般性、可操作化的特点，能给设计者提供完整的思考路径与模式。TRIZ则在工程应用上比较广泛，能为设计者提供解决问题的有效方法和解决设计中“如何做”的问题。结合两个理论的优势，在产品设计流程中本文利用可拓学的蕴含系表述TRIZ根原因分析，以使问题分析更具有形式化和逻辑性；利用拓展分析、可拓变换为TRIZ提供更多解决问题的方案；再利用优度评价方法解决TRIZ方案量化难的问题，为设计方案提供最优选择。由此建立了基于可拓学和TRIZ方法的设计流程，如图1所示。

2.1 问题分析

2.1.1 功能分析

选择目标设计产品，针对选择的产品进行功能分析，得到产品的初始问题。功能分析作为现代TRIZ理论中用于分析问题的一个重要工具，主要有三个部分，分别是组件分析、相互作用分析和功能模型[13]。

（1）组件分析：划分产品的系统组件和超系统组件，并分类列举出来，在组件分析时，需要选择合适的组件层级。

（2）相互作用分析：分析两两组件之间的相互作用关系。

（3）建立功能模型：整合分析的组件、组件间的作用关系和功能，并用一种图形化的方式表示。

2.1.2 根原因分析

通过对功能分析的问题进行基元建模，再将因果链的逻辑与蕴含系的表达方式结合挖掘关键问题，以解决初始问题[14]。

2.2 问题求解

针对关键问题进行矛盾冲突分析，判断矛盾的类型（技术矛盾，物理矛盾），再根据矛盾类型对应的工具的提示（分离原理、工程参数与矛盾矩阵）寻找解决问题的原理解（发明原理），并利用基元模型进行形式化的表达，通过拓展分析与可拓变换的方法形成解决方案集。

2.3 方案评价

优度评价[15]是可拓创新理论中对对象评价的基本方法，利用优度评价方法对各方案进行衡量评价，可筛选最优方案。

3 实例分析

本文选择某公司的一款办公椅N进行设计应用分析，其结构如图2所示。

3.1 分析问题

3.1.1 功能分析

（1）组件分析

研究对象办公椅N的主要功能是支撑人[16]，是能够执行一定功能的系统，因此办公椅N就是所研究的工程系统。它的系统组件可以分为头枕、椅背、扶手、椅座、调节机构、气杆、椅脚和椅轮八个部分。超系统组件为人和地面（表1）。

表1 办公椅N的组件分析

（2）相互作用分析

将表1的系统组件和超系统组件用矩阵列表进行相互作用分析，如表2所示。其中“+”表示两两组件间存在作用关系，“-”表示两两组件间不存在作用关系。

表2 办公椅N的相互作用分析

（3）建立功能模型

因为办公椅N的主要功能是支撑人，所以此系统的作用目标就是超系统组件中的人。再根据表2的相互作用分析结构，建立功能模型图，如图3所示。通过模型图可知三个比较显著的问题，分别是问题一：椅背对人支撑不足，问题二：扶手对人支撑不足，问题三：调节机构和人之间的作用不足。

3.1.2 根原因分析

由于篇幅限制，文本从三个问题点中选择一个问题进行分析。由于久坐办公的工作模式，常常会引发办公人员的腰背疾病，而椅背对人体的支撑作用可以有效缓解人体腰背疲劳，减少疾病的诱发[17-18]。因此对比三个问题，本文优先选择问题一（椅背对人支撑不足）进行展开分析。现对椅背的支撑不足问题建立物元模型M。

根据事物的可分特性[19]，将办公椅N的椅背组分为背部框架、网布和腰靠三个部分，以加强对椅背结构的了解（图1）。对椅背物元M进行组分的表达式为

将物元模型M中的关键缺点物元提取出来并用基元B进行表示，则B=（椅背，支撑作用，不足）。结合因果链逻辑与蕴含系表达方式的根原因分析法挖掘关键问题，如图4所示。

图4因果链蕴含分析图中的基元模型为

在因果链蕴含分析中可知椅背支撑作用不足的原因是人体倾仰带动椅背转动时，腰靠和人体腰部的相互作用位置发生改变，使腰靠对腰部的支撑作用不足，导致椅背的支撑作用不足。在所有缺点中选择B11作为需解决的关键问题。

3.2 问题求解

根据上述分析可知，关键问题是腰靠的作用位置发生变化。若椅背采取固定形式保持腰靠作用位置不变，则可以增强腰靠的支撑作用，但这会造成倾仰功能缺失，导致办公椅不能满足使用者对于不同姿势的需求。从矛盾冲突的角度分析，这属于技术矛盾，根据通用工程参数将矛盾描述为改善的参数是力，恶化的参数是适应性和多样性。通过矛盾矩阵定位，获取对应的发明原理是15号动态化原理、17号维数变化原理、18号振动原理、20号有效作用的连续性原理。

根据15动态化原理的提示，得到解决问题的方向，一是考虑将椅背的背部框架和腰部支撑部分设计为可以相对移动的两部分，以增强腰靠支撑效果。二是划分椅背框架为背部支撑架和背框两部分，并使背框在背部支撑架倾仰转动时保持相对移动。

■图3 办公椅N功能分析模型

■图4 因果链蕴含分析图

■图5 椅背的方案草图

根据方向一的方案，为了使腰靠和背部框架发生相对移动，将在背部框架上设计滑槽，使背部框架和腰靠能够产生联动，并使腰靠连接在椅座上，对此建立物元模型因此可形成方案一一种腰靠与背部框架分离运动，又具有相互作用的椅背（图5）。表达式为

其中M11与M12的关系元R为

为了使支撑架和背框能够相对移动，将改变两者之间的一体式连接改为铰链连接，使背框能够转动，表达式为TR=R1，其中

因为连接方式发生了变化，使支撑架的物元M11和背框物元M12发生传导变化，变换为可形成方案三：一种背框和支撑架之间可相对转动的椅背（图5）。表达式为

3.3 优度评价

（1）确定衡量指标

对于待测评的设计的方案，选择可靠性C1、支撑效果C2和成本C3作为衡量指标,得出衡量指标集:量值域。

（2）确定权系数.

采用AHP层次分析法[20]，使用1-5比率标度法对要素进行两两比较并确定其相互比率。在本次设计中可靠性比支撑效果明显重要,而支撑效果比成本稍微重要，所以利用AHP层次分析法建立的判别矩阵H为

（3）建立关联函数，并且计算规范关联度

设办公椅的可靠性、支撑作用、成本的量级均在1~5级，建立离散型关联函数为

各方案Dj关于MIi的规范关联度如下:

根据规范关联度公式，计算各衡量指标的规范关联度为

因此各方案Dj的规范关联度为

（4）计算优度

根据优度公式

4 结语

本文将可拓学和TRIZ理论进行结合创建了一个产品创新设计的模型，其利用TRIZ功能分析和因果链分析与蕴含系表达提取关键解决矛盾，并根据不同矛盾对应的工具提供有效解决方法，再运用拓展分析和可拓变换形成可行解决方案集，最后进行优度评价选取最优方案。以某办公椅为实例进行分析并提供解决问题的方案，证明了融合的创新方法的有效性，也说明了可拓学和TRIZ的融合创新设计方法可以为办公椅设计提供具有科学性和逻辑性的设计流程。