基于TRIZ理论的多功能跑步机创新设计

李夏 胡光忠

摘要：针对目前跑步机普遍存在的占用空间大、功能单一、节能效率低等问题，设计一种新型多功能智能跑步机。基于TRIZ理论中将该问题转换为技术矛盾问题，建立跑步机功能组件模型，采用矛盾矩阵工具获取优先推荐创新设计原理，并结合实际选择最佳原理解决设计中的问题。通过TRIZ理论设计的跑步机具有可收纳折叠，造型美观，节能效果明显，功能完善，智能化、信息化程度高等特点。相比传统的产品设计方法，TRIZ创新理论提高了设计效率，缩短了开发周期，在产品创新设计等领域具有重要的指导意义。

关键词：TRIZ;跑步机;技术矛盾;矛盾矩阵

中国分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2019）02-0152-02

随着我国经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，人们对于体育锻炼的观念逐渐改变，全民健身、国民体质等相关问题越来越多的引起人们的关注。与此同时，人民健身方式也从传统的自发性无器械健身，逐渐向器械健身方式转变。由于我国大部分地区空气污染严重，雾霾天气下长期在室外进行体育锻炼会影响心肺功能，极易诱发支气管炎、哮喘等心血管疾病，对人体健康是极大的威胁。除此之外，天气状况、路面状况、车辆行人等因素也制约着人们的室外运动。因此跑步机作为一种科学、安全的室内健身器械越来越受到欢迎。而且跑步机还能及时向健身者反馈身体状况，提高了安全性[1，2]。目前国内厂家生产了大量形式各样、具有各种功能的跑步机，虽然获得了市场的好评，但是仍然存在一些问题亟待解决[3]：（1）体积较大，占用大量空间;（2）功能单一，智能化、信息化程度不高;（3）节能效率不高。因此，如何在跑步机现有发展状况的基础上，通过创新设计寻求改变，提高跑步机的适用性、提升跑步机的智能化、信息化程度具有重要意义。

1 TRIZ创新理论

TRIZ创新理论是由前苏联学者阿奇舒勒在分析总结了近250万件发明专利的基础上，不断探索、提炼、总结，并综合多个学科领域之后提出的一种解决发明创造问题的理论[4，5]。与传统的创新原理不同，TRIZ理论成功揭示了发明创造的内在规律何原理，将产品设计抽象为技术系統，并将问题用TRIZ语言进行标准化的定义和分析，再依托发明问题的内在规律指导设计师系统的、高效的、有针对性的完成创新设计，大大缩短了研发周期，在机械设计、产品设计、产品评估、管理创新等领域具有广泛的应用价值[6，7]。一般地，TRIZ解决问题的过程可分为3个步骤：（1）将待解决的问题转换为TRIZ中的某种通用问题模型;（2）利用TRIZ中相应的中间工具;（3）得到TRIZ解决方案。

2 理想解分析

理想解（IFR，Ideal Final Result）表示在不存在物理实体，不消耗资源和能量却能够实现理论上产品可以达到的理想状态[8]。对于理想解的分析包括6个步骤：（1）设计的最终目的是什么？（2）明确IFR是什么？（3）实现IFR的障碍是什么？（4）出现这种障碍的结果是什么？（5）不出现这种障碍的结果是什么？（6）明确创造这些条件的可用资源是什么[9，10]？就跑步机而言，其IFR的相关分析如表1所示。

3 TRIZ问题求解过程

3.1 跑步机的问题模型

TRIZ的问题模型是从“功能”角度来分析系统的各个组件执行和完成功能的情况。其目的是优化技术系统功能结构并减少实现功能的资源消耗。跑步机是一种电机通过传动装置带动皮带转动，模拟不同速度和坡度的跑步环境的健身器材。它由机架、跑台、电机、传动装置、皮带、仪表等元器件组成。跑步机的组件模型如图1所示，其相互关系可以描述为：机架支撑电机、跑台和仪表，电机带动传动装置、跑台定位皮带，于此同时，传动装置带动皮带，皮带支撑健身者，仪表的功能是显示信息。该跑步机拟以技术矛盾为问题模型完成创新设计。

3.2 跑步机的矛盾矩阵

在技术矛盾的求解过程中，将待解决的具体问题通过TRIZ理论提供的39个通用工程参数转换为一般问题。该39个参数是阿奇舒勒分析大量专利文献之后总结出来的，足以涵盖工程领域中出现的绝大部分技术矛盾。再从正面和反面两个角度探索技术系统中的改善参数与恶化参数，并构建矛盾矩阵。最后通过查找矛盾矩阵中两项参数所在行和列的交叉点，从40个创新原理中查找解决该技术矛盾的优先推荐创新原理。最终根据推荐原理和相关实例寻求最佳设计方案[11]。

具体到跑步机而言，（1）针对体积较大、占用大量空间的问题，拟以图2问题模型中的“跑台”为问题入手点，对应改善参数为“静止物体的体积（N0.8）”，恶化参数为“形状（NO.12）”，通过表2所示的矛盾矩阵，以N0.8为横坐标，以N0.12为纵坐标，查找可能解决该矛盾的创新原理为7一嵌套原理，2一抽取原理和35-物理和化学参数改变原理。（2）同理，针对功能单一，智能化、信息化程度不高的问题，以“仪表”为问题入手点，改善参数为“操作流程的方便性（No.33）”，恶化的参数为“可制造性（No.32）”，通过查找矛盾矩阵，得到推荐创新原理为2一抽取原理，5一合并、组合原理和12-等势原理。（3）针对节能效率不高的问题，以“跑台”和“机架”为问题入手点，改善的参数为“能量损失（N0.22）”，恶化的参数为“物质的量（N0.26）”，查找矛盾矩阵，得到推荐创新原理为7一嵌套原理，18-机械振动原理和25-自服务原理。

3.3 跑步机的TRIZ创新设计

针对体积较大、占用大量空间的问题选取7一嵌套原理。嵌套原理是把一个物体嵌入另一物体，然后将这两个物体再嵌入到第三个物体，以此类推。因此，基于嵌套原理，将传统跑台设置为可折叠式跑台，健身结束的时候可将跑台收纳折叠到机架的空隙中。由于机架采用美式风格设计，造型美观、时尚、大方，折叠后可将其作为茶几、墙摆放置在客厅中，美观又实用。

针对功能单一，智能化、信息化程度不高的问题，选取5一合并、组合原理。合并、组合原理是指在空间上将相同物体或相关操作加以组合。故将跑步机同平板电脑组合在一起，取代传统的仪表显示，既提高了健身信息的智能化程度，又能加强跑步机的信息化程度，拓展了诸如娱乐、音乐、电影、聊天、网购等平板电脑具有的相关功能，对年轻健身者来说具有很强的吸引力。

针对节能效率不高的问题，选取25-自服务原理。自服务原理是指让物体通过执行辅助或维护功能为自身服务。所以拟有效利用跑台前轮和后轮及上、下平行皮带形成的空间，将辅助设施发电机置于其中。另利用机架平台下方的空间，放置若干锂离子电池。当跑步机皮带驱动时，发电机联动系统对锂离子电池充电。该电能主要用于平板电脑的供电，机架平台上配置有两个USB接口，可作为外接电源输出。当锂离子电池储存的电量足够时可以直接为整个跑步机供电，大大减小了能量消耗，提高了能量利用率。跑步机创新设计效果如图2所示。

4 结语

基于现有跑步机在体积、功能和节能方面的问题，依托TRIZ理论充分分析跑步机IFR，并以此为最终目标研究跑步机的问题模型，充分探究各问题入手点的改善参数和恶化参数，在39个工程参数和40个创新原理构成的矛盾矩阵中查找优先推荐的创新原理提出创新方案。结果表明，TRIZ理论可以很好的应用在产品设计过程之中，能够拓展设计思路、提高设计效率、为创新设计提供了一条切实可行的方法，对于产品设计领域具有重要的意义。

参考文献

[1]王磊.家用跑步机消费者行为调查及锻炼坚持研究[D].曲阜：曲阜师范大学，2014.

[2]朱宇哲.跑步机人机交互界面研究[D].杭州：浙江工业大学，2015.

[3]曹新星，朱世強，崔壮平.基于传感应用的智能跑步机控制系统[J].传感器与微系统，2011，30 （2）：97100.

[4]桂科，刘江南，张文博，等，基于现代TRIZ工具的多功能课桌创新设计[J].包装工程，2016，37 （14）：34 -37.

[5]杨雪荣，孟欢，姚丽娟，等.基于TRIZ理论的轨检小车机械结构创新设计[J]，包装工程，2016，37 （14）：16-20.

[6]韩卫国，苏颜丽，李辉，等.基于TRIZ冲突解决理论的抽油烟机创新设计[J]机械设计，2016，33 （11）：114-117.

[7]杨杰，别亮亮，成思源，等.基于TRIZ技术进化理论的多功能插线板创新设计[J].包装工程，2016，37 （14）：25-29。

[8]冷崇杰，项辉宇，张媛.基于TRIZ理想解的全自动洗衣机自清洁结构创新设计优化[J].机械 设计与研究，2015，31 （4）：158-160，164.

[9]胡小聪.TRIZ理论在大学校园公告栏设计中的应用[J].包装工程，2015，36 （20）：143-146.

[10]吕建秋，叶李.TRIZ理论在荔枝保鲜包装中的应用[J].包装工程，2016，37 （14）：30-33.

[11]朱秀娟，李克田.TRIZ理论和功能分析在小家电设计中的应用研究[J]，现代制造工程，2016，（8）：95100.