创新与理论论文

　河南机电高等专科学校

　创新思维与方法- -Z TRIZ 理论

　工程课题信息表

　 课 题 名 称 ：交互玩具部件创新设计 姓名

　：

　 温永建

　学号：

　100312101

　系部 ：

　 电气工程系

　专业：电机与电器

　班级：

　101

　填 表 日 期 ：

　 2012.5

　 指 导 教 师 ：

　 戚新波

　免责声明

　本课题作为创新方法培训实践环节考核使用，研究成果申报人可以申请专利或发表学术论文。为了保证课题的正常开展，课题申报者需作以下保证：

　1．本课题内容不危害国家安全，符合国家法律，不存在任何违法内容。

　2．本课题不涉及国家机密。

　3. 本课题不涉及任何个人和企业团体的技术秘密。

　4．在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当使用本课题的内容用于学术活动。

　5. 以上内容如有违反，由申报人本人负责。

　 申报人签字：

　2012 年 5 月 10

　日

　 1. 基本信息

　工程课题名称 交互玩具部件创新设计 所属领域 机械领域 开题时间 2012.4 课题摘要（500 字）

　互动玩具，是指通过与儿童的互动交流或者通过玩具可以让儿童与周围的人进行互动交流，并且能够实现一定功能的一类玩具。目前市场上陆上互动玩具较多，而水上的互动玩具较少，由调研发现水上互动玩具具有较好的市场前景。受某玩具公司的委托，为其开发设计一款新型互动玩具——水上篮球竞赛快艇。

　针对该问题，文章拟通过对水上篮球竞赛快艇运动机构等问题的研究，结合 TRIZ 理论对其结构进行优化设计，研究开发出一种结构简单新颖、可靠性高、互动性好的水上篮球竞赛快艇玩具。

　随着社会进步与发展，各种新兴的娱乐手段不断涌现，但是，玩具仍然占有重要的地位。现代玩具不仅仅局限于儿童，青少年、中年甚至于老年人也喜爱玩具，人们对玩具娱乐的要求也越来越高。在电动玩具领域，传统的演示性玩具已经不能很好地满足人们的要求，具有互动性的遥控玩具越来越受到人们的欢迎。

　2. 问题 描述与分析（含图解说明）：

　（1）

　问题背景「可加附页」 1 1 方案设计 1.1 技术要求 1)具有遥控拾球功能； 2)具有遥控发射功能； 3)机动性好，能够原地转弯，由静止起原地转弯 360°所用时间≤4S； 4)最高速度：0.8～1.0m/s； 5)船体尺寸：120mm×80mm×60mm(长×宽×高)； 6)单船造价≤5 美元； 7)续航能力：1h。

　1.2 初步方案 根据设计要求，所设计的水上篮球竞赛快艇玩具如图 1 和图 2 所示。从图 1 可以看出，遥控船上设有拾球机构 6、运球机构 1 和掷球机构 3。当游戏者按下遥控器上的拾球键时，拾球机构前端的拾球臂可将小球从水中捞起，送入运球机构，小球沿运球机构的轨道滚入掷球机构中。当游戏者再按下遥控器上的掷球键时，掷球机构中的发射臂将小球发射出去。

　 图 1 遥控船总装配图

　图 2 拾球与掷球机构 从图 2 可以看出玩具船内部的具体机构。拾球机构主要由拾球减速电机 7 和拾球臂 8 组成，拾球臂前端设有拾球部。拾球臂在减速电机驱动下可上下挥动。

　掷球机构主要由掷球减速电机 6、投掷臂 1、凸轮 4、微动开关 5、投掷支架 2、扭簧 3 组成。图 2中所示初始状态中，扭簧被压缩储有势能。当游戏者按下遥控器上的“掷球键”时，减速电机带动凸轮转动释放掷球臂，在扭簧的作用下，掷球臂快速地逆时针旋转 45°将小球投掷出去，之后凸轮继续转动将扭簧再次压缩直到微动开关被触发，控制系统收到指令同时发出制动信号使凸轮停转。

　（2）

　问题分析「可加附页」

　 ①?． 问题 设计的水上篮球竞赛快艇经初步实验研究和专家评价，认为该设计方案虽然基本实现了技术要求所规定的功能，但是还存在着如下问题：

　1)尺寸过大。由于船体机构初步设计较为复杂，以致船体须做到一定的尺寸才能满足机构需要。功能模型的船身长度为 200mm，尺寸未能达到技术要求。

　2)成本偏高。由于船身尺寸较大，且机构较为复杂，造成玩具制造成本偏高。经预算，单船造价约为 7.1 美元，未能达到技术要求。

　3)机动性差。由于船体尺寸较大，受惯性和水的阻力双重作用影响，船速较慢(≤0.7m/s)，控制有滞后现象，可操控性不理想。

　由上述分析可见，简化水上篮球竞赛快艇机构是项目设计成功的关键。即通过简化机构才能构减小船体尺寸、降低玩具制造成本、提高船体的机动性。

　②．现有解决方案 首先列出玩具船所包含的系统：玩具船是一个系统，该系统包含的各子系统如图 3 所示。系统关键功能为拾球及掷球，故拾球机构和掷球机构为玩具船中的关键子系统。这 2 个系统分别包含一个减速电机，减速电机的功能是为系统提供所需的动力和速度。

　 图 3 水上篮球竞赛快艇系统框图 为便于使用冲突矩阵解决玩具船简化设计问题，首先要将前述工程问题用 TRIZ 理论中的 39 个标准工程参数来描述，即工程问题标准化。要降低玩具船系统机构的复杂性，主要是降低拾球系统及掷球系统机构的复杂性，或者说减少其部件的数量。从减少物质的数量出发，选择 26 号工程参数，即“部件及子系统数量”为待改善的参数。按原设计方案，当部件的数量减少时，将无法同时实现拾球和掷球功能。所以又从多用性角度出发，选择 35 号工程参数“适应性及多用性”为恶化的参数。

　 ③．现有解决方案的缺点 1)发明原理 15——动态化 动态化主要涉及到 3 个方面：

　①使物体或其环境自动调节，以使其在每个动作阶段的性能都达到最佳状态； ②把物体分成几个部分，各部分之间可相对改变位置； ③将不动的物体改变为可动的，或具有自适应性。

　2)发明原理 3——局部质量 改进局部质量主要涉及到 3 个方面：

　①将物体或外部环境的同类结构转换成异类结构； ②使物体的不同部分实现不同的功能； ③使物体的每一部分都处于最有利于运行的条件。

　3)发明原理 29——气动与液压结构 气动与液压结构是使用气体或液体代替物体的固体零部件，这些零部件可使用气体、水的膨胀功能或空气、液体静压缓冲功能。

　（3）

　发明问题确定「可加附页」

　改善的参数：部件及子系统数量 恶化的参数：适应性及多用性

　 3. 拟采取的解决方案：

　方案：

　运用发明原理进行优化设计 从图 3 可以看出，在原设计中，拾球机构及掷球机构分别包含一个相同的子系统：减速电机。减速电机主要由直流电动机及齿轮组所组成。为降低“部件及子系统数量”，设定简化设计的目标是：将玩具中的减速电机从 2 个减少为 1 个，即使拾球机构和掷球机构共用一个减速电机。

　但是，拾球机构和掷球机构对运动输入的要求不同，前者为间歇的单方向定轴转动，而后者为正反转。要使用 1 只减速电机产生 2 种不同的运动规律，形成了一对矛盾。

　针对上述矛盾，根据发明原理 3“局部质量”原理中的②、③点，考虑可将原掷球机构的凸轮分解为 2 个不同的传动机构，以满足拾球机构和掷球机构不同的运动要求。考虑到空间规划的合理性，可使用双出轴减速电机，将 2 套运动机构分别连接到减速电机的两侧轴上，其连接方式如图 4 所示。

　 图 4 双出轴方案 掷球传动机构仍采用原设计中的凸轮传动，拾球机构传动方案将重新设计。

　如果采用传统的导杆机构或曲柄摇杆机构等往复运动机构作为拾球机构，由于往复速度缓慢，并不能很好地满足游戏对拾球动作的要求。

　运用发明原理 15“动态化”中的第③种类型的原理，为实现拾球机构的正反转要求，需提高机构的自适应性，为此，只需要给拾球臂提供单向旋转的输入力矩，反转的力矩可由蓄能弹簧提供，在拾球机构的后方，新增一个凸轮 2，该凸轮由减速电机的输出凸轮 5 所驱动，同时在轴部增加一个复位扭簧。该机构如图 5 所示。

　图 5 拾球机构方案 初始状态下拾球臂 4 在扭簧 3 的作用下处于图示中的低位。驱动凸轮 5 在减速电机 1 的驱动下顺时针旋转时，从动凸轮 2 逆时针旋转，带动拾球臂抬起；当凸轮 5 转到一定角度时，凸轮 2 和凸轮 5将会离合，最后，拾球臂在复位扭簧 2 的作用下顺时针旋转回到复位状态。

　这样，通过提高拾球机构的自适应性，实现了拾球机构的往复运动，并很好的满足了游戏对拾球动作的要求。从原理上解决了“用 1 个减速电机同时实现拾球和掷球功能”的设计目标，最终方案如图 6 所示。

　由图 6 可以看出：拾球机构和掷球机构由同 1 个减速电机驱动。减速电机 2 侧主轴分别连接 1 个凸轮，2 只凸轮上各设有 1 个触发臂。当减速电机主轴旋转时，触发臂会往特定位置触发安装于船底部的微动开关，控制电路收到该触发信号后发出指令，使减速电机分别存预备拾球与预备发射的位置停转。游戏进行时，控制系统收到游戏者发出的遥控指令，即可执行拾球和发射动作。这样在减速电机输出轴每 1 个 360°旋转周期内，机构均可根据指令进行 1 次拾球和 1 次掷球，简化机构较好的解决了技术冲突矛盾。

　图 6 优化后的玩具船核心机构设计方案 最后，按照优化设计后的方案，制造了一艘水上篮球竞赛快艇，如图 7 所示。

　 图 7 水上篮球竞赛快艇外形图 通过实验研究其各项技术指标都达到了原技术要求。优化前后的玩具船技术参数对比见表 1。

　表 1 优化前后的玩具船机构对比

　结语 文中针对水上篮球竞赛快艇机构设计复杂繁琐问题，运用 TRIZ 理论，通过改善参数和恶化参数的分析研究，利用阿奇舒勒矩阵找出了适用的发明原理，设计出一种结构简单、造价低、互动性和机动性好的水上篮球竞赛快艇玩具。

　从课题的研究可以看出：TRIZ 的哲学思想是产品向着理想方向进化，不断地解决冲突是产品进化的功力。成功的设计取决于设计者的素质、能力、领域知识水平以及 TRIZ 方法的灵活运用。

　课题的研究，不但证明了 TRIZ 理论在玩具设计中应用的可行性．而且也证明了本项目设计的成功性，同时，也为玩具机构创新设计提供了一种借鉴方法。

　5. 指导教师意见：

　 导教师签字：

　年

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　6. 综评成绩：