基于TRIZ和FBS的闭环设计方法（上）
3 搓澡机创新设计过程
3.1 确定问题
手部有残疾的人群、老人和胖人对搓澡机有很强烈的新需求：
(1)不需要手动即可控制搓澡/按摩方向。
(2)按摩时移动速度慢、挤压力大。
为了衡量发明的水平和影响，Altshuller根据解决问题所需要的反复尝试(TRIAL AND ERROR)次数把问题分为5个层次，对应着问题的解，其中发明或专利等级最高（5级发明）。1级发明最低，只是对产品的一般改进。利用此评估方法，在中国专利局官方网站搜索关键词“搓澡机”，得到发明专利15个，统计各年份专利申请的数量，并对该年专利逐个分析、评估后，得到表1。
表1 各年专利申请数量及分析评估
此外，Altshuller还提出采用性能、专利数量、专利级别和利润率4个尺度变量来评估系统所处S曲线的位置。每个尺度变量都有自己的以时间为横坐标的特征曲线（2.1节图4所示）。对应搓澡机的专利数量和专利等级，得知针对搓澡机的研究处于婴儿期。
3.2 分析现有设计优缺点
现在15个专利中：手持式搓澡机专利1款，其产品现已面世，但销量不大；挂壁式搓澡机14款，未见产品。比较现有专利的优缺点，如表2所示。
3.3 根据TRIZ进化理论和专利，预测并总结进化方向
(1)趋于经济性。在商业模式日趋发达的今天，经济性占据了首位，而所有的专利中，也只有最小型的“手持式的搓澡机”投入市场。其最大的原因便是该设计成本低，经济性好。
(2)趋于挂壁方式固定。面世产品为手持式，但手持式有其不可避免的缺陷：转矩不平衡和需要手臂提供挤压力。这两点使得手持式搓澡机不能满足残疾人、老人、小孩和妇女的需求。费力、不舒服、面向人群少是阻碍手持搓澡机销量的瓶颈。挂壁式搓澡机可以有效地规避这3点：挤压力由人体重力提供；无任何费力操作；可面对所有人群（包括残疾人、老人、皮肤病患者）。
(3)趋于非手动控制。由于残疾人、老人和其他搓澡不方便的人群存在，非手动控制一定是未来的进化方向。包括踏板控制、压力控制和声音控制等等。
(4)趋于按摩搓洗一体化。随着经济的发展，人们对生活水平的要求越来越高，传统的纯搓洗用的机器已经不能适应当代用户的需求；而快节奏高压力的生活也使得按摩功能不可或缺。
(5)趋于坐立两式。评价按摩功能的主要参数只有舒适度，而舒适度就要求搓澡机可提供坐式按摩和立式搓澡两种模式。
3.4 基于进化方向，抽象目标功能和寻求最优解的过程
(1)目标：对身体进行搓洗并按摩。
人们对搓洗和按摩的要求有3个：力度、速度和位置。搓洗的本质是产生摩擦，按摩的本质是低速的点受力。搓洗功能容易实现，但是为了追求舒适度，如壁挂自蹭式搓澡机一类的用户运动型搓澡机首先被淘汰；其次，传统的搓澡巾或者皮带传动型搓澡机使用面摩擦，难以达到点受力的按摩效果，专利中搓棍式洗澡机能够达到线受力的按摩效果，但是搓洗面积小，舒适度低，所以被淘汰；手持式搓澡机、墙体分隔式搓澡机和调速滑轮滑槽式搓澡机都采用了搓澡头的设计，实现了点受力按摩，但是这些设计搓洗效率低、受力不平衡、升降需要手动控制，不能面对所有人群，需要对这些进行改进。
(2)目标：搓洗效率高、受力平衡
在选用搓澡头设计的基础上，要想提高搓洗效率，必须多个搓澡头并用，以扩大面积。另一方面，设计必须采用偶数个搓澡头对称布置才可避免扭力不平衡的问题。从基于FBS的概念设计和人机工程学原理出发，以搓洗背部为例，设计必须涵盖如图7中的6个位置，综合按摩经络的设计目标，选用了菱形分布的4个搓澡头。
图7 回旋传动机构
(3)目标：非手动控制箱体升降
此目标抽象为人们对搓澡和按摩位置的要求，如图7中的菱形方案保证了固定区域的搓洗按摩，但本设计如果不能升降，不要说搓洗全身，就连背部都不能覆盖，故升降功能是“必要解”。此外，结合进化方向的“趋于非手动控制”进化方向，对比踏板控制、压力控制和声音控制的实现难易程度和经济性，该设计选用踏板控制箱体升降。
(4)目标：防水、安全、稳定性。
浴室里的机电产品考虑最多的就是“防水和安全”问题，对比专利和已有文献不难发现，安全问题可以通过弱点驱动/控制、严格防水来解决，但是在电路控制、电源转换环节很难做到严格防水，否则经济性会非常差。现有设计里，升降装置主要通过丝杆和绳轮实现，其驱动的稳定性非常差，除了有非常大的震颤和噪声外，还必须依靠电机驱动，而一旦使用电机，就会使得在潮湿环境下工作的搓澡机工作稳定性下降很多，如果短路，该方案也是失败的设计。
表2 现有专利结构特点及优缺点对比
3.5 确定最优解
以寻求搓澡机行程控制的最优解为例，由“进化模式”和“进化潜能图”发散得到的行程控制方案有：背部压力控制、遥控板控制和脚动踏板控制。利用TRIZ矛盾矩阵，对不同控制方式进行分析。
总的来说，3种控制方式的可控性均存在缺点。遥控板控制依靠红外传感器，在浴室环境下，灵敏度不高；脚动踏板控制利用踏板实现“升、降、停”3功能的时候，脚踝反向受力不符合人机工程学原理；背部压力控制对用户操作的要求更高，且按摩效果会大大减弱。利用TRIZ矛盾矩阵（如表3所示）对“32可操作性”做出改善。由于搓澡机系统中只有摩擦力做负功，综合考虑液压传动的特点；允许恶化的参数有：25时间损失、23物质损失和10力。
表3 TRIZ矛盾矩阵
查矩阵得到可利用的发明原理：2分离、4对称变化、10预操作、13反向、24中介物、28机械系统的替代、32光学性能变化、34抛弃与修复、35属性转变。利用其中的第28条“机械系统的替代”——用视觉、听觉、嗅觉系统代替部分机械系统，可以得到提升可控性的解决方案，即声控升降系统。
综合设计者经验考虑，声控升降系统无外在机械结构、体积小，即控制性和安全性好，可以满足除语言障碍外所有人群的需求，在搓澡机的控制方案中为最优解。
应用TRIZ矛盾矩阵分析丝杠传动和绳轮传动方案，前者的噪声、振动较大而且易生锈，后者绳轮部分的防潮和防腐性很低，两者电机驱动极易发生漏电、触电安全隐患，故对其“31产生的有害因素”改进。同理，得到“29应用气动或液压结构”。
综合设计者经验考虑，电机丝杆传动方式的优点是经济，但不安全、不稳定，防水要求极其苛刻，负载小、有噪声、有振动；液压动力的缺点是经济性不够和油管老化带来的维修不便，但是绝对安全、绝对稳定、使用寿命长、完全不需要防水处理、负载大、无噪声、无振动，而且“维修不便”的缺点可以通过内设油路的方法得到根本性解决。故液压动力传动为搓澡机传动方案的最优解。
此外，胸腹3大经络分布范围最广、最易实现按摩功能，所以菱形分布的搓澡头为最优解；为了提供足够的挤压力，壁挂式设计为最优解。对于利用TRIZ矛盾矩阵对其的改善过程在此不在赘述。
由上分析，搓澡机的最优解为：液压传动式菱形搓澡机。这样的优点是：安全、稳定、不必做防水处理、无噪声、无振动、负载大、可远端控制、可踏板控制、行程调节简便。缺点是：经济性一般。液压传动菱形搓澡机主体部分模型如图8所示。
图8 液压传动式菱形搓澡机主体部分模型
用联合FBS和TRIZ的设计方法设计的液压传动式挂壁菱形搓澡机，对比现有其他专利，评估如表4所示。
表4 评估
5 结论
所提出的“结合TRIZ和FBS的创新设计方法”综合了TRIZ和FBS理论的优势，即FBS可以辅助和完善TRIZ进化理论，TRIZ可以辅助FBS较快地找到最优解。
此创新设计方法根据TRIZ和FBS得出的产品要求，不仅满足用户的需求，而且符合进化的趋势，前景很好。
基于用户需求和TRIZ理论得到的进化方向，再结合FBS的概念设计，可以进一步完善和预测进化方向。而且基于以上产品要求的FBS寻求最优解过程在TRIZ矛盾矩阵的辅助下，对“行为-结构”的改进和取舍提供了很好的支持。
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本文标题：基于TRIZ和FBS的闭环设计方法（下）
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