1、【66】 第36卷 第3期 2014-03(下)基于概念扇的创新设计方法Innovative design method based on concept fan李 剑，李文强，李 彦，万延见，陈 喜LI Jian，LI Wen-qiang，LI Yan，WAN Yan-jian，CHEN Xi（四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065）摘 要： 针对已有的常用创新方法在具体的应用过程中，存在着仅适用于部分问题、较难运用和产生方案过于繁杂等不足，本文在概念扇方法的基础上，借助功能求解的一般过程及知识库资源的检索，通过集成问题分析、方案生成及评价环节，提出了一种基于概念扇的创新设计方法，
2、并设计出相应的创新设计流程。最后，又以蹦跳健身车创新为例，设计出一种磁力转换装置的传动方案，实现了创新设计，并间接验证了新方法的有效性和可行性。关键词： 产品设计；创新方法；概念扇；蹦跳健身车中图分类号： TP391；TH122 文献标识码 ：A 文章编号： 1009-0134(2014)03(下)-0066-05Doi： 10.3969/j.issn.1009-0134.2014.03(下).18收稿日期：2013-10-18基金项目：科技部创新方法专项（2011IM020100）；教育部新世纪优秀人才计划（NCET-12-0385）作者简介：李剑（1991 -），男，江西萍乡人，硕士研究生
3、，主要从事产品创新设计研究。0 引言技术创新是企业生存和科技发展的不竭源泉和动力，技术创新活动是有规律可循的，发掘、认识和把握这些规律，掌握其技术创新的方法，可以加快人们创造发明的进程、帮助企业提高技术创新的效率1。先进的创新方法是科技进步的基础和保证，是提升国家创新能力的重要手段1，而创新理论的研究对创新设计系统的发展至关重要2，因此在产品设计过程中，研究人员不断的探索新的创新方法来解决实际问题，但在具体解决实际问题的过程中，创新方法或多或少都存在一定的不足。目前主流的一些创新方法主要有头脑风暴法、整体思考法、5W2H法及概念扇法等。其中头脑风暴法主要是靠团队成员思维之间的碰撞，相互激励产生
4、新的想法，由于其时间成本较高，其效果的好坏很大程度上依赖于会议召集者的引导，所以该法不太适合解决一般性的问题，主要针对需要探索创新性解决方案，并且需要获得与此有关的大量设想的特殊问题1,4。整体思考法是由德 彼诺（Edward de Bono)开发的一个全面思考问题的模型，它提供了 “横向思考 ”的工具，避免把时间浪费在相互争执上2,3，广泛应用于会议、决策、报告中，但在解决问题中并没有具体的实施工具；5H2W法是由美国陆军兵器修理部在第二次世界大战中首创，利用这 7个问题进行设问，探寻创新思路，实现新的发明创造4，但在产品设计中，要提出恰当的问题和选择合适提问角度是一个难点。在概念扇方法中，
5、通过四个基本环节（目标、方向、概念、方案）可以有效的引导设计人员进行思考，但在整个创新过程中，缺少问题调研、方案评价及筛选环节。针对以上创新方法所存在的不足，本文在概念扇研究的基础上，结合四川大学创新方法与创新设计实验室开发的 CAIP（计算机辅助创新平台）系统中的知识库资源检索模块，提出一种以概念扇为基本框架的产品创新设计方法。其在保持概念扇逐步引导、横向思考等优点的基础上，增加了在人为思考不足时，借助计算 机辅助工具，使设计过程清晰、简单，设计所需资源丰富。最后，应用于蹦跳健身车创新设计中，以验证 该创新设计方法的可行性。 1 创新方法研究1.1 概念扇简介概念扇是一种分析方法，是一种创造
6、性的问题分析过程，正向过程为问题的抽象化，逆向过程为问题的具体化。概念扇是为了更好的进行横向思维而开发出来的创造性思维方法之一，其主要目的在于为产生多种备选方案提供一个思维框架2,3,7。通过不断的进行上位思考和横向思考，从而激励出更多创造性想法。其实施过程主要有四步，分为目标、方向、概念、方案。第一步，从第36卷 第3期 2014-03(下) 【67】目标出发，并以此为基点倒推寻找实现目标的方向；第二步，以每一个方向为基点，倒推寻找到其它概念；第三步，以每一个概念为基点继续向后推，寻找实现相应概念的方案2,3,9。例如：刹车问题。若采用概念扇进行解决，其目标就是 “刹车 ”，根据目标寻找解决
7、问题的方向，确立方向为 “制造巨大的摩擦力 ”，通过摩擦力来刹车；如何实现制造巨大的摩擦力，通过分析，得出两个概念，一个是将滚动摩擦转变为滑动摩擦，另一个为增加附加的摩擦力；通过对概念的分析，得出五种方案来实现刹车问题的解决。其解决问题的概念扇如图1所示。图1 解决刹车问题的概念扇1.2 基于概念扇的创新策略创新问题的类型是多样的，而解决创新问题的策略也是多样的，课题组提出了四个面向的创新策略5：1）面向问题的创新策略，目标是提高现有产品或系统的性能，解决影响主要功能的问题；2）面向目的的创新策略，目标是设计一个全新的产品或系统；3）面向产品的创新策略，目标是不改变主要功能，着重于产品次要功能
8、的开发和改进；4）面向载体的创新策略，主要是改变产品的外形，创造新的产品。概念扇的实施流程是目标 方向 概念 方案，它与面向问题过程中的功能 原理 行为 结构相对应，目的在于设计出一个全新的产品或系统。基于此，课题组采用概念扇的思想和四个创新策略开发了计算机辅助创新设计平台（CAIP6）。CAIP系统从四个不同的维度解决了不同类型的不同创新问题，为了有效实现面向目的过程的实施，课题组根据不同阶段设计知识的需要，构建了知识库7，包括科学效 应库、领域知识库、专利知识库等。相对于目前主流的其他 CAI软件，如：Goldfire Innovator8、Pro/Innovater9、Innovatio
9、n Workbench10等，最主要的区别在于：其他的CAI 软件大多以TRIZ 理论为核心思想进行开发，而 CAIP软件是从产品概念设计的全过程并运用四个面向策略思想进行的开发。1.3 创新方法及实施过程概念扇的优点在于引导设计人员按照其模式进行横向思考，但在其模式中并没有涉及到如何确定目标和对所产生的方案进行筛选及评价，而这两个环节在创新设计工作中却是一个重要的环节。因此，结合概念扇和其他创新方法的优缺点，本文在概念扇法的基础上，借助以功能求解的一般过程及融合 CAIP系统中的设计思想和知识库检索资源，通过集成问题分析、方案生成及评价环节，形成了一种新的创新方法，其创新设计流程如图 2所示
10、。其主要内容是在概念扇的目的之前，加入问题 分析环节；其次，在得出方案后，加 入方案生成及评价环节。图2 基于概念扇的产品创新设计流程【68】 第36卷 第3期 2014-03(下)该方法的具体实施步骤为：步骤 1：问题分析 通过分析用户或设计人员对相关产品的评价和存在的问题，筛选出主要问题；步骤 2：问题定义 以概念扇的实施流程作为框架，概念扇中的目标即为对问题进行定义，明确所要解决的问题，再对问题总结，进行功能提取；步骤 3：功能转换 以概念扇流程中的方向作为指导，将提取出来的功能进行功能转换，以形成标准的功能类型，目的在于以便在下一步应用CAIP系统时进行功能检索；步骤 4：检索结果 以
11、概念扇流程中的概念对应检索结果，应用 CAIP系统进行功能检索，得出结果，若没有检索方案，则重新返回问题定义，对问题进行重定义，再进行下面步骤，若有，则进入下一步阶段；步骤 5：思考结果 以概念扇流程中的方案对应类比思考的结果，即对检索出的方案对应所要解决的问题进行类比思考，若与定义的问题不适合，则重新对检索结果进行类比分析，若能得出满意方案，则进入下一阶段；步骤 6：方案生成及评价 针对类比思考得出的满意方案，从可实施性、可靠性、成本等方面 对其进行评价，挑出最优方案作为最终方案。2 创新方法应用2.1 蹦蹦车的研究背景随着社会的发展，人们生活水平、生活方式都有着很大的改变，休闲健身已成为一
12、种趋势。由于弹跳运动，既能达到综合健身的目的，还有很强的健脑作用。为了使弹跳运动形式多样化，将弹跳运动与健身车相结合，从而诞生了蹦蹦车。但通过专利网查询，目前，健身车采用弹跳方式驱动小车前进的产品存在一定的不足。目前市场上和专利知识库中健身车类产品很多，但依靠蹦跳运动和具有类似蹦跳的产品仅存在三个。第一个是赵慰堂的 “可前进转向健身蹦蹦车11”，其结构示意图如图 3(a)所示。第二个是李曦光设计的 “多用途蹦蹦车12”，其结构示意图如图 3(b)所示。第三个是李瑞振的 “儿童蹦蹦车13”，为外观设计，其外观示意图如图 3(c)所示。（a）可前进转向健身蹦蹦车 （b）多用途蹦蹦车（c）儿童蹦蹦车
13、图3 已有的蹦蹦健身车设计2.2 创新设计方法在实例中的应用过程按照本文提出的创新设计方法的实施流程对蹦跳健身车进行产品研发。第一步，问题分析。目前已有的蹦跳健身车虽然有着自身的优点，但或多或少存在一些需要完善的地方。如：赵慰堂的 “可前进转向健身蹦蹦车 ”，其名称虽然是讲蹦蹦车，但其实现原理却没有涉及到蹦跳，只是利用手的推拉作用来实现小车的前进，而且在小车运动过程中，小车的起伏运动会减少蹦蹦车的使用寿命，推拉把手的过程会降低蹦蹦车的稳定性，而且缺少刹车装置，对于安全性方面也存在着很大的隐患；李曦光设计的 “多用途蹦蹦车 ”，虽然通过弹簧回复机构和齿轮啮合机构使小车前进，但往复式的运动会使小车
14、会停留在一个地方，不能通往自己的第36卷 第3期 2014-03(下) 【69】目的地，在前进和后退过程中也没有刹车装置，而且作为一种蹦跳运动，在上升和下降的过程没有扶手的牵引，而小车的行驶又是非匀速的，很容易造成蹦跳人从健身车上掉下来，因此，存在着很大的安全隐患；李瑞振的 “儿童蹦蹦车 ”，为外观设计，并没有涉及到具体的实现原理和结构，无法体现蹦蹦车和传统健身车的主要区别。第二步，问题定义。其问题主要有：1）如何将蹦跳运动产生的间歇性能量转化为稳定的传动能量的驱动问题；2）如何在健身车上加入结构简单的转向装置和刹车装置。本文针对第一个问题进行解决。针对将 “蹦跳运动产生的间歇性能量转化为稳定
15、的传动能量 ”进行功能提取，简述为需要一个带有转化功能的装置，其分析流程如图 4所示。图4 驱动问题分析流程第三步，功能转换。转换结果为 “改变能量参数 ”，对功能转换的结果借助 CAIP系统进行功能检索。在知识库主界面中输入 “改变 ”和 “能量参数 ”，对科学效应库、专利知识库、领域知识库同时进行检索。第四步，检索结果。通过 CAIP的功能检索，得出的结果有：10个科学效应库方案和 24个领域知识库方案，分别如表1所示。第五步，思考结果。通过对表 1的结果对应问题进行类比思考，经过类比思考，得出应用领域知识库中的磁钢符合解决 “间歇性能量转化为稳定的能量 ”的问题，在 CAIP软件中查看磁
16、钢的详细信息如图5所示。图5 CAIP系统中磁钢信息界面图第六步，方案生成及评价。选用磁钢原因在于磁钢不易退磁、价格低廉，可以产生永久磁场。而磁场一个典型的特点就是具有储存能量的作用，它可以吸收间歇性的能量然后转化为稳定的输出，因此最终方案为磁钢。基于以上蹦跳健身车 6个创新设计步骤，其流程如图6所示。2.3 应用实例的附加设计对驱动问题的解决使得蹦跳健身车的设计完图6 蹦跳健身车的创新设计流程表1 知识库功能检索结果序号 科学效应库 领域知识库1 电子束释放了金属表面的吸附气体 光化学转换技术2 多光子吸收效应 带阻三极管方法3 多孔结构降低炸药点火装置的压力 按钮4 温度影响还原能力 测速
17、发动机5 风压影响气体的化学势 磁钢6 温度影响物质的化学势 磁敏电阻器7 【70】 第36卷 第3期 2014-03(下)成了主要部分，加入其他详细设计，蹦跳健身车的主要功能链如图7所示。人的弹跳运动磁力连杆运动转化为驱动链轮转动驱动小车前进驱动图7 蹦蹦健身车的主要功能链根据磁场改变能量的作用，再融合蹦床的设计结构，将两个磁钢块分别放置于如图 8所示位置，且上面的磁钢块固定于上板面，下面的磁钢块在工作缸内活动。受蹦跳作用，下面的磁钢块做上下运动并带动连杆传动机构，继而带动链轮运转，最后驱动小车前进，传动结构如图9所示。使用者弹性蹦台回位弹簧磁钢回位弹簧连杆运动方向图8 能量转换结构示意图.
18、JEE|JEB图9 传动结构示意图根据整个蹦跳健身车的设计要求和条件，从可行性、好处、资源、符合四个角度，对形成的方案进行初步评价，然后再对整个方案从新颖性、经济性、技术性等方面进行二次评价，评价得出该方案是有效的和可行的，基于此，也间接验证了本文提出的产品创新设计方法的有效性和可行性。2.4 应用实例模型用 Solidworks仿真软件对蹦跳健身车整体结构进行三维建模，得出的三维模型如图10所示。图10 蹦跳健身车的三维模型3 结束语根据目前概念扇的优点和存在的不足，本文提出了一种基于概念扇的产品创新设计方法，并用蹦跳健身车为实例进行产品开发，验证了该方法的可行性和有效性。该方法既可以引导设
19、计人员进行横向思考，也可以帮助设计人员利用 CAIP系统进行资源搜索，为设计人员提供更多的相关性方案，同时避免了太多繁杂和无关紧要方案的产生，大大的提高了产品研发效率，缩短了产品研发周期，是一种有效的产品创新设计方法。参考文献：1 邵云飞,叶茂,唐小我.技术创新方法的发展历程及解决方案研究J.电子科技大学学报(社科版)2009,11(5):1-4.2 WEN Gui-hua,ZHENG Qi-lun,PAN Dan.theoretical analysis of creative methodsJ.Systems,Man,and Cybernetics.Oct 2001,5:2811-2816
20、.3 林岳 ,齐二石 ,李彦 .创新方法教程（初级）M.北京 :高等教育出版社,2012:23-29.4 刘启强 .创新方法理论发展及特征综述 J.科技大事读本.2011,1(1):40-41.5 李彦,李翔龙,赵武等.融合认知心理学的产品创新设计方法研究J.计算机集成制造系统.2005,11(9):1202-1207.6 陈林 ,李彦 +,李文强等 .计算机辅助产品创新设计系统开发J.计算机集成制造系统.2013,19(2):320-329.7 柯平 ,王疑洁 .机构知识库的发展研究 J.图书馆论坛.2006,26(6):243-247.8 Pino.Goldfire Innovator软件
21、 EB/OL.http:/ 蒋汉桥Pro/Innovator简介 EB/OL.http:/www.e- Ideation International Inc.Innovation WorkBenchEB/OL.http:/ 赵慰堂 .可前进转向健身蹦蹦车 :中国 , 0 1 2 5 4 6 1 6 .XP.2002-08-07.12 李曦光.多用途蹦蹦车:中国,93201385.6P.1994-09-14.13 李瑞振.儿童蹦蹦车:中国,CN3390874P.2004-09-08.基于概念扇的创新设计方法作者： 李剑， 李文强， 李彦， 万延见， 陈喜， LI Jian， LI Wen-qiang， LI Yan， WAN Yan-jian， CHEN Xi作者单位： 四川大学制造科学与工程学院,成都,610065刊名： 制造业自动化英文刊名： Manufacturing Automation年，卷(期)： 2014(6)本文链接：http:/
