基于TRIZ理論的兒童跳跳車創(chuàng)新設計實踐

陳莉莉 魏平

摘要：為了更好地滿足兒童運動能力、身體協(xié)調能力發(fā)展，實現兒童健康成長，將TRIZ理論運用到兒童跳跳桿玩具創(chuàng)新設計實踐中。通過對市場主流產品分析利弊，發(fā)現問題，運用TRIZ中的功能分析完成產品的功能組件分析，建立功能模型，運用的物-場分析解決主要技術矛盾；最后結合人機工程學相關人體數據進行具體工程尺寸設計，力求實現兒童跳跳車產品從問題發(fā)現、研究分析到概念生成、設計創(chuàng)新到生產制造的全過程實踐。

關鍵詞：TRIZ理論 兒童運動發(fā)展 市場研究 創(chuàng)新設計實踐 產品設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2023）17-0116-04

Abstract：In order to better meet the development of childrens sports ability and physical coordination ability and realize childrens healthy growth，TRIZ theory is applied to the innovative design practice of childrens jumping bar toys. By analyzing the advantages and disadvantages of mainstream products in the market，find out the problems，use the function analysis in TRIZ to complete the function component analysis of products，and establish the function model. Use the material field analysis to solve the main technical contradictions. Finally，combined with ergonomics related human body data，the specific engineering size design is carried out. A jumping car product with stronger jumping force，safer，silent and non disturbing was designed，which was suitable for the childrens fitness and entertainment needs，and obtained the national patent certificate.

Keywords：TRIZ theory Childrens sports development Market research Innovative design practice Product design

引言

“少年強則國強”，中國人歷來都十分重視兒童的健康成長，尤其是近年來兒童早期成長更是受到社會和家庭的重視。每個家庭都在努力給孩子提供健康而快樂的童年，父母希望孩子能擁有健康的身體，并在快樂的環(huán)境中成長。健康的身體包括身體器官的發(fā)育、運動能力的發(fā)展以及機體對外界環(huán)境的適應能力。其中，運動能力的發(fā)展可以促進器官發(fā)育的完善，提高機體免疫力，進而增強兒童對外界惡劣環(huán)境的適應能力。目前，市場上能滿足彈跳力運動發(fā)展的活動項目分為與體育運動有關的專業(yè)化能力訓練，比如球類運動（籃球、排球、羽毛球、乒乓球等）和與基礎運動能力發(fā)展相關的，游戲性質的兒童玩具類產品，本次研究主要圍繞發(fā)展兒童跳躍能力的兒童跳躍類產品展開理論研究及設計實踐活動，希望產品能夠在滿足孩子健康運動的同時給孩子帶來更多游戲娛樂的體驗。

一、兒童跳躍運動發(fā)展分析

兒童的運動發(fā)展具有可預測性，其按照一定的發(fā)展順序與實踐展開，基于格拉胡（Gallahue，1982）的兒童運動發(fā)展理論[1]，進行簡化后得出的兒童運動發(fā)展階段（圖1），從圖中可以看出3歲以后，兒童進入基本運動時期，主要發(fā)展跑、跳、扔、踢、擊打、伸展等自主協(xié)調性運動，這一時期的運動能力發(fā)展是兒童從幼兒向青少年過渡的關鍵時期，充分的運動會讓兒童在以后的生活、娛樂、競賽活動中受益一生[2]。從已有的相關研究表明，跳躍運動可以鍛煉幼兒大肌肉群的活動能力，促進對肌肉運用的控制和協(xié)調，加快胃腸蠕動和血液循環(huán)，訓練兒童的平衡感和節(jié)奏感。同時，伴隨跳躍過程，兒童會不自覺地數數，可以提高兒童將抽象的數學概念和實際的事物聯(lián)系起來，建立初步的數字概念。

兒童跳跳桿產品相比傳統(tǒng)的跳繩、跳遠、單腳跳等傳統(tǒng)跳躍項目更具趣味性、游戲性。將運動與游戲相結合可以激發(fā)兒童游戲的欲望，讓兒童運動變成一種趣味無窮的娛樂活動。

二、兒童跳躍類玩具產品市場研究

兒童跳躍玩具產品是以輔助兒童彈跳力發(fā)展，促進身體協(xié)調，保持平衡的兒童運動娛樂性質的玩具，根據市場的需求，也發(fā)展出了不同類型的跳躍類產品。本次通過網絡及實地觀察調研了市場上熱銷的四款兒童跳躍類產品，并對其作了比較分析，如表1所示。

通過表1的對比分析，發(fā)現現有產品都有各自的優(yōu)缺點，結合現代社會發(fā)展中家庭室內居住及鄰里環(huán)境的需求（靜音不擾民），兒童身體成長、健康娛樂的需求，本次設計實踐定位目標人群選擇3歲以上兒童，適合兒童娛樂的室內外場所，具備較強跳躍功能的兒童跳跳車。

三、運用TRIZ理論對兒童跳跳跳車產品進行分析研究

（一）TRIZ理論介紹

TRIZ理論是阿奇舒勒（G.S.Altshuller）在1946年創(chuàng)立的，是在其團隊研究了百萬份高水平專利之后建立的一個由解決技術，實現創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、算法組成的綜合理論體系，并綜合多學科領域的原理和法則，建立起TRIZ理論體系。該理論中常用的解決問題工具有基于沖突矛盾的物-場模型分析法，基于系統(tǒng)組成的功能分析，沖突矩陣，40個發(fā)明原理等[3]。本次研究希望結合TRIZ理論中的發(fā)明創(chuàng)造原理，對已有產品的優(yōu)缺點進行整合，力求新的設計能夠最大限度地滿足兒童娛樂健身的需求。

（二）應用功能組件分析完成兒童跳跳桿的功能技術研究

TRIZ中基于系統(tǒng)組成的功能分析可以用系統(tǒng)化的手段有效地發(fā)現現有產品在總體功能完成和各部件之間功能完成的關系，進而發(fā)現其存在的問題。根據TRIZ組件功能分析法，以表1產品a為對象，將其定義為一個技術系統(tǒng)，然后對系統(tǒng)組件及組件之間的相互關系進行分析，見表2，表3。

由表2系統(tǒng)組件列表和表3組件相互作用矩陣分析表看出彈力球與踏板、連接桿、球體固定結構、地面、環(huán)境存在相互作用，且是實現兒童跳躍功能的主要組件系統(tǒng)；踏板與連接桿、球體固定結構存在相互作用；把手與把手保護套、連接桿存在相互作用；連接桿與球體固定結構存在相互作用；地面與防滑用品、環(huán)境、看護人組成一個超系統(tǒng)，用來解決兒童跳躍過程中的安全保護以及對周圍人群的影響。

兒童跳跳球產品的主要組件及功能運轉如下：把手是兒童手部抓握部件，主要由橫桿和外部軟套組成；連桿是連接把手和底座，同時承受手部向上的拉力，保持身體平衡，輔助底座進行彈跳；底座部分是彈力提供的主要部件，主要由踏板和彈力球組成，通過腳部發(fā)力，向地面擠壓底部彈力球，觸發(fā)向上的彈力，帶動兒童身體整體向上，再由重力作用落回地面，如此反復即可實現跳躍效果。建立功能模型，如圖2：

由圖2可以看出，地面對彈力球是有害系統(tǒng)組件，彈力球通過踏板反作用力不足導致跳跳球的跳躍高度受限；彈力球固定的捆綁式結構功能不足，導致球體容易脫離踏板。綜合考慮表1中的其他跳躍類產品功能及結構，建立整合性產品概念功能系統(tǒng)圖，如圖3。

由圖3可知，控制系統(tǒng)是實現產品跳躍功能的主要結構，包括高度調節(jié)和彈力結構。目前市場上的高度調節(jié)分為彈性拉伸和機械調整，彈力拉伸通過彈性材料的伸縮實現產品連桿的高度變化，優(yōu)點是調節(jié)自由，缺點是不易控制；機械調整通過機械擋位實現分檔調整，優(yōu)點是控制方便，缺點是自由度受限。彈力結構分為高彈氣球和彈簧，高彈氣球通過球體內氣體受壓產生的反作用力實現跳躍，優(yōu)點是著地靜音，缺點是跳躍高度不足；彈簧主要是通過金屬彈性受壓產生反作用力實現跳躍，優(yōu)點是彈力足，缺點是不能直接著地（環(huán)形截面著地不符合產品結構力學及安全性設計要求）。

（三）應用物-場模型分析解決兒童跳跳車主要矛盾沖突

在TRIZ理論中，物-場模型是從物質和場的角度來分析和構造最小技術系統(tǒng)的理論和方法，主要用于分析問題本質，力求從根源上解決矛盾?；趯和嚨墓δ芙M件分析，產品面臨的主要問題是充氣結構彈力不足，彈簧結構著地噪聲大，不易控制。根據物-場模型包括3個基本要素：S1（物質—被動元件），S2（物質—主動元件），F（場—使能元件）[4]，把人、腳踩充氣彈跳結構看成物質，分別用S1、S2表示，人手對跳跳車使用機械場用F表示，虛線代表人對跳跳車施加腳踩機械力之后產生的彈跳機械力不足以達到理想的彈跳高度，示意圖4如下：

根據TRIZ理論兒童跳跳車模型屬于效果不足的物—場模型，需要通過增加新的物質來產生附加力場以達到增強效果的目的[5]。綜合前面的產品分析，能夠產生力的跳跳車結構有充氣球體結構（S2）和彈簧結構（用S3來表示）來表示，建立新的可以達到完整效果的物—場模型如圖5所示：

通過充氣和彈簧兩種彈力結構的疊加實現兒童跳跳車物場模型的完整性，解決了產品的主要矛盾點（充氣結構彈力不足，彈簧結構著地聲音大），實現了產品功能的優(yōu)化升級，接下來就是從產品整體結構優(yōu)化角度運用產品結構設計的方法解決兩種結構疊加的具體設計。

四、兒童跳跳車的整體設計實施

（一）產品設計思路

本次兒童跳跳車的設計思路主要包括以下3個方面：

1.產品設計的主要對象是兒童，對兒童產品設計來說，首先要保證兒童在使用產品過程中的人身安全，這就要求兒童產品必須以兒童的生理和心理特性出發(fā)，提前預測到產品可能存在的安全隱患，做好安全測試。兒童跳跳車的安全隱患主要是預防兒童在跳躍過程中的摔倒，可以從產品的抓握功能（采用易于兒童抓握的把手造型和材質），產品高度的可調節(jié)，腳踩部分的防滑設計，著地的摩擦力幾個方面進行優(yōu)化設計。另外，從色彩的安全來說，要以鮮艷的紅黃藍等高純度高亮度的色彩為主，一方面孩子符合兒童對色彩的喜好，另一方面可以方便家長在人多的時候易于辨認孩子的位置。

2.兒童產品設計的主要目標主要是為了滿足兒童健康成長，設計具有高可用性和高體驗價值的功能性產品。兒童跳跳車是帶有一定冒險刺激性質的游戲娛樂產品，滿足兒童的好奇及探索欲望。兒童跳跳車產品的高可用性主要體現在產品彈跳力大小和可持續(xù)性上，這就需要對現有的兒童跳跳車跳躍功能進行加強設計；其次，從視覺造型上，要美觀、新穎，具有吸引力，滿足兒童的探索欲望。最后，考慮到兒童跳跳車主要以戶外活動為主，而且主要是以家長攜帶為主，因此提高產品的可攜帶性，方便存放等，以滿足家長對兒童跳跳車的需求。

3.對優(yōu)秀的產品設計而言，正確處理人機環(huán)境，即“人—產品—環(huán)境”三者之間的關系是衡量一切的關鍵。在兒童跳跳車產品中“人—產品”之間關系是對兒童而言，產品的安全性、高可用性（易學性、高效性、記憶性、容錯性、滿意性）和產品帶給兒童良好的娛樂體驗性；“產品—環(huán)境”之間關系是收納方便（現代室內家庭空間不足）、著地靜音（不對鄰居產生噪音影響）以及輕巧便攜（外出攜帶方便）；“人—環(huán)境”中的“環(huán)境”是指兒童在練習跳躍玩耍時的主要場地，看護人員。場地分為家庭室內（大多以地板、瓷磚地面為主以及家具產品）和室外（大多是石材地面的廣場、公園，以及部分橡膠跑道）?？醋o人員一般來講是父母或者其他家庭成員，3歲以上兒童在室內玩耍時相對安全，外出玩耍都會有看護人員陪伴，以免突發(fā)意外。

（二）產品設計實施

通過前期對兒童彈跳類產品的市場調研和產品設計思路分析，盡管市場上這類產品多種多樣，但研究對比分析之后都存在各種各樣的問題，因此，本次設計瞄準問題，結合TRIZ理論中的功能組件分析和物-場模型分析結果，采用產品功能整合的方法，在兒童跳跳車支撐系統(tǒng)中選擇可調整連桿結構有利于兒童成長身高變化的需求，同時滿足安全防護需求；控制系統(tǒng)中以物-場模型為出發(fā)點，得出彈簧系統(tǒng)和充氣系統(tǒng)的各自優(yōu)缺點（彈簧系統(tǒng)彈力足，但噪音污染大；充氣系統(tǒng)著地靜音，但彈力不足），因此，將此兩種結構合而為一，優(yōu)勢互補；結合兒童產品設計特點，最終產品外觀效果（圖6）、主要功能組件、內部結構（圖7）所示。通過兩層彈跳結構設計，主要為一個充氣筒和氣球組成的第一組彈跳機構，以及由圓墊底端的四個彈簧和外部的折疊彈性材料組成的第二彈跳機構，實現很好的娛樂訓練效果。

本次設計實踐創(chuàng)新點分析：兩層彈跳結構設計中第一層的彈力球及氣筒結構設計，主要實現兒童跳跳車產品著地靜音，不會對環(huán)境中其他人群產品噪音污染，氣筒設計則可以及時解決彈力球氣壓不足導致彈力降低的問題；第二層彈跳結構中的一組四個彈簧可以實現更高高度的跳躍效果，且彈簧組可以實現腳踏板的平衡問題，外部折疊彈性材料可以配合彈簧實現伸縮，且保護兒童不受彈簧金屬的碰撞，以免造成傷害。腳踏板上的4個圓形的防滑墊設計可以增加兒童鞋底的摩擦力，不容易掉落摔倒；氣筒固定銷可以實現連桿的高度調節(jié)，隨著兒童的身高變化調整兒童跳跳車的高度，使產品的適應年齡段更加廣泛。

（三）結合人機學確定兒童跳跳車設計尺寸

人機工程學把產品尺寸分為Ⅰ型（雙限值設計），Ⅱ型（單限值設計）和Ⅲ型平均值[6]。查閱《中國未成年人體尺寸—GB-T 26158-2010》，分別得到4～6歲、7～10歲、11～12歲兒童p50百分位的人機尺寸如表4所示。結合具體結構的使用功能要求，該產品定位在滿足3歲以上兒童的健身娛樂需求，考慮到在此區(qū)間兒童身高變化比較大因素，將車體高度設計為三擋可調節(jié)裝置，把手和底座以p50百分位中的最大值設計。

1.車把手直徑即手長除以圓周率（122/π～162/π），范圍約在39mm～52mm之間。屬于平均值型產品尺寸，考慮到部抓握存在手指抓握重疊情況，車把手取值42mm?？紤]到跳跳車使用最適合年齡為6歲左右，車把手寬度以肩最大寬值為參考，介于4～6歲和7～10歲參考值之間，取326mm。

2.車體身高度（腳踩位置到把手的高度），位于肚臍以上胸部以下位置，可采用肩高減去上臂長得出數值，數值分別為（851-199）652mm，（1038-240）798mm，（1187-274）913mm之間，考慮到兒童成長期身高變化比較大，設計成三檔高度可調節(jié)結構，分別為652m，798，913mm三檔高度。

3.底座部分長寬主要參考腳部尺寸最大值，長度以11～12歲女童腳長162mm為參考，根據產品設計人體尺寸數據的應用方法及要求：產品最小功能尺寸=相應百分位數人體尺寸+功能修正量。由于兒童跳跳車要滿足4～12歲兒童需求，建議以滿足最大兒童尺寸設計為基準進行設計。成人的穿鞋修正量男+25mm，女+20mm，考慮到12歲的兒童腳部發(fā)展基本上快接近成人，適當增加修正值，取180mm。寬度以車把手寬度為參考，取300mm。底座部分高度考慮到彈簧的彈力和底部球體尺寸而定。

（四）兒童跳跳車的造型、色彩與材料分析

產品的整體造型及材料工藝上，全部采用圓滑柔軟的設計理念，在孩子能接觸到的地方都是圓潤的，不會對兒童身體造成傷害。產品材料的選擇上，考慮兒童的感知特性，從兒童跳跳桿產品的功能和主要結構出發(fā)，手握部分主要有輕質合金桿（強度高）和外部泡棉（手握柔軟舒適、防滑吸汗）。連接部分是可以分段固定高度的輕質合金管材，外加墊圈及固定結構與手握橫桿和底座進行連接固定。底座部分主要是可以充氣的彈力球體和外部黃色可折疊結構采用橡膠材料，彈簧組處于可折疊橡膠套內部，需采用彈性好，耐疲勞的合金材料[7]。考慮處于成長期的兒童比較偏愛鮮亮的顏色和玩具產品耐臟，易清理兩方面，將車體主色設計成黃色，輔以黑色（橡膠、海綿）、銀色（合金固有色）。在視覺上能夠吸引兒童、比較醒目，易于家長鎖定目標、觀察兒童狀態(tài)，以便及時預測及避免可能發(fā)生的意外情況。

結語

兒童跳跳車設計實踐是以兒童的健康發(fā)展為目標，以兒童身心健康成長規(guī)律為出發(fā)點，通過調查研究市場的現有跳躍類產品，發(fā)現問題，并對問題進行對比分析，進而得出產品設計定位。根據設計定位，選擇適合產品創(chuàng)新設計開發(fā)的TRIZ理論對現有兒童跳跳車類產品進行研究分析，具體做法是運用TRIZ理論中功能組件分析法獲得兒童跳跳車產品功能組件之間的結構關聯(lián)、功能實現與功能組件之間的關系，得出產品功能改良和產品組件之間的矛盾點，再通過物—場模型分析主要矛盾的深層次原因，從根源上發(fā)現兒童跳跳車存在的主要矛盾。最后以主要矛盾為出發(fā)點進行具體的功能設定，結構設計，結合人機工程學給產品賦予相應的設計尺寸，結合現有的市場材料研究賦予兒童跳跳車產品造型、色彩、材料等設計元素，力求實現兒童跳跳車產品從市場研究、問題發(fā)現、問題研究到概念生成、設計創(chuàng)新到生產制造的全過程實踐展示。

基金項目：安徽高校自然科學研究重點項目（KJ2020A1099）。

參考文獻

[1]劉焱. 兒童游戲通論[M]. 北京：北京師范大學出版社，2011.

[2]陶燾，杜更，邢正，魯敏.動態(tài)整合視野下英國青少年運動能力發(fā)展模式優(yōu)化研究——基于LTAD和YPD兩種模式比較[J]. 曲阜師范大學學報（自然科學版），2019，45（04）：96-102.

[3]孫永維，謝爾蓋·伊克萬科. TRIZ打開創(chuàng)新之門的金鑰匙[M]. 北京：科學出版社，2015

[4]王成軍，張玉平，沈豫浙.基于TRIZ理論的拋掛裝置優(yōu)化設計[J].機電工程，2020，37（09）：1115-1120.

[5]王歡，孫濤，吳周鑫，廖禺.TRIZ理論在糧食收集機設計中的應用[J].機械設計與制造，2021（01）：6-9+15.

[6]阮寶湘. 工業(yè)設計人機工程[M]. 北京. 機械工業(yè)出版社，2011.

[7]左恒峰，嚴揚.論CMF的主觀體驗：材質[J].裝飾，2017（08）：118-121.

[8]李奮強，林浩屹.基于TRIZ和專利規(guī)避的老人購物車設計[J].設計，2023，36（13）：57-61.

[9]葛慶，汪崟.基于TRIZ理論的變速安全蹺蹺板創(chuàng)新設計[J].設計，2022，35（7）：134-137.

[10]宋豐伊，劉鍵*，李慧穎.基于TRIZ和QFD協(xié)同優(yōu)化的兒童平衡車服務藍圖方法研究[J].設計，2022，35（20）：88-93.