整合TRIZ與設計結構矩陣與詮釋結構模式在協同產品開發之研究 吳建南 亞洲大學創意商品設計學系 林耀三 中華醫事科技大學資訊管理系 王譔博 成功大學工業設計所 徐宏文 亞洲大學創意商品設計學系 摘要 在全球化競爭的企業環境中，協同產品開發已經成為企業用以降低風險與提升競爭力的重要策略。在產品創新開發過程中，概念設計發展與整個設計專案之規劃能明確，將是影響產品開發進度關鍵。研究上運用TRIZ創新法則，找出合適之創新設計解決方法。再藉由整合設計結構矩陣(Design Structure Matrix, DSM)與詮釋結構模式(Interpretive Structural Model, ISM)；先建構設計結構矩陣經由矩陣分割與重新排序，表現各零組件之獨立性、相依性與交互作用關聯屬性。再由詮釋結構模式運算轉換成元素分佈圖與繪製層級關係流程圖，以圖形理論模式獲得較佳模組分群。使成為一套有系統之新產品設計開發模式，進而以利後續之協同產品設計開發。並以電動跑步機為例說明，以縮短產品開發時程，使企業保持競爭優勢與創新產品開發之目的。 關鍵字：TRIZ、設計結構矩陣、詮釋結構模式、創新設計、協同產品開發 Abstract In the globally competitive business environment, collaborative product development has become an important strategy for enterprises to reduce risks and enhance their competitiveness. This study uses TRIZ innovation method to find appropriate solutions for work. In this study, it constructs a design structure matrix to show every work mission and to show the relationship between every product component. This matrix can help to rearrange and simplify the fabricate work. After constructing the design structure matrix, this study uses modular design to create the variety of products. The design structure matrix can help an enterprise to maintain their competitive strength and to complete the innovation product development through shorten the time that spent for new product development system. This study uses bicycle component and motor treadmill as examples to discuss study issues. Keywords: TRIZ, Design structure matrix, Interpretive structural model, Collaborative product Design
壹、緒論 一、研究動機與背景 由於全球資訊網路快速發展及消費者消費型態之改變，由過去生產方式以產品為主的“產品導向”存貨生產（Make to Stock），轉變為以消費者為主的“消費者導向”訂單生產（Make to Order）；在此演變過程中，客製化（Customization）時代隨之而來。Tseng & Jiao（1996）在客製化環境下為滿足客戶需求，產品之變異頻繁，而造成產品的生命週期（Life Cycle）一再的縮短，致使企業正積極的尋求縮短產品開發與製造時間。Hunt（1998）提出產品開發過程，可分為四個階段：(1)設計階段、(2)發展與雛型階段、(3)詴產階段與(4)量產階段。在一般傳統產品開發程序，大多以序列式工程（Sequential Engineering）方式；由市場分析與客戶資料蒐集，以進行概念設計，經由設計變更以設計出產品原型（Product Prototype），再規劃製造與生產。而一般企業，在初步設計策略擬定、確認設計問題與評估技術的可行性部分，作業較為粗略與不明確，而易導致整個設計開發案無法如期達成。 所以本研究之研究動機，在整合TRIZ創新法則與模組化設計，藉由TRIZ創新法則，以協助設計師找出合適解決方法於產品開發之概念設計；進一步研究，如何建構模組化之設計結構矩陣，以簡化組裝工作並表現各零組件的關聯性，使整個設計任務的規劃能明確。 二、研究目的 隨著產品生命週期快速縮短與現今消費型態朝向多樣化與個性化趨勢下，企業與設計師必頇反映此種變化及提出有效策略，以面對複雜消費型態及越來越激烈之競爭市場。本研究目的有以下幾點： (1)運用TRIZ創新法則協助設計師於產品開發之概念設計，能有效找出合適解決方法。 (2)藉由設計結構矩陣之分割與重新排序，表現各零組件的關聯性，結合詮釋結構模式，矩陣之列加總額D值與行加總額R值，運算轉換成元素分佈圖與繪製層級關係流程圖，以圖形理論模式獲得較佳模組分群，使整個設計規劃能明確。 (3)建立一套有系統之新產品設計開發模式於協同產品開發，以縮短產品開發時程，使企業保持競爭優勢與創新產品開發目的。 三、研究架構與步驟 本研究主要為建立一套有系統之新產品設計開發模式於協同產品開發，以 縮短創新產品開發時間，使企業保持競爭優勢與創新產品之開發。在研究中分成三個部份去完成，第一個部份是運用TRIZ創新法則與結合專利迴避設計策略，以找出合適解決方法並避免在研發產品過程，不慎涉入他人的專利權利範圍，協- 2 -
研究動機與目的研究動機與目的相關文獻探討概念設計Triz創新法則專利迴避設計設計結構矩陣建構分割法則路徑搜尋法重新排序設計結構矩陣詮釋結構模式D+R/D-R值表繪製層級關係流程圖獲得較佳模組分群模組化具體設計產品模組組裝順序定義產品組裝模組助設計師於產品開發之概念設計發展。第二個部份為建構DSM，經由分割與重新排序，以表現各零組件之關聯性，依獨立性、相依性與交互作用屬性分類。再藉由ISM將矩陣之列加總額D值與行加總額R值，運算轉換成元素分佈圖與繪製層級關係流程圖，以圖形理論模式獲得較佳模組分群。第三個部份以模組化設計之標準化為基礎，運用共同的零組件，於產品開發之具體設計發展；建立一套3D模型建構與細部設計有系統之新產品設計開發模式，以作為協同產品開發之基礎。並以電動跑步機為例，說明如何建立一套有系統之新產品設計開發模式於協同產品開發並縮短產品開發時程。本研究架構流程圖，如圖1所示。 實例驗證實例驗證以電動跑步機為例以電動跑步機為例 圖1 研究架構流程圖 - 3 -
貳、文獻探討 一、TRIZ創新原理 TRIZ創新原理（Theory of Inventive Problem Solving），為俄國科學家Altshuller於1946年提出之發明方法。其研究超過數十萬個之科技專利案件，進行分析發現在不同領域的創新發明問題，皆有相同之基本問題與解決技巧。Altshuller（1988）由這些專利中匯整並挑出四萬件具有首創之發明專利，予以整理成一系統化創意設計模式，進而提出發明創新的流程和解題的方法途徑，以提供設計師參考與分析。TRIZ方法其內容主要有四個部分： (1)問題規劃(Problem Formulation)。(2)矛盾矩陣表( Contradiction Matrix)。(3)理想化方法( Ideal Result)。(4)物質場分析( Substance Field Analysis Modeling)。在開發新產品過程中，常會遇到相互矛盾問題，一般設計師大都採取妥協方式或消極的取帄衡點。而TRIZ創新法則之矛盾矩陣表，正是提供設計師以積極方式來解決相互矛盾問題。在矛盾矩陣表中，包括40創新法則(Inventive Principles)與39工程參數( Engineering Parameter)。39工程參數為Altshuller由數十萬個專利中，歸納出導致技術矛盾的系統參數共39個，稱為39工程參數。TRIZ矛盾表為39×39之矩陣方式Terninko（1998），其縱軸為欲改善之工程特性(Improving Features)，橫軸為欲避惡之工程特性(Worsening Features)，各為39個工程參數組成；中間欄位數字部分，為所對應之創新法則編號。矛盾矩陣表之運用，需先將問題對應到欲改善與欲避惡之39個工程參數後，在針對矛盾表中的問題套入40創新法則來求出一種或一種以上的解答，再依解答出現的次數多寡作為最佳的設計變更狀態。 Terninko（1998）提出TRIZ創新方法之解決問題流程：如圖2所示，Terninko之TRIZ解決問題流程圖。(1)釐清工程問題（Define the Problem）。(2)刪減問題以得基本要素（Reduce Problem to its Basic Constituents）。(3)建立矛盾表（Examine for Contradictions）。(4)運用發明原理（Apply the Inventive Principles）。(5)評估方案（Evaluate Alternatives）。(6)成熟模式（Maturity Model）。(7)創新解答（New Solution）。 在TRIZ解決工程問題之設計流程，Terninko（1998）說明先將工程問題分析，釐清與主要欲改善問題無關的予以挑除，使問題之複雜性縮減至切合設計目標與工程利益。若有需要則可予以分離為次問題，以利獨立解決。接續將問題對應到欲改善與欲避惡之39個工程參數，針對矛盾矩陣表中的問題，藉由直交關係以獲得創新法則編號。再套入40創新法則，以求出一種或一種以上的解答，再依解答出現的次數多寡作為最佳的設計變更狀態。如表1為矛盾矩陣表使用範例。 - 4 -
釐清工程問題 釐清工程問題 Define the problemDefine the problem刪減問題以得基本要素 Reduce the problem to its basic constituents建立矛盾表 Examine for contradictions運用發明原理 Inventive principles 可實行/有效 評估方案 Evaluate alternatives Feasibility/Effects成熟模式 Maturity model 創新解答創新解答 New solution New solution 圖之TRIZ解決問題流程圖 表1 矛盾矩陣表範例 Liu & Chen（2001）提出改良之TRIZ方法，以解決無法預料或決定之欲避惡工程問題。並說明藉有創新法則在矛盾矩陣表出現的次數進行統計歸納，當創新法則出現的次數越多，代表該法則被運用的次數越高，相對運用該法則來解決問題的成功率會越高。此改良之TRIZ方法，即為單一工程特性方法(Single Technical Feature Method)，簡稱為單一特性法則。可以避免因設計需求的不明確， - 5 -
12108顯示6次數4而造成設計障礙，亦可解決矛盾表中所出現的空矩陣問題。如圖3所示，為單一工程特性統計範例。統計圖中#1(分割Segmentation)出現次數最多12次，#13(反2轉Inversion)出現次數最多12次，所以#1與#13之出現次數較高的法則，表示具有較高導出解答的機會。 0123456810121315161718192223242527282930313234353940創新法則編號 圖3.單一工程特性統計範例圖 二、設計結構矩陣 設計結構矩陣(Design Structure Matrix，簡稱DSM)，又稱為關聯結構矩陣(Dependency Structure Matrix)，為Steward於1981年提出以二維矩陣方式，解決複雜專案任務與規劃工作程序的有效方法。Steward(1981)將複雜專案任務中，各工作任務之作業關係，分為獨立性(Independent)、相依性(Dependent)與交互作用性(Interdependent)。Yassine(2004)說明三種關聯性之不同處與表示方式，如表2所示，為三種關聯性類型表示法。 表2 三種關聯性類型表示 (1)獨立性：兩個工作任務或元件間，沒有訊息相互交流，是完全獨立的作用方式，其動態特徵表現為A、B作業方式是並聯式，A、B可以同時進行。 (2)相依性：兩個工作任務或元件間，只存在單向依賴關係之作動方式，其動態特徵表現為A、B作業方式是串聯式，既A做完再執行B。 - 6 -
♠ξMMMM ≡121i1j1n ↔ ≈M ξMMM212i2j2n ↔ ≈ ↔ ≈ ↔ ≈MM ξMM ↔i1i2ijin ≈ ↔ ≈(3)交互作用性：兩個工作任務或元件 間存在著訊息交流的關聯，且A、B的訊息關繫是雙向。即A要作業時，需B給予訊息才能執行；同理B要作業時，↔ ≈也需要A給予訊息才能執行。其動態特徵表現為A、B之間頇透過反覆交流，才能完成執行任務，其動態關聯的作業數量可超過兩個以上。 Sabbaghian & Eppinger(1998)，說明DSM最為廣泛共同使M用之三種模式：MM ξM參數為基模式（Parameter-basXed Modeling）、以任務為基模式（Task-based Modeling）與以團隊為基模式（Team-based Modeling）。Yassine(2004)說明藉由↔j1j2 ≈DSM用於一產品中，可以表示組成元件之訊息關係；若用於專案工程，則可表示團隊之協同工作之關係。所以DSM依用途可分為四類： (1)以參數為基之形式：用於分析系統建立。 (2)以任務為基之形式：用於任務規劃。 (3)以團隊為基之形式：用於組織設計與規劃。 (4)以元件為基之形式（Component-based Modeling）：用於組裝模組設計與規劃。 本研究以設計一創新產品為XXXjijn1X重心，選擇以元件為基之形式作為21X2XX↔ijn ≈研究模式，來表示產品組成零組件之訊息關係，建立以元件為基之設計結構矩陣，作為後續模組分群之組裝模組設計與規劃。Chen & Lin(2002)說明DSM為一個nxn組成之矩陣，n則代表n個工作或零組件X數目。若第i個工作需要第ij個工作的訊息，或第j個工作回饋(Feedback)給第i個工作訊息時，則在矩陣內標上註記(Mark)，以 υ或1表示有關聯性，而以空白或0表示無關聯性；在矩陣斜對角線為表示自↔ ≈己對自己關係，故以 ● 取代。如圖4所示，二維設計結構矩陣(Binjary DSM)。 Mn↔MMM ξ ≈←n1n2ninj… 圖4 二維設計結構矩陣 X = 工作任務或零組件的第i個項目, i= 1, 2,⋯⋯,n iM = 1, 表示 X 需由。 iX 得到資訊ijjM = 0 或空白, 表示X 與沒有關係。 i, iX j = 1, 2,⋯⋯,n ijj- 7 -
在一個複雜產品開發案過程中，包含產品設計與製造上之大量作業項目或零組件，其相互屬性可能為獨立性、相依性或交互作用性。Chen & Lin(2002)說明若未經分割DSM之矩陣，只能看出各作業項目或零組件之輸入與輸出關係性，但尚無法明瞭其作業順序是屬於何種屬性，如圖5所示，基礎設計結構矩陣(Original DSM)。頇藉由Steward(1981)提出之分割法則(Partitioned Algorithm)，予以分割簡化並重新排列矩陣，使其依作業順序與不同關聯屬性排序，而獲得分割與重新排列設計結構矩陣。以易於確認各作業項目或零組件之關聯性，以為後續分群組。如圖6所示，重新排列設計結構矩陣( Partitioned/Reordered DSM)。 圖5 基礎設計結構矩陣 圖6 重新排列設計結構矩陣 利用分割法則，可將整個設計專案之作業項目或零組件，予以分割與重新排列，有助於辨識其關聯性與簡化矩陣運算。Steward(1981)、Chen & Lin(2002)、Yassine(2004)等學者，提出說明分割法則之三個步驟： (1)獨立與相依性元素之排列： a.矩陣中的任一列（Row）若為空白或0，則將這個元素排到矩陣最前面的次序，並從矩陣中移除。 b.矩陣中的任一行（Column）若為空白或0，則將這個元素排到矩陣最後面的次序，並從矩陣中移除。 c.重複上述的步驟，直到矩陣中沒有空白行與空白列存在。 (2)交互作用性元素之排列： a.利用路徑搜尋方式（Path Searching），使交互作用性元素成為一個群組，利用資訊向前回饋搜尋，直到搜尋至最初始的元素為止，使其成為一個群組。 (3)將搜尋過之每一個群組，視為單一組的模組；並重複步驟(1) 至步驟(3)，直到所有的元素都被排序完成。 三、詮釋結構模式 詮釋結構模式與設計結構矩陣之表現方式很相似，若往回追溯可發現其同為以二維矩陣模式（Binary Matrices），運用於系統運算與建立。而詮釋結構模式發展較早，於1970年代由Warfield提出之方法；設計結構矩陣則為於1980年代- 8 -
由Steward所提出之方法。Warfield於1972年最早提出詮釋結構模式(Interpretive Structural Model,簡稱ISM)，原為社會系統工學之一種構造模型法（Structure modeling），為一制定管理決策的工具，用來分析複雜情境和解決複雜問題。為在抽象的各種不同層面，發展出對問題更高層的概念性，而設計出必要的細部規劃來實行解決方案與有效的決策。ISM為基於離散數學、線性代數和圖形理論，再結合行為科學、數學概念、團體決策（Group Discussion）及電腦輔助等領域Warfield(1976)與Fitz(1978)，透過二維矩陣的數學運算，呈現出一個系統內全部元素間的關聯性，並可藉由電腦來輔助執行繁複的數學運算過程，以產生一個完整的多層級結構化階層（Multilevel Structural Hierarchy），幫助決策者清楚而有系統地組織所得資訊和概念。 ISM為透過二維矩陣的數學運算，呈現出一個系統內全部元素間的關聯性，並可藉由電腦來輔助執行繁複的數學運算過程，以產生一個完整的多層級結構化階層，幫助決策者清楚而有系統的組織所得資訊和概念。 Hsiao & Liu（2005）提出詮釋結構模式之執行步驟： (1)建構關聯矩陣(Incidence Matrix Construction)，以執行邏輯運算及層級結構分析。藉由與資深設計工程師及管理者，將問題元素要件列出清單並以矩陣形式排列，以進行各元素要件互相關係比對。將其各元素要件互相關係aij，填入關聯矩陣中M=[aij]；因其具有方向性，其填入關聯矩陣有四項原則： (a) 構成元件中aij，如i對j有關聯性，則aij= 1，若無關聯性則aij= 0。 (b) 構成元件中aji，如j對i有關聯性，則aji= 1，若無關聯性則aji= 0。 (c) 另若兩者皆有關聯性，則aij= 1且aji= 1。 (d) 另若兩者皆無關聯性，則aij= 0且aji= 0。如圖7所示，為關聯矩陣圖。 (2)產生可達矩陣(Reachability Matrix)，將關聯矩陣M加上單位矩陣I，變為含有自己的因果關係之新矩陣B，即為B＝M＋I；再重覆以布林數學運算方式(Boolean)，運算至出現重覆結果，即轉化為可達矩陣R。如圖8所示，為可達矩陣圖。 (3)產生輸出矩陣(Output Matrix)，依據可達矩陣結果，再將矩陣中元素為aij= 1且aji= 1表示為相互有關聯性之交互作用，予以挑出以產生輸出矩陣。如圖9所示，為可達矩陣之輸出矩陣圖。 - 9 -
0♠000000 ≡0♠0 10♠0000000000 ≡ ≡ ↔ ≈1000110↔ ↔ ≈ ≈ ↔01 ≈000001000110 ↔ ≈↔ ≈ 0↔000101 ≈ 0↔010000 ≈0↔000101 ≈ ↔ ≈000 01↔00 ≈↔ ≈ ↔ ≈00010000000100 ↔ ≈↔ ≈ 0↔010001 ≈ ↔ ≈00001000↔010001 ≈ cc↔c ≈ccccc(4)產生分群矩陣(Retrieval Matrix)，依據可c達矩陣之輸出1矩陣圖中，10有相互234100000關聯性之矩陣元素予以分群，以產生分群矩陣。如圖10所示，為分群矩陣圖。 (5)產生重組矩陣(Rearranged Matrix)，依據分群矩陣圖回溯至可達矩陣之元素關聯性，產生重組矩陣。如圖11所示，為重組矩陣圖。 (6)D＋R值/D－R值與元素分佈圖，為依據關聯矩陣中之每一列元素值，加總數為D值；而矩陣中之每一行元素值，加總數為R值；由D值與R值可得知，該元素與其他元素關聯性。將D＋R/D－R值以二維分佈圖表示，2以使瞭解各元素之關聯性與交互作用關係。如D＋R值越大，表示該元素交互作用(Interactive)c↔5c67↔ ≈關係越大，故該元素較不建議MRedesign或設計變更，會牽涉其他元素較大且複雜；反之則越小，屬於獨立性(Interdependent)。若D－R值越大，表示該元素統治性(Dominant)越大，為支配其他元素，故在Redesign或設計變更時較易；反之則越小屬於受支配性(Subbordinate)。如表3所示，為可達矩陣中之D＋R/ D－R表。而圖12所示，為元素分佈圖。 ≈0 10000011c2c3c↔4c5c67c32 0 ↔ ≈ccccc000010 12c3c4c↔5c67 ≈ ≈(7)繪出層級關係流程圖B（Hierarchical Interaction Graph），依據重組矩陣繪出各元素間關聯性，而藉由D＋R/D－R值表與元素分佈圖，運用圖解方式表示層級關係流程圖，以提供決策者解構問題之流程順序與層級架構關係。如圖13所示，為元素層級關係流程圖。cc3 c546↔ ≈c0010100c 7← ccc132 … 圖7關聯矩陣圖 546↔cc 54↔ ≈6 ≈ 000100010000017←7←…… - 10 -
000000 1♠00000 ≡≡0 ≡ 1♠000000≡ ↔ ≈≈ ≈ ↔10110100010 ≈1100110110000 ↔ ≈≈ ≈ ↔ ≈ 0↔00110011010 ≈1 ≈↔11000≈ 0↔110000 ≈ ↔ ≈ ≈↔≈ 0↔00011101000 ≈1000110 ↔ ≈001110 ≈ ↔↔ ≈ 0↔0011001101 ≈01 ≈ 0↔0011 0↔001110≈ ↔≈ ≈ ccccc cc 1↔0↔1101000101 c≈1 11c21134c567↔ ≈ccccc0ccc332cc 2c3c4c5c6 7R ≈12c60c3c5c74001111263c5c001110cc 1↔c2c54 Rξ74t ≈ 5466↔ ≈ ≈0001100110101Rc↔Rc2ccR 7← ……cc6753 圖8可達矩陣圖 圖9輸出矩陣圖 53Rξt ↔ ≈0000147↔0000001 47←← … 圖10分群矩陣圖 圖11重組矩陣圖 表3 可達矩陣中之D＋R/D－R表 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 D D+R D-R C1 1 0 0 0 0 0 0 1 4 -2 C2 1 1 1 0 1 1 1 6 8 4 C3 0 0 1 0 1 0 1 3 9 -3 C4 0 0 1 1 1 0 1 4 5 3 C5 0 0 1 0 1 0 1 3 9 -3 C6 1 1 1 0 1 1 1 6 8 4 C7 0 0 1 0 1 0 1 3 9 -3 R 3 2 6 1 6 2 6 - 11 -
C2C6Level 1C4 圖12 元素分佈圖 C5C3Level 2 C7C1Level 3 圖13 元素層級關係流程圖 參、實例設計驗證 一、分析問題與釐設計目標 在進行產品概念設計之前，需先將產品欲改善之問題予以分析，才能進一步找出明確解決方法，以作為概念設計目標。以往市面上常見銷售之電動跑步機，其動力來源是由電源提供電力，經控制板（Control Board）轉換為直流電，驅動直流馬達（DC Motor）旋轉，以帶動皮帶轉動並間接傳動滾筒轉動，再由- 12 -
滾筒帶動跑步帶轉動，以讓使用者於跑步帶上方跑步或步行運動。而使用者可輕易藉由微電腦控制面板選項，依需求調整跑步帶之跑步速度並輕鬆操作使用。因傳統電動跑步機，於上述之控制與轉動零組件，尚有設計與製造技術問題，致使電動跑步機之體積較為龐大且重，不但佔具空間且造成收納或移動搬運不便等問題。所以將體積龐大佔具空間，且收納搬運不便問題，作為設計改善目標。如圖14所示，為傳統電動跑步機。 圖14 傳統電動跑步機 二、電動跑步機之概念設計 由於近年來馬達、控制板與微電腦的功能與技術不斷提升，而零組件之體積與重量隨之減小，並發展成標準零組件，使得電動跑步機之功能更為完善，所以該項零組件不予設計變更。而有鑑於上述收納與移動搬運不便問題，將電動跑步機原本設計為一體之主體支架，因體積龐大且較為笨重問題，詴想予以改善成可折疊設計方式，使體積變小較不佔空間，重量減輕且移動搬運較不費力。本研究在電動跑步機之概念設計，為運用TRIZ創新法則結合專利迴避設計，設計步驟如下： 1.建立TRIZ之矛盾矩陣表： 因傳統電動跑步機之體積龐大且笨重，欲改善使其體積變小不佔空間，且重量減輕易於移動搬運，需將原一體之主體支架，予以改善成可折疊式。因此找出欲使一體主體支架變為可折疊式之工程問題，將此工程問題轉換成39工程參數，則形狀必頇改變同時考慮體積不佔空間與移動操作方便問題。對應39工程參數，將欲改善工程問題轉換成#7移動件體積、#10力量、#12形狀、#25時間的浪費。將#7、#10、#12與#25此四項工程參數，填入矛盾矩陣表之左方直行，欲改善工程參數項目欄中。必頇考慮在改變#7移動件體積、#10力量、#12形狀、#25時間的浪費之工程特性的同時，其將會發生矛盾現象之欲避免惡化工程參數，套入矛盾矩陣表。經分析在改變形狀後，會產生矛盾現象之欲避惡工程問題，為重量增加、強度減弱、可靠度降低與製造難易性等影響。再對應39工程參數，將其轉換成欲避惡參數為#1移動物件重量、#14強度、#27可靠度與#32製造性，- 13 -
予以填入矛盾矩陣表之上方橫列，欲避惡工程參數項目欄中。藉由直交關係以獲得創新法則編號，再套入40創新法則中，以求出一種或一種以上的解答，再依解答出現的次數最多者，作為最佳的創新設計解答。如表4所示，為電動跑步機之矛盾矩陣表。 表4 電動跑步機矛盾矩陣表6 欲避惡工程 1. 14. 27. 32. 參數 移動件 5欲改善工程重量強度 可靠度 製造性 參數 7. 移動件體積2,26 9,14 14,1 29,1 29,40 15,7 40,11 40 ,1 35,10 3,35 15,37 10. 力量8顯4 37,18 14,27 13,21 18,1 0 30,14 10,40 1, 32 12. 形狀8,1 示29,40 10,40 16 17,28 30,20 25. 時間的浪費129,3 10,30 35,28 37,35 28,18 4次 34,4 經統計出現最多次的創新法則，依序為#10先前的動數作、#40複合材料皆為6次，#1分割為5次之解答。如圖15所示，為電動跑步機之創新單一特性2法則統計圖。藉由創新法則之#10先前的動作、40複合材料與#1分割，可以詴想獲得二個新的創新概念設計方法： (1)將原本設計為一體之主體支架，分割成二段式之主體支架，設計使其可折疊易收納與移動搬運方便。1 (2)將保護蓋材質由鐵板製作，設計為塑膠材質取代，以減輕重量。 01234891011131415161718202126272829303234353740創新法則編號 圖15 電動跑步機之創新單一特性法則統計圖 - 14 -
2.專利檢索與分析： 透過各國的智慧財產局或專利局，所提供之免費或付費的服務網站來查詢，得到相關之電動跑步機折疊結構專利。藉由專利檢索方式，查詢到關於電動跑步機之相關折疊結構設計專利，如運用底座樞設一導引連桿，利用滑座對導引連桿之帶動與限制，而使跑步基座得以收折動作與利於收納。藉由上述專利分析，可瞭解相關專利之新技術方式與關鍵專利範圍。並對應到先前TRIZ創新法則之解答，而獲得電動跑步機之二個創新概念設計方法： (1)電動跑步機主體支架設計成二段式，可折疊方式。增加設計移動輪於主體支架前段，以方便移動搬運。 (2)將保護蓋設計為塑膠射出方式，以減輕重量與製造方便降低成本。 由上述創新概念設計方法，予以設計結合使其成完整電動跑步機之創新產品概念設計，如圖16所示。為電動跑步機之產品概念設計圖。而欲使其方便折疊操作與移動搬運，如圖17與圖18所示，為電動跑步機之折疊與移動搬運概念設計圖。 圖16 電動跑步機之產品概念設計圖 圖17 電動跑步機折疊概念設計圖 - 15 -
圖18 電動跑步機移動搬運概念設計圖 三、電動跑步機之設計系統建構 在電動跑步機產品設計開發之DSM建構方式，首先需藉由資深設計工程師與管理者訪談，將整個產品設計開發案之零組件與模組清單列出。而電動跑步機主要組成零組件，為由一跑步架、一對扶手部、一電子儀表板、一馬達與控制器、一跑步帶及一後支撐桿所組成。而傳動方式藉由馬達傳動皮帶，以驅動一前滾輪帶動跑步帶，而跑步帶則為圈繞於前、後滾輪上，並可因馬達之傳動而不斷運轉。如圖19與圖20所示，為電動跑步機之解構圖。 圖19 電動跑步機解構圖1 - 16 -
16201116271217831813941910 圖20 電動跑步機解構圖2 51.繪製電動跑步機概念關聯流程圖： 藉由與資深設計工程師及管理者訪談，將電動跑步機產品設計開發案之各零組件與模組清單列出。再予以解構分析各相關零組件與設計模組間的關聯性，並繪製各零組件與模組關聯性流程圖。如圖21所示，為電動跑步機概念關聯流14程圖。 15 圖21 電動跑步機概念關聯流程圖 - 17 -
ξ ♠ ≡ ↔ ≈1 ξ ↔ ≈ ↔ ≈1 ξ11 ↔ ≈1 ξ11 ↔ ≈ ↔ ≈1 ξ11 ↔ ≈1 ξ11 ↔ ≈ ↔ ≈11 ξ1 ↔ ≈1 ξ ↔ ≈ ↔ ≈1 ξ11111 ↔ ≈ ↔1 ξ11 ≈ ↔ ≈1111 ξ ↔ ≈ ↔ ≈1 ξ ↔ ≈11 ξ111 ↔ ≈ ↔ ≈111 ξ1 ↔ ≈11 ξ1 ↔ ≈ ↔ ≈11 ξ ↔ ≈C CCCCCCCCCC↔ ≈CCCCCC12345678C9C10CCCC111213141516171892011 ξ1C32CCC ↔ ≈5461111111 ξCC7C 8↔ ≈C9C1011C ↔ ≈11321 ξC1145CC 16↔ ≈172.建立電動跑步機關聯DSM： 藉由資深設C計C工程師及管理者，將各零組件與模組之輸入與輸出關係，依概念關聯流程圖之關聯性，標註記於二維矩陣中，以建立電動跑步機關聯DSM。如圖22所示，為電動跑步機關聯DSM圖。 1819 ξ 20← … 圖22 電動跑步機概念關聯DSM 3.分割與重新排列DSM： 在建構DSM過程上，為解決複雜難懂之DSM建構方式與流程，以協助設計師與管理者方便使用，並節省時間於獨立性、相依性與交互作用性，三種關聯屬性之分割與重新排列DSM之執行運算。 4.電動跑步機之DSM模組分群： 利用D＋R/D－R值表，將關聯矩陣轉換為數值，並繪製成二維元素分佈圖表示。如D＋R值越大，表示該元素交互作用性關係越大，故該元素較不建議Redesign或設計變更，會牽涉其他元素較大且複雜；反之則越小，屬獨立性。若D－R值越大，表示該元素統治性越大，為支配其他元素，故在Redesign或設計變更時較易；反之則越小，屬受支配性。如表6所示，為電動跑步機之D＋R/D- 18 -
－R值表；如圖23所示，為電動跑步機之元素分佈圖。 表7 電動跑步機之D＋R/D－R值表 C1C1C1C1C1C2D+ C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 D D-R 5 6 7 8 9 0 R C1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 20 21 19 C2 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 15 17 13 C3 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 14 29 -1 C4 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 14 29 -1 C5 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 14 29 -1 C6 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 14 29 -1 C7 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 14 29 -1 C8 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 16 18 14 C9 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 14 29 -1 C10 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 14 29 -1 0 C10 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 14 29 -1 1 C10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 2 4 0 2 C10 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 14 29 -1 3 C10 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 14 29 -1 4 C10 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 14 29 -1 5 C10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 17 -15 6 C10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 5 -3 7 C10 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 14 29 -1 8 C10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 17 -15 9 C20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 3 -1 0 R 1 2 15 15 15 15 15 2 15 15 15 2 15 15 15 16 4 15 16 2 - 19 -
藉由D＋R/D－R值表與元素分佈圖，運用圖解方式表示各組群之層級關係流程圖。以使瞭解各零組件之關聯性，可清楚辨識與分析其分佈情況，予以分成數個群組，而獲得較佳模組分群。如圖24所示，為電動跑步機層級關係流程圖。故電動跑步機模組分群，可以獲得七個較佳模組分群。 圖23電動跑步機之元素分佈圖 圖24 電動跑步機之層級關係流程圖 - 20 -
四、電動跑步機之協同設計 藉由模組化設計方法，先定義出產品所有組裝模組與模組組裝順序，以作為協同產品設計開發之分工依據。並運用CAD軟體SolidWorks，進行3D建模與各零組件及模組之細部設計，以達成同步工程之同產品設計開發。 1.定義電動跑步機組裝模組與模組組裝順序： 藉由建構DSM與繪製層級架構圖，以獲得電動跑步機之較佳模組分群，將20項零組件定義出合適之七組設計模組。如表8所示，為電動跑步機之定義各組裝模組。在整個電動跑步機之模組組裝順序，經由事先將屬於交互作用性與獨立性模組之模組，先予組成單一模組。接續模組組裝順序，如圖25所示，為電動跑步機之模組組裝順序。 表8 電動跑步機之定義各組裝模組 項目 模組名稱 組成元件 模組功能 M1 主架構模組 主體支架、把手為產品主要架構，支撐主桿、前/後端蓋。 體重量與扶持各組件。 M2 主動力模組 馬達、控制器、感為主要提供跑步動力來應電線。 源，並將輸入輸出訊號轉換以控制馬達轉速。 M3 從動模組 前/後滾筒、馬達將馬達動力轉換傳送到皮帶、飛輪。 跑步帶，使跑步帶旋轉。 M4 保護蓋模組 馬達護蓋、腹部/以護蓋將轉動組件與危後護蓋、跑步帶。 險部位遮蓋，以免危險。 M5 操作介面模組 把手、面板座、 電使用者可由電子儀表之子儀表板。 選項，調整跑步速度、與選取其他功能。 M6 緩衝支撐模組 跑步板、側邊護為跑步支撐使用者重量條、氣壓棒。 與折疊緩衝主架重量。 M7 調整與安全裝置後支撐桿、安全鑰為調整跑步仰角與緊急模組 匙。 危險斷電安全裝置。 - 21 -
圖25 電動跑步機模組組裝順序 2.各零組件與模組細部設計： 經由產品之模組組裝順序規劃完成，即可進行各零組件與模組之細部設計；此階段設計工作任務，可由數位設計工程師依模組分群，予以細分工作任務。再由不同設計工程師，同步進行產品之各零組件或模組設計，可有效縮短產品之設計開發時間。經由各零組件與模組設計完成，並依其整個組裝模組順，予以組裝完成電動跑步機之產品，如圖26所示，為本研究之電動跑步機成品圖；如圖27所示，為電動跑步機之成品折疊收納圖。 圖26 本研究之電動跑步機成品圖 圖27 電動跑步機之成品折疊收納圖 四、結論與建議 一、結論 本研究經由電動跑步機為例，說明在產品創新設計開發過程中，概念設計發展與整個設計專案規劃能明確，並以協同設計開發模式縮短設計開發時間，將是影響產品開發進度之關鍵。藉由研究獲得具體結果，以提供設計師與管理者一套- 22 -
有效之設計開發流程，作為新產品設計開發參考。本研究中所獲得的具體成果如下: 1.以TRIZ創新法則結合專利迴避設計，協助設計師有效找出合適解決方法，於產品開發之概念設計。具有下列四項優點： (1)免除設計師自身專業與經驗問題，以使能快速找到創意概念。 (2)節省找尋解決方法的時間，並避免矛盾問題產生。 (3)對新的設計師或產品不熟悉時，可由相關專利文獻瞭解新技術與關鍵專利範圍，以找到簡單又有效之解決方法。 (4)避免設計師在研發產品過程，不慎涉入他人的專利權利範圍。 2.比較分析在DSM與ISM方法，皆為用於產品分析元素或元件間之關聯性問題，其目的皆為運用於產品開發設計專案之分析與排程規劃上，以獲得較佳模組分群之有效的決策方法。經由相關文獻整理與研究後，本研究提出其差異性比較，如表8所示，為DSM與ISM方法比較表。並進一步予以整合DSM與ISM方法，以建構DSM表現各零組件的關聯性，並由ISM圖形理論模式獲得較佳模組分群，以使整個設計規劃能明確。整合DSM與ISM方法，具有下列五項優點： (1)改善傳統之排程工具，以甘特圖、流程圖等，只能表示時間與工作順序。 (2)可有效解決大型且複雜的設計開發案，於作業流程與組裝順序規劃。 (3)可藉由電腦執行邏輯運算與重新排序，以節省時間。 (4)將關聯矩陣轉換為數值與繪製成元素分佈圖，作為設計變更依據。 (5)運用圖解方式表示各組群之層級關係流程圖，可獲得產品設計之較佳模組分群。 3.成功整合TRIZ、DSM與ISM方法，使其成為一套有系統之新產品協同設計開發模式，不僅適用電動跑步機之設計開發，並適合於不同產業使用於新產品設計開發。 一、建議 由於時間短促，研究上雖已將新產品設計開發之各階段工作任務，藉由電動跑步機案例具體詳細說明，但仍有幾項問題，建議尚需深入研究部分。 1.在TRIZ矛盾矩陣表建構，若能結合模糊理論以分析決策，欲改善與欲避惡工程問題，將可解決由設計師自行決策之不客觀因素。 2.在建構DSM之初始關聯矩陣，如何以更明確方式將關聯性輸入標記於矩陣中，將可解決由設計師與管理者自行決策之不客觀因素。 - 23 -
表8本研究整理之DSM與ISM方法比較表 設計方法 設計結構矩陣 詮釋結構模式 Design Structure Matrix Interpretive Structural 項Model 目 提1 倡者/起源 Steward於1981年提出 Warfield於1972年提出 表 示方式 皆為二維矩陣方式 元3 素關聯性 獨立、相依與交互作用性。 強調交互作用性。 運4 算原理 矩陣分割法則。 可達矩陣運算。 分5 群方式 集群分析法、模糊類聚分析D＋R/D－R值表與元素分佈法與群聚辨識演算法等。 圖，繪出層級關係圖等。 運6 用目的 分析元素關聯性、以得較佳模組分群與管理進度規劃。 優7 點 a.對矩陣運算不甚瞭解a. 建構方式較簡單。 者，可以手動方式，執行矩b. 以繪出層級關係圖，分群陣分割與重新排列。方式較簡單易瞭解。 缺8 點 建構與分群方式較為繁雜。 矩陣運算較為複雜，對不甚瞭解者執行較難。 五、參考文獻 1. Altshulle, G.（1988）. Creativity as an Exact Science : Theory of Inventive Problem Solving, Gordon & Breach Science Publisher, New York. 2. Chen, S-J. & Lin, L. (2002).“A Project Task Coordination Model for Team Organization in Concurrent Engineering ,” Concurrent Engineering: Research and Application, Vol. 10, No. 3, -203. 3. Fitz, R. (1978). “Societal Systems Planning, Policy and Complexity”, Proceedings of the IEEE, Vol. 66, No. 3, pp. 362-363. - 24 -
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