引言

随着科学技术的高速发展，智能家居系统已逐渐融入人民的日常生活。伴随智能化精装修住宅的全面升级，智能窗帘已成为各种智能场景中的标准配置。根据《2019中国智能窗帘生态发展白皮书》，在消费升级趋势下，智能窗帘将更好地融入不同智能场景空间，社会需求量将越来越大。同时，线上销售渠道爆发，将使智能窗帘产品销售持续提升，未来产业升级前景广阔。

根据市场调查，目前市面上知名的智能窗帘产品价格普遍偏高，超出大众的消费水平。而价格偏低的产品功能少、质量低，因此客户使用率偏低。此外，智能窗帘安装麻烦，不仅需要体积庞大的电机，还需要安装智能窗帘电轨，过程极其繁琐。因此，本研究改进现有的智能窗帘系统，设计一款功能丰富、性价比高、质量好且更容易安装与使用的智能窗帘机器人。在功能方面，本研究最大限度向目前市场上的智能窗帘靠近，满足大众的需求，让人们不必拆卸窗帘布就可以享受智能家居的方便与舒适，在极力倡导家居智能化的今天，具有重大意义。

一、问题和解决方案

（一）问题分析

目前，智能窗帘产品在实际使用过程中仍面临诸多尚未解决的普遍问题。尽管许多产品都使用电池作为主要电源，但在充电过程中不得不暂停使用，这对日常功能的连续性产生了影响。安装该装置时，通常需要将其完全悬挂在窗帘轨道上，但其位置相对较高并且完全依赖外部配件来承受重量，因此存在一定程度的安全风险。同时，由于受到使用环境的限制，产品的体积通常需要进行严格的控制；过大的尺寸会占据过多的空间，这不仅影响外观，还可能提高意外事故的风险。在进行功能的拓展时，如果用户想要执行如语音控制或轻触启动一类常规智能操作，通常还需要购买额外的模块。而这些模块的焊接和整合对于一般用户来说是一大挑战，同时也提高了总体的成本。另外，在设备的运行阶段，窗帘布的阻力和轨道的平整度等因素可能会导致设备移动不稳定，甚至可能会脱落，从而影响设备的长期使用。

（二）解决方案和限制条件

为解决电池供电的问题，可考虑使用可更换的电池或提高电池的续航能力。但这也会导致成本增加和产品结构的调整，提高设计复杂性和技术实施难度。

在安装方面，增强配件稳固性、优化结构、添加固定装置、选择轻质材料并强化其防摔功能等都被认为是有效地改进策略。然而，这些措施还需涉及材料选择、结构的重新设计和额外附件的布置等方面，不仅会增加技术难度和开发周期，还可能导致成本增加或对美观性造成影响。

为减少空间占用，可选择更小的组件并对整体结构进行优化。但也需要在元件的性能、成本和结构设计的可行性之间权衡。这不仅对技术有较高要求，还同样会增加成本。

在功能实现方面，为支持语音识别和轻拉启动功能，需要加入更多的元器件，这使焊接过程变得复杂。虽然使用压铸成型模具进行内部固定是一种可行的解决方案，但可能导致新部件与原有结构不一致，因此需要进行精确的测绘和重新设计内部布局，这无疑增加了设计的负担。

针对运动稳定性问题，可采取设计平衡减震结构和加强内部拉力等措施以提高稳定性，但相关影响因素众多，受力分析较为复杂且执行困难。同时结构调整也会涉及内部布线而影响家居的美观。

此外，目前市场上多数智能窗帘产品需完全更换原有窗帘轨道及配件，且无法兼容旧有窗帘，造成资源浪费，一定程度上制约了市场推广。所以市场急需一种能实现方便安装且与现有结构相适应的智能化窗帘产品。

二、系统分析

（一）系统定义

本研究中，系统的作用对象为“窗帘机器人”，功能描述是“平稳推动窗帘机器人”，系统描述为“需要改善的系统为减震缓冲系统”。窗帘机器人的生命周期目前处于婴儿期后期，我国仅有少数几家公司创造出窗帘机器人，专利级别高且数量非常少，而且价格昂贵，此时企业以投入为主，所以窗帘机器人正逐步向成长期发展，有非常好的发展前景。

（二）系统功能分析

窗帘机器人集成了语音识别、压力传感、定时控制、红外遥控及稳压缓冲等多个功能模块，共同实现产品的自主运行和稳定操控。在系统结构上，其超系统包含人、阳光、声音等外部因素。系统装置包含运动、控制、缓冲、传动及配件等主要部分。其中，运动装置对应的子系统为主轮，控制装置对应单片机、传感控制模块，缓冲装置对应弹簧，传动装置对应链条、齿轮，配件装置对应轨道配件。通过对系统组件及其关系矩阵的分析，可构建如图1所示的窗帘机器人功能模型。

由图可见，窗帘机器人的主轮与窗帘轨道是冲突发生区域。当窗帘机器人推动窗帘移动时，对于较轻的窗帘易于推动，而对于质量较大的窗帘，在推动过程中容易出现侧翻、掉落等问题。同时，不同的窗帘轨道能够提供的支撑和受力也不同。如果要进行创新设计，要彻底克服现设计中存在的冲突，即主轮不仅可以推动质量较轻的窗帘，还要能够平稳地推动质量较重的窗帘。

（三）系统因果分析

本研究针对窗帘机器人在移动过程中出现的“运行不平稳”问题，运用因果分析法（如图2）和五个为什么分析法，剖析问题产生的根本原因，并系统梳理关键矛盾，为后续创新设计提供设计方案。

“五个为什么”分析法通过连续追问的方式，从表象问题逐层深入至本质原因。经过连续五次不停地问“为什么”，发现窗帘机器人运行不平稳的根本原因为缺乏水平方向的拉力及内部缓冲结构。

问题一：“为什么窗帘机器人在移动时无法越过窗轨上的凸槽？”

答：“因为由于凸槽会给机器一个斜向上支持力的作用，改变机器的运动状态。”

问题二：“为什么普通的窗帘能够越过凸槽上？”

答：“因为人会给窗帘一个向下的拉力作为缓冲。”

问题三：“为什么常规的智能窗帘没有人的拉力，也能平稳运行？”

答：“因为电机的拉力是水平方向，而凸槽的支持力是斜向上，水平拉力冲缓了凸槽的支持力的水平分力。”

问题四：“为什么窗帘机器人无法实现水平拉力？”

答：“因为没有外力给机器提供水平拉力。”

问题五：“为什么不能借由内力进行缓冲？”

答：“因为机器内部没有设置相应的缓冲结构。”

综合以上分析，梳理出影响系统平稳运行的关键问题及其潜在解决方案，如表1所示。

关键缺点	关键问题	可能的解决方案	矛盾描述
机身重量小	如何提高机身质量？	确定机身的重心，在重心处增加重物	在机身的重心处增加重物会提高配件的载重。
接触部分材料光滑	如何增加接触面的粗糙程度？	在滚动处增套摩擦海绵	增大摩擦海绵接触面积，会增加成本。
灰尘、异物影响	如何清理掉窗轨中的异物和灰尘？	增设除尘装置，吸附窗轨上的灰尘和异物	①增设除尘装置会导致对配件的结构造成影响。 ②增设除尘装置会增加功耗，减少使用时长。
加工精度不足	如何提高转轴的光滑程度？	无有效解决方案	无

（四）系统资源分析

根据TRIZ理论，解决发明问题必须指明“给定的条件”和要求“应得的结果”。发明创造的过程就是从分析发明情景开始，包括技术、生产、研究、生活、军事等各种资源情景，对系统资源分析得越详细、深刻，就越能接近问题的理想解。因此，我们对窗帘机器人进行资源分析。其自然资源包括空气和水；可利用时间资源为清扫所用时间、行进所用时间；空间资源包括系统内部空间（由系统内各部分所组成）和系统外部所需清扫空间；能量资源包括生物能、机械能、电能。其中，生物能为用户发出的声音，提供声音信号。机械能使系统运动成为可能，实现前进与推拉。电能为电池，为系统供电；物质资源为电动机、齿轮、主轮、链条、窗轨、配件等一系列物质。

三、运用TRIZ工具解决问题

通过使用TRIZ方法进行分析及剪裁，本研究得出一个基本的方案预案：即在机身重心处增加重物以提高机身质量，在主轮滚动处增套摩擦海绵以增加触面粗糙程度，针对常见的窗帘轨道设计轨道配件，并增设除尘装置，减少灰尘异物的影响。但是目前的方案中依然存在诸多矛盾，将这些矛盾进行提取，并使用TRIZ工具进行解决。

基于TRIZ原理解决问题需要将一个待解决的实际问题转化为问题模型、解决方案模型，最后得到问题的解决方案。TRIZ问题模型包括技术矛盾、物理矛盾、物场分析等，下文将利用TRIZ的39个工程参数和40个发明原理来逐一解决问题。

（一）技术矛盾

冲突描述：窗帘机器人在移动过程中，遇到凸槽会发生震动，需要安装缓冲减震模块。但安装缓冲减震模块则会影响内部的结构安排，使本就狭小的空间更加不足。

转化为TRIZ标准冲突：由技术冲突的描述可知，改善的工程参数对应13号（稳定性），恶化的工程参数对应36号（系统的复杂性）。由阿奇舒勒矛盾矩阵表，可找到参考的发明原理为2号（分离）、22号（变害为益）、26号（复制）和35号（参数变化）。

依据选定的发明原理，得到如下解：根据分离原理，将缓冲装置转换形式，从装置中分离并转移到窗轨上，对窗轨进行缓冲改造；基于参数变化原理，改变装置配件的柔性，在配件轮上安装弹性橡胶轮套；依据变有害为有益原理，使装置结构更加复杂，将其合并到窗帘滑杆中，使其复杂性不再制约滑动装置；按照复制原理，在内部将减震装置进行复制，将其与双配件相结合。

（二）物理矛盾

描述关键问题并写出物理矛盾：本研究设计的窗帘机器人质量要求小，因为需要悬挂在窗轨上，需要尽可能保证其安全性。设计的窗帘机器人质量要求大，以此平衡凸起部分的斜支持力。即参数质量既要足够大又要足够小。考虑到参数“质量”会随着时间推移以及轨道状况的变化而连续改变，因此该冲突可以从“时间”上进行分离。

选择对应的发明原理：在TRIZ理论中，物理矛盾通常用分离原理来解决。常见的分离原理有时间分离、空间分离、条件分离、整体与部分分离。本研究基于空间分离原理中的15号（动态化）发明原理，解决以上物理矛盾。

解决方案：应用TRIZ动态化原理，将减震装置利用弹簧使其自动调整，弹簧质量较轻，能够起到很好的减震效果的同时也满足了质量小的要求。在较平稳的轨道环境中，装置内部的减震弹簧处于原长状态，质轻的弹簧不会对装置造成影响；在较粗糙的轨道环境中，装置的减震弹簧可以根据轨道情况压缩或伸长，从而限制装置的抖动，以适应粗糙的轨道。

（三）物场分析

确定物场模型的元素：窗帘机器人的问题可以概括为主轮利用配件的压力和摩擦力来进行运动。显然，窗帘机器人的物场模型的元素分别为窗轨（S1）、主轮（S2）、配件（S3）、压力（F1）、摩擦力（F2）。

建立物场模型：在该问题中，3个元素齐备，只是相应的相互作用效应不足，因此分别建立压力（左）和摩擦力（右）的物场模型，如图3所示。

由问题可知，本研究可应用物场分析一般解法中的（如表2）解法4和解法5来解决。综合评判2种解法后，解法5的效果更佳。

编号	存在的问题	具体解决措施
1	缺失模型	补全缺失的元素，使模型完整
2	有害模型	加入第三种物质，阻止有害作用
3		引入第二个场，阻止有害作用
4	不充分模型	引入第二个场
5		引入第二个场和第三种物质
6		引入第二个场或第二个场和第三种物质

应用解法4，即引入第二个场（F），建立与摩擦力相关的物场模型如图4。可供选择的第二个场有静电场和电磁场，即利用静电力增强主轮对窗轨的吸附能力，或利用磁性材料增加主轮对窗轨的吸附能力。该解法可增强主轮吸附窗轨的吸附能力，然而难以应用于实际吸附窗轨作用。因此，解法4并非最佳解法。

应用解法5，即引入第二个场（F2）和第三个物质（S2），建立与压力相关的其物场模型如图5所示。在本质上，S3和S2相同。而在形式上，S3又与S2不同。因此可以选择具有摩擦吸力较好的轮套作为S3。强吸力主轮本质上是滚轮，然而与滚轮的作用并不同。强吸力主轮在滚轮的基础上进行了改造，实现了对主轮与窗轨间压力的增强。为了形成强吸力主轮，可以选择引入磁场F2，即在窗轨上加入磁性物质，再使主轮与窗轨间形成弱磁场作用。通过磁力与轮套吸力的共同作用为装置提供较高的压力，从而形成高而稳定的摩擦力，帮助机器在窗轨上平稳滚动而不出现无滑滚动现象。

四、最终设计方案

（一）方案选择

基于以上分析，本研究的技术方案如表3所示。综合利弊分析，研究采用方案2、3、7、8进行系统的进一步改进。即在主轮上增加摩擦轮套，增大轮子的摩擦力；在机器内部增加弹簧减震缓冲结构；在机器外部增加适配窗帘轨道的挂钩；在窗轨上安设弱磁场，通过磁场力对机器进行吸附。

方案编号	方案描述	优点	缺点
1	在装置的重心处增加重物	增加配件与窗轨的压力，提高摩擦力，减少滑动滚动	增加了机器的质量，具有安全隐患
2	通过磁力与轮套吸力，提高装置摩擦力，保证平稳运行	保证机器平稳不滚动	磁场吸力不易稳定
3	组装双弹簧减震装置，达到良好的减震效果	质量较轻，适应各类环境能力较强	疲劳寿命低，抗氧化能力较差
4	在配件上增套摩擦海绵	提高摩擦力，减少滑动滚动	增加成本，技术精度要求高，难以实现
5	在机器顶部安装除尘装置	能够清洁灰尘和异物	增大了机器的体积，安装困难，能耗较高
6	分离缓冲装置	减少了机器本身的复杂结构	使整体的安装变得困难
7	将机器本身合并到窗帘滑杆中	大幅度提高机器本身的稳定性，在所有方案中稳定性最高	安装困难，丢失其本身的简易性优势
8	引入第三场	减少了机器本身的复杂结构，同时减少了窗轨本身的凸槽	能耗较高

（二）方案评价

柔性摩擦轮的增设，减少了机器移动的噪声，同时提高了摩擦力，使移动更加平稳。在机器内部，利用弹簧进行减震稳压的结构设计，保证机器的整体性。在机器外部增加的挂钩配件（如图6），分别适配三种不同的窗帘轨道，在增强机器稳定的同时，也能提高产品适配性、降低安装难度。在窗轨上的弱磁场可以使机器稳定吸附在窗轨上，也在一定程度上增加了安全性。

（三）最终设计方案

本研究采用LD3320语音识别模块实现窗帘的远程控制，使用DS1302时钟芯片实现定时控制。产品中的红外接收探头、语音识别模块，定时芯片等元件直接与单片机连接，在使用相应功能时，不同元件产生不同的电信号，信号传输到单片机中，当单片机检测到相应信号时，产生相应的脉冲信号，从而对步进电机进行控制。其总体控制流程如图7所示。

要实现设计目的，可运用多物+一场的方案。在引入磁场的同时，增设多物进行辅助。在主轮上的柔性摩擦轮可采用压缩海绵，将配件的底部与机器的底部通过弹簧连接，在机器外壳的两侧设置推钮，可形成减震稳压结构，同时还可以实现配件的轻松更换，如图8。在窗轨上铺设磁铁，形成的磁场可以与配件的铁磁滚轮和主轮相吸引，提高装置的安全性。

五、结语

随着中国制造2025的发展，家居智能化应用成为人们的关注焦点。而智能窗帘作为智能家居的一部分，市场前景广阔。但目前市面上多数智能窗帘产品价格昂贵，安装不便，布线困难，维修不及时，使普通大众家庭难以享受智能化带来的舒适环境。本研究采用TRIZ原理进行智能窗帘机器人的创作设计，为智能窗帘行业的发展提供了一种契合市场需求的全新思路。产品采用模块化设计，摒弃冗杂的安装过程，降低成本，且功能全面，兼顾智能化与便捷化，实现轻松安装。产品控制方式多样化，采用集成语音控制模块，使其摆脱主流智能窗帘所适配的单独遥控器，实现语音控制，同时可采用定时控制，红外遥控等多种控制方式。产品采用可充电电池，耗电量低、节能环保，高度契合当下时代智能化，低碳化的生活方式及人们对更高质量生活的追求。产品定位完美贴合当下主流消费大众，发展前景广阔。

参考文献：

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