Технические противоречия задачи. Закон причины и следствия

Административное противоречие

Административное противоречие (АП) звучит так: «надо улучшить систему, но я не знаю как сделать это» . Это противоречие является самым слабым и может быть снято либо изучением дополнительных материалов, либо принятием/снятием административных решений.

В глубине АП лежат технические противоречия (ТП).

Техническое противоречие (ТП): если известными способами улучшить одну часть (или один параметр) технической системы, недопустимо ухудшится другая часть (или другой параметр). Поэтому техническое противоречие звучит так: «улучшение одного параметра системы приводит к ухудшению другого параметра» .

Правильно сформулированное ТП обладает определенной эвристической ценностью. Переход от АП к ТП резко понижает размерность задачи, сужает поле поиска решений и позволяет перейти от метода проб и ошибок к алгоритму (АРИЗ), который либо предлагает применить один или несколько стандартных технических приёмов, либо (в случае сложных задач) указывает на одно или несколько физических противоречий.

Техническое противоречие можно отобразить следующей схемой:

Шаги по формулированию технического противоречия:

Для решения задач, связанных с техническими противоречиями используют:

1) Формулировку Идеальной Системы, что приводит в область сильных решений.

Физическое противоречие

В физическом противоречии (ФП) к одной и той же части системы предъявляются взаимопротивоположные требования. Таким образом, при формулировке физического противоречия «для улучшения системы какая-то её часть должна находиться в разных физических состояниях одновременно, что невозможно» .

В развитии технических систем в соответствии с законами диалектики происходит чередование этапов количественного роста и качественных скачков. В процессе количественного роста в результате неравномерного развития характеристик технической системы появляются противоречия.

Противоречие - проявление несоответствия между разными требованиями, предъявляемыми человеком к системе, и ограничениями, налагаемыми на нее законами природы, социальными, юридическими, и экономическими законами, уровнем развития науки и техники, конкретными условиями применения и тп

Если технический объект создан, то весьма часто ставится задача увеличения его главной полезной функции (ГПФ)Для этого, как правило, требуется усилить какое-либо свойство одного из элементов этого технического объекта. Однако при усилении одних свойств элемента нарушается взаимодействие (согласованность) с другими элементами технической системы, возникает противоречие, то есть источником противоречий является совершенствование, развитие технических объектов.

^ 1)Административное противоречие

Решение любой технической задачи начинается с анализа проблемы. Результатом этого анализа является постановка и формулировка задачи, которую нужно решать.

В проблеме обычно описывается необходимость создания некоторого технического объекта (ТО) для удовлетворения определенной потребности, приводится соответствующая аргументация этой необходимости, описываются функции, которые должен выполнять этот ТО; требования, которые к нему предъявляются.

Если есть потребность в создании продукции с определенными потребительными свойствами, но неизвестно как ее удовлетворить, то возникает проблемная ситуация (ПС).

Описание ПС - это формулирование потребностей, функций, которые нужно выполнитьПроблема заключается в том, что на этом этапе не видно путей, как реализовать выполнение этой функции.

Проблемная ситуация возникает, если нет соответствия между требованиями, предъявляемыми потребителями, и имеющимися техническими возможностями

Г.С. Альтшуллер назвал такие проблемные ситуации административным противоречием

Этому виду противоречий соответствует изобретательская ситуация, включающая в себя целый клубок задач, из которых нужно выбрать именно ту, которую следует решать в первую очередьКаким образом выделить первоочередную задачу среди прочих?

Таким образом, административные противоречия только обозначают проблему и в ряде случаев дают некоторое обоснование ее возникновения.

^ 2)Техническое противоречие

В первоначальной формулировке проблемы формулируются некоторые потребности, функции, которые необходимо выполнить.

Существенно изменить рассматриваемую систему или ее взаимодействие с надсистемой (НС) таким образом, чтобы отпала необходимость в этой потребности, в выполнении этой функции - ПС1; в этом случае формулируется проблема по изменению НС;

Дополнить существующую техническую систему некоторым устройством, которое позволило бы удовлетворить сформулированную потребность - ПС2 (смпример на рис 6.2).

Проблемы могут быть разные.

Стремление улучшить одни характеристики продукции часто приводит к ухудшению других

В проектно-конструкторских и технологических задачах обнаруживается противоречивость многих свойств, например, точность и производительность в технологии обработки материалов; масса, надежность и стоимость; устойчивость и управляемость технических объектов и др.

Например, один из способов увеличения надежности летательных аппаратов (потребность) - создание резервных систем и агрегатовА это приводит к увеличению массы аппарата, что недопустимо, так как увеличиваются затраты на выполнение задания (ГПФ).

Нежелательные эффекты могут быть связаны с тем, что улучшение некоторых потребительных свойств приводит к усложнению ТО и, следовательно, к увеличению факторов расплаты.

Ситуация, когда попытки улучшить одну характеристику (или часть) системы приводит к ухудшению другой ее характеристики (или части), называется техническим противоречием (ТП).

Техническое противоречие появляется часто тогда, когда разработчик пытается каким-либо известным ему способом улучшить один из параметров качества (или функциональное свойство) объекта, но это приводит к недопустимому ухудшению другого, тоже весьма важного параметра качества (или функционального свойства).

^ 3)Физическое противоречие

Как видно из последнего приведенного примера, предлагаемые мероприятия, направленные на повышение производительности токарной обработки, приводят к появлению ряда НЭ.

Проведенный анализ позволяет обнаружить и конкретизировать противоречивость свойств при взаимодействии компонентов рассматриваемой технической системы

Таким образом, для того, чтобы разрешить ТП, формулируются частные задачи, в которых предъявляются несовместимые требования к свойствам отдельных компонентов или взаимодействию между компонентами рассматриваемого объекта.

Совокупность таких требований Ю.ВГорин предложил назвать физическим противоречием (в 1973 г.), подчеркивая, что отношения противоречия перенесены на уровень физических свойств и отношений элементов системы

Г.С. Альтшуллер отмечал: "Стремясь убрать конфликтующие, противоречивые отношения между внешними сторонами технической системы, получим противоречие на уровне внутреннего функционирования системыТакое противоречие, в отличие от технического, называется физическим противоречием (ФП).

Сформулированные в примере 6.7 ФП позволяют наметить минизадачи и, тем самым, определить область поиска возможных решений (табл6.2).

6.4Эвристическая ценность противоречий

В физических противоречиях требования, которые предъявляются к объекту, могут являться следствием различных целей, которые ставит перед собой инженерЭти разные цели и приводят к необходимости реализации в техническом объекте несовместимых свойств (Р и анти-Р).

Кроме того, физические противоречия могут быть связаны с тем, что требуемое свойство не представляется возможным реализовать, так как этому мешает проявление объективных законов природы. То есть научное основание наблюдаемого явления (которое является нежелательным) не согласуется с требованиями, которые предъявляются к рассматриваемому объекту.

Разделить противоречащие свойства в пространстве

Практическая реализация этого приема заключается в том, чтобы разнести в пространстве противоречащие свойства, которыми должен обладать рассматриваемый объект.

Формулирование ФП раскрывает еще два важных аспекта решаемой задачиЭта модель дает возможность выявить оперативную зону и оперативное время.

Оперативная зона (ОЗ) - это пространство, в пределах которого возникает конфликт.

Оперативное время (ОВ) - это момент времени, когда конфликт возникает, а также время до появления конфликта, когда в ТО происходят процессы, подготавливающие этот конфликт.

Определение оперативной зоны и оперативного времени позволяет конкретизировать поставленную задачу.

^ Таким образом, административные (АП), технические (ТП) и физические (ФП) противоречия - это модели задач.

Из приведенных примеров видно, что:

Административные и технические противоречия носят содержательный характер, а по форме они представляют собой описание проблемной ситуации.

Административные противоречия только формулируют проблему в терминах: цель, потребность, функция, нежелательные эффекты.

В ТП противоречие связано с функционированием ТО в целом при выполнении им главной полезной функции (ГПФ)В нем определяется изменяемый параметр, который существенным образом влияет на функциональные свойства технического объектаФормулировка ТП позволяет обозначить направления решения проблемы.

В ФП, как правило, речь идет о компонентах ТО и их взаимодействиях.

В отличие от АП и ТП в физическом противоречии формулируются требования, приводящие к несовместимым свойствам, которыми должен обладать объектРаскрывая суть конфликта, формулировка ФП обладает эвристической ценностью и позволяет наметить приемы поиска решения задачи.

1. 
   Виды технических противоречий при проектировании. Технические противоречия, решаемые при проектировании роботов и РТС.

Решаемые противоречия:

1. 
   Административные (нужно что-то сделать, как – неизвестно.) - лишь констатируют сам факт сложившейся ситуации. Они присутствуют вместе с ситуацией, но не способствуют решению.
2. 
   Технические – отражают конфликт между частями или свойствами системы. Это может быть межранговый конфликт: системы с надсистемой или с подсистемой. Типовые технические противоречия: вес-прочность, точность-стоимость и т.д. (если известными способами улучшить одну часть (или один параметр) технической системы, недопустимо ухудшится другая часть (или другой параметр)). Если присутствуют типовые противоречия, то и присутствуют их типовые решения.
3. 
   Физические противоречия - возникает между параметрами технической системы в каком-либо одном элементе или даже его части. Сформировать пример ФП можно следующим образом: объект должен обладать свойством «А», чтобы выполнять функцию - например, крыло самолета должно быть большим, чтобы поднять самолет, и свойством «не А», чтобы удовлетворять условиям задачи – крыло должно быть маленьким, чтобы уменьшить лобовое сопротивление.

1. 
   Развитие РТС идет в сторону увеличения управляемости (вепольности)

1. 
   Невепольная система превращается в полную вепольную
2. 
   Простые веполи переходят в сложные
3. 
   Увеличивается количество управляемых связей
4. 
   Мобилизация вещественно – полевых ресурсов
5. 
   В веполи вводятся в-ва и поля, позволяющие без существенного усложнения реализовать новые физические эффекты

1. 
   Развитие идет в сторону увеличения степени дробления рабочих органов.

1. 
   Закон перехода

Если эффективность функционирования взаимодействующей системы невозможно повысить путем усиления или форсирования, то это можно сделать путем объединения системы с одной или несколькими другими системами, как однородными, так и разнородными по структуре.

Закон перехода в надсистему формулируется следующим образом: исчерпав ресурсы развития, система объединяется с другой системой, образуя новую, более сложную систему. Механизм такого перехода состоит в объединении двух исходных систем, при этом получают бисистему, или нескольких систем с получением полисистемы. Переход "моно-би-поли" - неизбежный этап в развитии всех технических систем. Дальнейшее развитие би- и полисистем происходит в двух направлениях:

1. Эффективность новых систем может быть повышена увеличением различия между элементами системы. Движение идет от однородных элементов (пачка одинаковых карандашей) к элементам со сдвинутыми характеристиками (набор цветных карандашей), к альтернативным элементам (карандаш и авторучка); к разнородным элементам (карандаш с циркулем), а затем - к инверсным (карандаш с резинкой).

2. Эффективность новых систем повышается развитием связей между элементами. Связь элементов изменяется от "нулевой", т.е. без вещественных связей между элементами, до усиленных межэлементарных (жестких) связей.
Кроме того, при объединении систем может происходить дальнейшее их развитие по линии упрощения. В результате возможны следующие варианты:

1. Система из практически самостоятельных, несвязанных элементов, не изменяющихся при объединении.

2. Система частично изменяемых, согласованных между собой элементов, которые функционируют только вместе и только для в данной системе. Например, отдельные радиоэлементы в микросхеме. Такая система получила полностью свернутой системы.

3. Полностью свернутую систему можно представить как новую моносистему. Ее дальнейшее развитие связано с движение по новому витку спирали. Иногда в качестве новой моноститемы может выступать частично свернутая система.

1. 
   Обобщенные величины и параметры цепей различной физической при-роды. Цепи физической природы, применяемые в роботах.

Обобщенные величины – характеризуют процессы, протекающие в системе (механические, тепловые, и т.д.), и являются переменными, находятся с помощью критериев.

Любой процесс является следствием и имеет причину. Причина – сила, воздействие, реакция.

Параметры

U – воздействие, I – реакция, Q – интеграл от реакции, P – интеграл от воздействия, t – время.

Критерии:

Энергетическое соотношение UI = P

Соотношение интенсивности I = dQ/dt

Соотношения статики U=IR

Соотношения динамики I = d(Uc)/dt; U=dL/dt

1. 
   ^ Законы развития робототехнических систем. Понятие об инверсных бисистемах. Инверсные бисистемы роботов и РТС.

Размеры и возможности современных мини- и микророботов расширяются с удивительной быстротой. К сожалению, разработчики нормативно-методических документов не успевают подготовить своевременные требования и рекомендации. Научно-технический прогресс в робототехнике развивается очень быстрыми темпами.

10. Системы подготовки и управления производством роботов.

1)Более тщательная проработка типовых циклограмм, связанная с выполнением тех процессов.

2)Разработка компоновочных схем, разработка архитектуры, расчет приводов, разработка СПУ.

3)Многократные проверочные расчеты, моделирование.

4)Разработка конструкции.

5)Выбор комплектующих изделий

6)Разработка кинематики, законов движения, высокая точность позиционирования в тяжелых условиях.

7)расчет динамики.

8)Оценка прочности, жесткости конструкции пром. роботов

9)проработка программного обеспечения.

10)Разработка методик контроля тех. хар-к и ускоренных испытаний

11)экспериментальная проверка новых технических решений.

12)оценка изделия на технологичность, метрологичность по показателям стандартизации и унификации.

коэффиц. стандартизации.

13)эстетическая и эргономическая проработка

14)расчеты подтверждающие долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, живучесть.

15)Установка и транспортировка.

16)проверка принятых решений на патентную чистоту и конкурентоспособность.

17)графические мат-лы: чертежи общего вида, СБ, спецификация, деталировка.

18)расчет экономическогоэффекта.
11. Развитие автономных роботов и робототехнических комплексов (РТК) невозможно без развития адаптивных систем управления. Развитие систем управления идет по пути совершенствования их гибкости и обеспечения высокой степени автономности. Как показано на рисунок 1.1, в достижении этих целей можно наметить два разных пути. Считается, что современный роботы является абсолютно автономным, т.к. будучи изначально запрограммированным, он не требует дальнейшего вмешательства в его работу. Из-за ограниченных возможностей чувствительных органов робототехнические системы обладают недостаточной гибкостью в приспособлении к изменению условий эксплуатации. Это, в свою очередь, стимулирует разработку устройств технического зрения. Системы управления обладают достаточной приспосабливаемостью, но лишь при участии человека-оператора. Совершенствование робототехнических систем идет за счет оснащения их чувствительными элементами обратной связи с улучшенными характеристиками. Исследовательские работы в области искусственного интеллекта, датчиков, компьютерного зрения, программирования комплексов компьютеризированного проектирования и производства должны сделать эти системы более универсальными и экономичными. Чтобы уменьшить нагрузку на человека-оператора и повысить эффективность его работы, ведутся интенсивные исследования в области супервизорного управления, человеко-машинного интерфейса и управления компьютерными базами данных. Многие исследования одинаково полезны для совершенствования как роботов, так и систем управления; их цель состоит в снижении затрат на изготовление и расширении области применения. Они связаны также с улучшением методов передачи информации и дальнейшим развитием языков программирования.

Рисунок 1.1– Перспективы совершенствования роботов и
интеллектуальных систем

Как видно из рисунока 1.1 дальнейшее развитие автоматизации будет осуществляться по двум путям: улучшение роботов и улучшение цифровых систем управления, направленных на увеличение автономности и гибкости систем управления.

Для создания оптимальной системы управления, выбора необходимых датчиком и приводов и самого робота необходимо учитывать среду, в которой робот будет функционировать. По среде обитания роботов классифицируют на 5 групп:

1. 
   наземные,
2. 
   водные,
3. 
   воздушные,
4. 
   космические,
5. 
   уникальные.

1. 
   колесные,
2. 
   гусеничные,
3. 
   гибридные,
4. 
   шагающие,
5. 
   прыгающие.

1. 
   надводные,
2. 
   подводные,

1. 
   аэродинамика,
2. 
   аэростатика.

1. 
   Метод обобщенных приемов применительно к проектированию роботов и РТС и их элементов.

1.1 Определение класса по МПК.

1.2 Подбор аналогов

1.3Изучение конструкции и принципа действия наиболее раннего аналога.

1.5Изучение принципа действия конструкции послужившей прототипом для аналога.

Если нет возможности посмотреть конструкции прототипа, то можно восстановить по формуле аналога.

1.6Составление ПСС(параметрических структурных схем) прототипа. При этом необходимо детально рассматривать только те узлы, которые подверглись совершенствованию.

Необходимо выделить отличия она ПСС.

1.7Составление уравнений (модели) улучшаемой хар-ки. Уравнение составляется для аналога и прототипа.

Записать модель с помощью выделенной модели ПСС.

Цель 1 этапа - Получить модель улучшаемой характеристики по сравнению с прототипом.

2 этап : Предварительная формулировка обобщенного приема.

Выполняется анализ отличительной части ПСС.

Используется для формулировки обобщенных приемов описание отличительной части ПСС.

Структурная схема может быть реализована несколькими конструктивными вариантами. Разные конструкции могут иметь одну и ту же структурную схему.Может быть прототип и аналог имеют одну и ту структурную схему тогда метод ОП не применим.

Степень обобщения должна быть мин. Чтобы конструкция анализируемого аналога была бы частным случаем этого обобщения.

3этап. Изучение принципа действия и конструкции 2-ого аналога

3.1Псс 2-ого аналога аналогично в 1 этапе.

^ 4этап. Предварительная формулировка 2-ого обобщенного приема для 2-ого аналога.аналогично 2-ому этапу.

5этап . Осуществление попытки обобщенного приема выявленного в результате анализа 1-ого аналога для совершенствования 2 аналога.

В результате может быть получены ряд новых СС прототипом которых являются либо 1-ый, либо 2-ой аналог.

По ПСС разрабатывается конструктивная реализация

Уточнение или закрепление формулировки 1-ого обобщенного приема.

Новая конструкция.

6этап. Уточнение или закреплениеформулировки 2-ого обощенногоприемапри попыткеего применения для улучшения 2-ого аналога.

Перекрестное применение 1-ог обобщенного приема для улучшения 2-ого аналога и наоборот.

В рез-те: 1) уточнение или закрепление формулировки 2-ого обобщенного приема

2)получение новой 2-ой конструкции.

7этап. Выполнение последовательности операций по предыдущим 5 операциям для 3-ого,4-ого, и т.д. аналогов.

Если n-аналогов то n(n-1) новых конструкций.

8этап. Систематизация обобщенных приемов по теме:

По назначению

По применению

По цели

По элементам конструкции

Одной из центральных проблем роботизации является проблема взаимодействия человека и робота, проблема правильного распределения функций между ними. Человек - творец роботов - неизбежно испытывает на себе многостороннее влияние процесса роботизации физического и умственного труда.

Вопрос о том, какие функции из числа тех, которые должна выполнять система «человек - робот», доверить роботу, а какие оставить человеку, возникает главным образом на этапе анализа и проектирования таких систем. Этот вопрос имеет свою историю. Робототехнику будущего можно представить себе как гармоничное сочетание программных, очувствленных и интеллектуальных роботов, обеспечивающих все более полное удовлетворение потребностей общества. Однако прогнозировать развитие роботов и искусственного интеллекта на длительный период с достаточной точностью пока не представляется возможным. В данном случае мы ограничимся прогнозом на период, который реально обозрим, т. е. в его пределах могут быть практически реализованы те достижения науки и техники, принципиальная осуществимость и экономическая целесообразность которых уже сегодня не вызывает сомнений.

Растущие потребности практики ставят перед робототехникой две основные задачи - дальфнейшее повышение производительности роботов и упрощение их эксплуатации. Решение этих задач связано главным образом со значительным увеличением степени очувствленности и интеллектуальности роботов. Естественно ожидать, что именно в этом направлении будет развиваться робототехника.

Интересен прогноз относительно ожидаемых темпов развертывания работ в области создания и применения роботов различных поколений, опубликованный в 1974 г. в статье «Рынок роботов в США» в международном журнале «Промышленные роботы». В этой статье приводятся выдержки из обширного прогноза, подготовленного фирмой «Кайберфактс» («Кибернетические факты»). Согласно этим данным только в США общая стоимость производства наиболее совершенных программных роботов, а также первых образцов очувствленных роботов составит в 1977 году 33 млн. долларов, а в 1985 году достигнет уже 370 млн. долларов. Что же касается усовершенствованных образцов очувствленных роботов, то стоимость их производства в 1980 году составит 80 млн. долларов, а в 1985 году достигнет 730 млн. долларов. Эти колоссальные цифры, относящиеся только к США, говорят сами за себя.

Каковы же научно-технические предпосылки такого интенсивного ожидаемого развития главным образом роботов второго и третьего поколений?

Прежде всего заметим, что будущее роботов в огромной степени зависит от прогресса в области развития ЭВМ. В самом деле, производительность и универсальность роботов определяются, в основном, программным обеспечением управляющей ЭВМ, быстродействием ее элементов, а также организацией их соединения и взаимодействия или, как теперь принято говорить, архитектурой управляющей ЭВМ.

В будущем управляющие системы роботов второго и третьего поколений будут создаваться на базе параллельно работающих проблемно-ориентированных процессоров, специализированных на решение отдельных классов задач. Эти процессоры могут с помощью метапрограмм надпроблемного типа использоваться для решения интеллектуальных задач. При этом степень специализации процессоров, а также структура метапрограмм должны определяться назначением робота и его функциональными возможностями.

Особенно велики возможности и перспективы распараллеливания процессоров, предназначенных для распознавания зрительных, звуковых и тактильных образов. К числу таких процессоров относятся перцептроны с многослойной структурой, а также однородные среды (сети) нейроподобных элементов.

Возможно появление процессоров, специализирующихся на процессах дедуктивного (логического) вывода (задачи планирования поведения робота и логического анализа ситуаций, вопросно-ответные системы и т. п.). Первые шаги в этом направлении - специализация процессоров на вычислительных, а в последнее время и на некоторых интеллектуальных задачах - уже сделаны.

Наряду с совершенствованием управляющих ЭВМ и их программного обеспечения важное значение для развития робототехники имеет прогресс в области создания искусственных органов чувств и исполнительных систем. В соответствующих разделах книги мы уже отмечали актуальность создания топографического зрения, средств осязания и обоняния, «мускульных» двигателей и т. п. для роботов будущего.

Мы рассмотрели некоторые ближайшие перспективы развития роботов, в которых роль мозга играют специальные управляющие ЭВМ. Однако в отдаленном будущем можно представить себе роботов, реализованных не на электронной, а, скажем, на нейронно-волоконной основе. Сегодня в нервных и мышечных волокнах скрыто еще много секретов, открытие которых позволит создать искусственные волокна с аналогичными свойствами. Например, хорошо известно, что по нервным волокнам, представляющим собой диэлектрики, может свободно распространяться электрический сигнал. Мы знаем, что это, несомненно, имеет место в нервных волокнах, но механизм этого интересного явления пока еще совсем не понят, и воспроизводить его мы не умеем. Когда же эта задача будет решена, то станет возможным создавать логические вычислительные и запоминающие элементы не на электронной, а на биологической основе.

Дальнейший прогресс в области робототехники в значительной степени зависит от понимания того, каким образом мозг «вычисляет» мысли, наши движения «следуют» нашей воле, а генетическая программа «рассчитывает» организм. Ответы на эти вопросы откроют совершенно невиданные перспективы перед робототехникой будущего.

25.Разработка технических требований к проектируемым роботам и РТС. Развитие робототехнических систем в направлении увеличения степени дробления рабочих органов роботов (на примере специализированных роботов).

Типичным является переход от рабочих органов на макроуровне к рабочим органам на микроуровне. Так же можно отметить использование нанотехнологий (нанороботы).
26.Примеры технических задач, решаемых с помощью эффекта "многоступенчатости". Системы с нулевыми связями, частично и полностью "свернутые системы".

Объединение однородных систем

Пример - катамаран объединив два одинаковых корпуса, получили корабль, у которого остойчивость - как у ширококорпусного, а лобовое сопротивление - как у узкокорпусного.

Объединение систем со сдвинутыми характеристиками

Пример: стереопара. Объединение двух плоских изображанеий, отличающихся по углу съемки и цвету, дает новое качество - объемное изображение.

Объединение альтернативных систем

Пример: гвоздь и шуруп. Альтернативное противоречие: гвоздь легко забивать, но он плохо держит, а шуруп держит значительно лучше, но его сложно закручивать. Объединением этих систем является спиральный гвоздь. Его забивают как обычно, но благодаря нарезке он при этом проворачиватся и нарезает канавки, в которых держится почти также хорошо, как шуруп.

^ ТС с "нулевой связью" – система с нулевой связью образуется из неизменившихся в процессе объединения исходных систем, действующих независимо друг от друга. Обычно это родственные системы, просто собранные вместе, чтобы было удобнее ими пользоваться. Пример - аптечка первой помощи

^ Частично свернутые ТС – частично свернутая система образуется из исходных систем, у которых парные однородные элементы свернуты с передачей полезных функций одному из них. Дополнительный выигрыш от объединения систем получается от того, что при этом можно избавится от элементов исходных систем, дублирующих друг друга. В новой системе обычно можно оставить только один из них. Пример - обычный молоток и гвоздодер. Они объединились, но при этом рукоятка гвоздодера, как элемент, дублирующий рукоятку молотка, была свернута, и от гвоздодера в новой системе осталась только вилка

^ Полностью свернутые ТС – полностью свернутая система образуется из исходных систем, все элементы одной из которых свернуты с передачей их полезных функций элементам второй.

27.Принципы проектирования роботов и РТС.
Принципы – это наиболее общие закономерности. При проектировании РТС выделяют следующие принципы.

1. Принцип проектирования по прототипам.

В этом случае объём новизны разработки в отношении прототипа должен составлять 5-10%. Разработки бывают 1. революционные 2. эволюционные.

Прототип – наиболее близкое техническое решение к проекту, причем степень близости критерием существенных признаков (это элементы конструкции и их взаимосвязи).

Аналог – технические решения близкие к проекту по каким-либо отдельным группам существенных признаков.

2. Разработка конструкции смещается в сторону более ранних стадий проектирования, что позволяет получить более ранний достоверный результат с помощью моделирования.

3. При разработке повышается роль и значимость количественных оценок, приведенных в техническом задании.

4. Проектировщик должен учитывать достижения полученные в смежных областях.

5. Многофункциональность и живучесть. Разработка техники ведется с целью повышения надежности и долговечности, а так же увеличения функциональных возможностей.
28.Разработка технических требований к проектируемым роботам и РТС. Законы развития робототехнических систем. Закон перехода в надсистему различных подсистем роботов и РТС.

Технические требования можно разбить на три группы.

1. 
   Эксплуатационные характеристики. К ним относятся такие характеристики как ремонтопригодность, надежность по различным параметрам, быстродействие работы и т.д.
2. 
   Технологические характеристики. К ним относятся например массогабаритные показатели системы.
3. 
   Метрологические характеристики. Это могут быть расчет относительной погрешности, приведенной погрешности, точность работы системы и т.д.

Законы развития РТС. 1. Развитие РТС идет в направление увеличения управляемости (увеличения вепольности).

– Невепольная (неполновепольная) система переходит в полно вепольную.

– Простые переходят в сложные.

– Увеличение кол-ва управляемых связей.

– Мобилизация вещественнополевых ресурсов.

– Вводятся вещества и поля, которые позволяют без существенного усложнения системы реализовать новые физич. эффекты, расширить функциональные фозможности системы.

2. Развитие РТС идет в направление увеличения степени дробления рабочих органов.

3.Закон повышение идеальности. Идеальность повышается в «операторной зоны», а за ее пределами может и ухудшиться. Грамоздкое и тяжелое оборудование вытесняется за пределы «операторной зоны». Происходит не просто механическое вытеснение но и упрощение.

4. Закон перехода в надсистему.

Исчерпав ресурсы развития следующим этапом существования системы может быть объединение с другой системой, в результате чего образуется новая более сложная система, обладающая новыми свойствами. Исходная моносистема сдваиваясь преобразуется в бисистему или полисистему. При сдваивании возникает внутренняя среда или условия для ее возникновения, так же появляется эффект свертывания.
29.Разработка технического задания на проектирование роботов и РТС на основе анализа предметной области и общих технических требований к рассматриваемому технологическому процессу и оборудованию.

Чтобы разработать техническое задание необходимо сначала определить тему проекта. После этого нужно исследовать и проанализировать область применения системы, т.е. определить для чего может использоваться рассматриваемая система, в каких условиях система будет эксплуатироваться. На основе этого составляются общие технические требования. Далее проводятся патентные исследования по теме проекта заключающиеся в определение основного и смежного класса МПК, составление списка патентов по теме проекта, анализе динамики патентования. Из полученного списка патентов на основе раннее составленных общих технических требований выбираются аналоги. Далее проводится анализ и критика аналогов, то есть определяются их недостатки. В результате анализа недостатков разрабатывается ТЗ.

30.Алгоритм разработки динамических математических моделей устройств и агрегатов роботов по энерго-инфомационному методу.

Основы энерго-инфомационного метода по составлению ММ берутся из:

1. 
   законов термодинамики и мехпники
2. 
   теории электрических и магнитных цепей
3. 
   структурные методы ТАУ

Обобщенные величины – они характеризуют процессы протекающие в системе (мех, элек, тепл, магн).ОВ являются переменными, т.е. зависят от времени.

Обобщенные параметры – с помощью них описываются свойства системы кА физического устройства. В описание входят физич константы и геометр размеры. ОП являются неизменными для данной системы при отсутствии внешнего воздействия.

Алгоритм разработки ММ:

^ Обобщенные величины - характеризуют процессы протекающие в системе (механической, тепловой и тд.). являются переменными и находятся с помощью критериев.

Любой процесс является следствием и имеет причину.

Причина-сила, возмущение, следствие, реакция.

^ Обобщенные параметры - с помощью них описывается свойства системы как физического устройства. В описание входят: физические константы и геометрические размеры рассматриваемой системы. Параметры являются неизменными для данной системы при отсутствии воздействий систем другой физической природы.

Критерии :

1. 
   критерий энергетического соотношения UI=P
2. 
   соотношение интенсивности I=dQ/dt реакция является производной от заряда
3. 
   Соотношение статики U=IR, R определяет нагрев
4. 
   Соотношение динамики I=dUC/dt=C(du/dt), C константа
5. 
   2-е Соотношение динамики U=dIL/dt=L(dI/dt), L константа

Целью обследования объекта является совместная разработка технических требований к проекту. На основе этой информации предлагается будущее решение, для новых решений создается концепция. После обсуждения с Заказчиком предлагаемой концепции, выполняется ориентировочная оценка планируемых сроков его реализации и необходимого бюджета.

^ 4 группы технических требований:

1) метрологические характеристики

2) эксплуатационные характеристики

3) технологические характеристики

4) экономические характеристики

^ Законы развития робототехнических систем

1)Развитие ТС идет в направление увеличения управляемости(увеличении вепольности): 1. невепольная (неполная вепольная) превращается в полную вепольную; 2. простые веполи переходят в сложные; 3. увеличения количества управляемых связей; 4. Мобилизация вещественно-полевых ресурсов (ВПР) за счет более полного использования имеющихся и применение «даровых» вещественных полей; 5. В веполи вводятся вещества и поля, которые позволяют без существенного усложнения реализовывать новые физические явления, расширить функциональные возможности.

2) Развитие ТС идет в направление увеличения степени дробления(дисперсности) рабочих органов.

Типичен переход РО на макроуровне к РО на микроуровне.

3)Закон увеличения степени идеальности системы

Техническая система в своём развитии приближается к идеальности. Достигнув идеала, система должна исчезнуть, а её функция продолжать выполняться.

Основные пути приближения к идеалу:

Повышение количества выполняемых функций,

-«свертывание» в рабочий орган,

Переход в надсистему.

При приближении к идеалу техническая система вначале борется с силами природы, затем приспосабливается к ним и, наконец, использует их для своих целей.Закон увеличения идеальности наиболее эффективно применяется к тому элементу, который непосредственно расположен в зоне возникновения конфликта или сам порождает нежелательные явления. При этом повышение степени идеальности, как правило, осуществляется применением незадействованных ранее ресурсов (веществ, полей), имеющихся в зоне возникновения задачи. Чем дальше от зоны возникновения конфликта будут взяты ресурсы, тем в меньшей степени удастся продвинуться к идеалу.

4) Закон переход над систему.

Исчерпав ресурсы развития система объединяется с другой системой, образуя новую более сложную. Исходная моносистема сдваивается, преобразовывается в бисистему (или полисистему). Главные особенности полиситем:1. возникает внутренняя среда(или условия для ее возгикновения);2. в би- и полисистемах может быть получен эффект многоступенчатости.3. эффект свертывания;4. эффект сдваивания на основе не родственных систем.

Общая схема развития ТС
По спирали

40. Применение методов: "Ликвидация тупиковых ситуаций", "Поиск новых взаимосвязей", "Правила преобразований" при проектировании роботов, РТС и их элементов.
Цель: найти новое направление поиска, если очевидная область поиска не дала решения.

Способы:

1. Правило преобразований, которому можно подвергнуть неудовлетворительное решение.

2. Поиск новых взаимосвязей между частями, имеющими неудовлетворительное решение.

3. Переоценка проектных ситуаций.
Правило преобразований

Преобразования:

• 
  использовать по другому назначению
• 
  усилить/ослабить связи
• 
  приспособить/заменить/перекомпановать

Испариться: исчезнуть, скрыться, улетучиться, выветриться, рассосаться.

Скрыться – перфорированный настил

Улетучиться – отсасывание

Рассосаться – пористое покрытие.
^ Поиск новых взаимосвязей

Метод принудительных отношений. По этому методу осуществляется поиск ассоциаций путем попарного сопоставления проектируемых устройств.

Пример: улучшение телефона.

Функциональные элементы: трубка, наборный диск, микрофон, наушники.

Анализируются различные варианты сочетания всех этих элементов, перемена их местами, перемена их размеров.

Данный метод эффективен при разработке дизайна.

^ 41. Основные этапы проектирования робототехнической системы. Виды проектной документации.
Этапы:

1. подбор описаний изобретений из заданного класса по теме проекта

1.1 определение класса по МПК

1.3 изучение конструкции и принципа действия первого, наиболее раннего аналога

1.4 составление параметрической структурной схемы (ПСС) этой физической модели

1.5 изучения принципа действия конструкции, послужившей прототипом (если нет оригинала патента, то надо изучить принцип действия по формуле изобретения аналога)

1.6 составление ПСС прототипа (детально рассмотреть только те узлы, которые подверглись совершенствованию). Выделить участок на ПСС, который изменился

1.7 составление уравнений (модели) улучшаемой характеристики. Уравнение составляется для аналога и для прототипа.

2. предварительная формулировка обобщенного приема. Выполняется анализ отличительной части ПСС

3. изучение принципа действия и конструкцию второго аналога (аналогично этапу №1)

4. предварительная формулировка второго обобщенного приема для второго аналога (аналогично этапу №2)

5. осуществление попытки реализации обобщенного приема, выявленного в результате анализа первого аналога для совершенствования второго аналога.

5.1 Составляется ряд новых ПСС, прототипом которых является либо первый, либо второй аналог.

5.2 По ПСС разрабатывается вариант конструктивной реализации, из чего следует: 1) уточнение/закрепление формулировки первого обобщенного приема; 2) получение конструкции

6. уточнение/закрепление формулировки первого обобщенного приема при попытке его применения для улучшения второго аналога (перекрестное применение).

6.1, 6.2 так же как 5.1, 5.2

7. выполнение последовательности операций предыдущих 5 этапов относительно 3,4, … аналогов. Если имеем n аналогов, то n (n -1) новых конструкций

8. систематизация обобщенных приемов

43.Синектика

В условиях применения метода синектики следует избегать преждевременной четкой формулировки проблемы (творческой задачи), так как это нейтрализует дальнейший поиск решения. Обсуждение целесообразно начинать не с самой задачи (проблемы), а с анализа некоторых общих признаков, которые как бы вводят в ситуацию постановки проблемы, неоднократно уточняя ее смысл.
Не следует останавливаться при выдвижении идеи, если даже кажется, что уже найдена оригинальная идея и что задача уже решена. Если проблема (творческая задача) не решается, то целесообразно вновь вернуться к анализу ситуации, порождающей проблему, или раздробить проблему на подпроблемы.
В процессе применения метода синектики большое внимание уделяется использованию метода аналогий. Аналогия используется в самых различных видах: как личная (эмпатия), прямая, фантастическая и символическая. Символическая аналогия, например, приняла форму конкретного приема определенного поиска названия, характеризующего в парадоксальной форме определенное понятие.

Синектика (3.11). Наиболее эффективная из созданных за рубежом методик психологической активизации творчества - синектика (предложена В. Дж. Гордоном), которая является развитием и усовершенствованием метода мозгового штурма .При синектическом штурме допустима критика, которая позволяет развивать и видоизменять высказанные идеи. Этот штурм ведет постоянная группа. Её члены постепенно привыкают к совместной работе, перестают бояться критики, не обижаются, когда кто-то отвергает их предложения.
44. ^

45^ . Принципы проектирования робото в .

1 принип пр. по прототипу 5- 10 проц новизны.прототип наиболее близкий техн реш. Степень близости определяется критериями сущ. Признаков. Аналог- техн решение которое по неск группам признаков близка к проекту.

2. отработка онструкций смещается в сторону более ранних стадий проектирования.

Более ранний результато полезности изобретения позволяет достигнуть этот принцип.

3 повышение роли в значимости количественных оценок.

4 . разработка должна использовать положительны свойцства смежных областей.

5. многофункциональность живучесть разраб. С целью повышения надежости и долговечности.
46. ^ Переоценка проектной ситуации . Поставленный в тупик проектировщик пишет предложение, характеризующее его затруднение и для каждого слова ищет его синоним.

Например: при обработке вызывают несовпадение двух поверхностей.Допустим при обработке заменяют на неровности сварного шва. Несовмещение заменяют на зазор 2 поверхности на две плоскости и поверхность на плосость

47. ^ Эвристические методы решения творческих задач - это система принципов и правил, которые задают наиболее вероятностные стратегии и тактики деятельности решающего, стимулирующие его интуитивное мышление в процессе решения, генерирование новых идей и на этой основе существенно повышающие эффективность решения определенного класса творческих задач. Правила решения творческих задач также часто называют эвристическими правилами, а отдельно взятое правило, прием решения творческой задачи часто называют эвристикой. о продуктивности эвристик и эвристических правил в решении творческих задач хорошо знают изобретатели и рационализаторы. Однако и они часто их используют стихийно. А это чрезвычайно затрудняет их практическое применение. Поэтому обучение решению творческих задач и в школьной, и в вузовской практике в основном осуществлялось методом проб и ошибок, то есть далеко не лучшим образом. Правда, как в отечественной практике в работах Г. С. Альтшуллера, Г. Я. Буша, так и в зарубежной практике имеются серьезные попытки описать эти методические рекомендации в применении к изобретателям, например, метод "мозгового штурма", метод синектики и др. Но эти методические рекомендации, если их сформулировать в виде правил, могут найти самое широкое применение и в деятельности менеджера – современного руководителя.

48. Агрегатно-модульный промышленный робот -робот, в котором используют

исполнительные модули. составные части промышленных роботов,автооператоров:

Исполнительное устройство -устройство, выполняющее все его дви-

Гательные функции. Исполнительный модуль промышленного робота - агрегат, входящий в унифицированный набор, или образуемый из деталей и узлов этого набора, способный самостоятельно выполнять функцию реализации движений по од- ной или нескольким степеням подвижности промышленного робота.

^ 49 Упорядочный поиск

Цель: решать задачу проектирования логической достоверностью

1. 
   Выявить компоненты задачи
   1. 
      переменные которые проектировщик может распоряжатся по своему усмотрению(это факторы решения или параметры пр-я)
   2. 
      переменные, которые зависят от воли проектировщика (факторы окр среды) или независимых переменных
   3. 
      Пер-е которые должны определяться проектом(цели и зависимые переменные)
   4. 
      Назначить целям веса в соответствии с их отл-ой важностью
2. 
   Выявить зависимости м/д переменными
3. 
   Прогнозировать вероятные значения факторов окр. Среды
4. 
   Выявить ограничения или граничные условия, т.е. предельные значения всех переменных.
5. 
   Присвоить числовые значения каждому из факторов решения(проверить ряд вариантов реш-я проекта). Вычислить значения зависимых переменных (рассчитать получаемые при этом технические хар-ки)
6. 
   Выбрать такие значения факторов решений при которых достигается макс. Сумма числовых значений для всех целей с учетом их весов (т.е выбор оптимального варианта проекта по крайней мере достигается приемлемое значения для каждой из целей)

52

1. 
   Основные требования ГОСТов ЕСКД к оформлению текстовой доку ментации. Особенности документации на проекты роботов и РТС.

1. 
   Стадия проектирования Технический проект". Особенности этой стадии при проектировании роботов и РТС.

3. Тех. Проект, 4. Разработка Конструкторской Документации.

Технический проект – это совокупность тех. документации которая должна содержать окончательное тех. решение дающее полное представление об проектируемом устройстве. Тех. Проект представляет собой основу, исходный материал для разработки конструкторской документации. Так же в ТПроекте предусматривается разработка и испытание макетов.

При проектирование роботов и РТС должны учитываться:

1. 
   Большое внимание уделяется разработке компановачных схем и архитектуре ПР и РТС.
2. 
   Многократные проверочные расчеты и моделирование.
3. 
   разработка конструкции
4. 
   выбор комплектующих
5. 
   разработка кинематических схем обеспечивающих высокую точность позиционирования
6. 
   расчет динамики ПР (+расчет по ТАУ)
7. 
   оценка жесткости/прочности основных узлов и элементов ПР
8. 
   проработка ПО
9. 
   разработка методик контроля технических характеристик и ускоренных испытаний
10. 
    экспериментальная проверка новых техн. решений (макеты, ПО)
11. 
    оценка изделия на технологичность и метрологичность по показателям стандартизации и унификации.
12. 
    эрганомическая и эстетическая проработка.
13. 
    расчеты подтверждающие долговечность, ремонтопригодность, сопротивляемость, живучесть.
14. 
    разработка сборочных чертежей, спецификаций, деталировок
15. 
    проверка изделия на патентную чистоту и конкурентоспособность.
16. 
    расчет ожидаемого годового дохода, окупаемость.

1. 
   Алгоритм разработки динамических математических моделей устройств и агрегатов роботов по энерго-инфомационному методу.

обобщенные величины – величины которые описывают процесс. Представляют собой ф-цию времени, хар-ет изменения которые протекают в системе. обобщенные параметры – хар-ют саму систему и определяют через неё геометрические размеры и физические константы, имеют относительно постоянные значения. В данном методе преимущественно за основу выбираются эл. процессы, это обуславливается следующим: 1. Мат. аппарат создавался в сер. ХХ века и явл. современным и хорошо проработанным.

2. Эл. процессы можно передавать на большие расстояния. 3. Очень большой диапазон преобразований. 4. Возможность преобразовать как аналоговый сигнал так и цифровой.

Критерии преобразования обобщ. величин и параметров.

1. 
   энергетический «воздействия - реакция»

2. «заряд - реакция»

3. «воздействие - импульс»

4. коэффициент пропорциональности «сопротивление»

R = U/I, G = 1/R

^ 70. Агрегатно-модульный принцип построения роботов и РТС

Предполагает создание роботов на базе группы унифицированных узлов или модулей.

Преимущества:

Возможность построения специальных и специализированных роботов для конкретной технологической операции, не обладающих избыточностью функций и потому более дешевых по сравнению с универсальными роботами

Сокращение времени и трудоемкости проектирования специальных роботов, так как они создаются на базе унифицированных узлов, номенклатура которых может пополнятся

Повышение надежности вследствие отработанности входящих в него унифицированных узлов и отсутствия избыточности

Удешевление производства роботов вследствие ограниченности номенклатуры деталей и узлов и, следовательно, повышение серийности выпуска

Улучшение условий эксплуатации и ремонта роботов вследствие уменьшения разнообразия конструкций узлов и деталей

Сокращение сроков подготовки обслуживающего персонала

Недостатки: отказ в некоторых случаях от более выгодных конструктивных решений в пользу менее выгодных, но соответствующих принципу агрегатного построения, увеличение габаритов и массы конструкции, увеличение числа стыков, что повышает трудоемкость сборки роботов, снижает жесткость и точность

Классификация:

1)по специализации и компоновке: на базе одной принципиальной компоновочной схемы (однотипные роботы различия в размерах, грузоподъемности, системами управления, различными типами приводов); несколько различных компоновочных схем (многотипные – различаются видом системы координат, формой и размерами рабочих зон, грузоподъемностью и другими признаками)

2) по характеру и числу технических показателей: с неизменными значениями основных технический показателей, с ограниченным диапазоном основных ТП, с широким диапазоном основных ТП

3) по типу системы управления: су одного типа, различных типов.

1. 
   ^ Уровни технических решений применяемых при проектировании роботов и РТС. Примеры.

Изобретение: новизна, достоверность, полезность.

5 уровней технических решений:

1. изобретения, не связанные с решением противоречий(тривиальные изобретения).Оценивается уровень изобретения по кол-ву вариантов.(пример. Прочность:толщина)

2. изобретения, решающие технические противоречия с помощью способов, известных в родственных схемах(пример. Задачи для токарных станков решаються способами для сверлильных станков)

3. противоречия и способы их решения –в пределах одной науки.

“средние изобретения”

4. новая отрасль науки

Попытаемся решить задачу о дождевателе обычными приемами. Нужно втрое увеличить размах крыльев; что ж, сделать трехсотметровую ферму технически вполне осуществимо. Что мы при этом проиграем? Возрастет вес. Если размах крыльев увеличить втрое, ферма станет тяжелее в 27 раз.

У машин и механизмов (вообще у технических объектов) есть несколько важнейших показателей, характеризующих степень их совершенства: вес, габариты, мощность, надежность и др. Между этими показателями существуют определенные взаимозависимости. Скажем, на одну единицу мощности требуется определенный вес конструкции. Чтобы увеличить одии из показателей уже известными в данной отрасли техники путями, приходится «платить» ухудшением другого.

Вот типичный пример из авиаконструкторской практики: «Увеличение в 2 раза площади вертикального оперения одного из типов самолетов уменьшило амплитуду колебаний самолета всего лишь на 50%. Но это, в свою очередь, повысило восприимчивость самолета к порывам ветра, увеличило лобовое сопротивление, утяжелило конструкцию самолета, -что выдвинуло дополнительные сложные задачи К

Конструктор, учитывая конкретные условия, выбирает наиболее благоприятное сочетание характеристик: что-то выигрывает, а что-то проигрывает. «Когда вы обдумываете решение и технические условия,- говорит известный авиаконструктор О. Антонов,- которые, может быть, и не будут никогда записаны на бумаге, выделите самое главное. Только в крайнем случае, если что-нибудь не удается выполнить, идите к допустимому. Допустимое - это некоторое невыполнение заданных технических условий, так сказать, компромиссное решение. Предположим, конструируя самолет, вы выполните требования по грузоподъемности и скорости, но у вас немножко не выйдет с длиной разбега. Тогда вы начнете взвешивать эти три важных требования и, возможно, несколько поступитесь разбегом - пусть разбег будет не 500, а 550 метров, зато все остальные качества будут достигнуты. Это как раз то, что допустимо».

Академик А. Н. Крылов в своих воспоминаниях рассказывает о таком эпизоде. В 1924 году ученый работал в составе советско-французской комиссии, осматривавшей в гавани Бизерты русские военные корабли, уведенные туда Врангелем. Здесь бок о бок с русским эсминцем стоял эсминец французский - примерно того же возраста и размеров. Разница в боевой мощи кораблей была настолько велика, что адмирал Буи - председатель комиссии- не выдержал и воскликнул: «У вас пушки, а у нас пукалки! Каким образом вы достигли такой разницы в вооружении эсминцев?» Крылов ответил так: «Взгляните, адмирал, на палубу: кроме стрингера, в котором вся крепость, все остальное, представляющее как бы крышу, проржавело почти насквозь, трубы, их кожухи, рубки и т. п.- все изношено. Посмотрите на ваш эсминец, на нем все как новенькое, правда, наш миноносец шесть лет без ухода и без окраски, но не в этом главная суть. Ваш миноносец построен из обыкновенной стали и на нем взято расчетное напряжение в 7 кг на 1 мм2, как будто бы это был коммерческий корабль, который должен служить не менее 24 лет. Hauf построен целиком из стали высокого сопротивления, напряжение допущено в 12 кг и больше - местами по 23 кг/мм2. Миноносец строится на 10-12 лет, ибо за это время он успевает настолько устареть, что не представляет более истинной боевой силы. Весь выигрыш в весе корпуса и употреблен на усиление боевого вооружения, и вы видите, что в артиллерийском бою наш миноносец разнесет вдребезги, по меньшей мере, четыре, т. е. дивизию ваших, раньше, чем они приблизятся на дальность выстрела своих пукалок». «Как это просто!» - сказал адмирал»2.

Искусство конструктора во многом зависит от умения определить, что надо выиграть и чем можно за это поступиться. Изобретательское творчество состоит в том, чтобы найти такой путь, при котором уступки вообще не требуется (или она непропорционально мала по сравнению с получаемым результатом).

Предположим, для ускорения погрузки-разгрузки на необорудованных аэродромах необходимо создать портативное подъемное устройство, монтируемое на тяжелых транспортных самолетах. Такую задачу вполне можно решить уже имеющимися в современной технике средствами. Основываясь на общих принципах конструирования подъемных устройств и используя, скажем, опыт создания легких автокранов, квалифицированный конструктор в состоянии спроектировать требуемое устройство. Понятно, что это увеличит в той или иной мере «мертвый вес самолета. Выигрывая в одном, конструктор одновременно проигрывает в чем-то другом. Зачастую с этим можно смириться, и задача конструктора сводится к тому, чтобы побольше выиграть и поменьше проиграть.

Необходимость в изобретении возникает в тех случаях, когда задача содержит дополнительное требование: выиграть и… ничего не проиграть. Например, подъемное устройство должно быть достаточно мощным и в то же время не должно утяжелять самолет. Решить эту задачу известными приемами невозможно: даже лучшие передвижные краны имеют немалый вес. Здесь нужен новый подход, нужно изобретение.

Таким образом, обычная задача переходит в разряд изобретательских в тех случаях, когда необходимым условием ее решения является устранение технического противоречия.

Нетрудно создать новую машину, игнорируя технические противоречия. Но тогда машина окажется неработоспособной и нежизненной.

Всегда ли изобретение состоит в устранении технического противоречия?

Надо сказать, что существуют два понятия «изобретение»- правовое (патентное) и техническое. Правовой понятие различно в разных странах, к тому же оно чаете! меняется.

Правовое понятие стремится возможно точнее отразить границы, в которых в данный момент экономически целесообразна юридическая защита новых инженерных конструкций. Для технического же понятия важны не столько эти границы, сколько сердцевина изобретения, его исторически устойчивая сущность.

С точки зрения инженера, создание нового изобретения всегда сводится к преодолению (полному или частичному) технического противоречия.

Возникновение и преодоление противоречия - одна из главных особенностей технического прогресса. Анализируя развитие мельниц, Маркс писал в «Капитале»: «Увеличение размеров рабочей машины и количества ее одновременно действующих орудий требует более крупного двигательного механизма… Уже в XVIII веке была сделана попытка приводить в движение два бегуна и два же постава посредством одного водяного колеса. Но увеличение размеров передаточного механизма вступило в конфликт с недостаточной силой воды…»

Это яркий пример технического противоречия: попытка улучшить какое-либо свойство машины вступает в конфликт с другим ее свойством.

Многочисленные примеры технических противоречий приводит Фридрих Энгельс в статье «История винтовки» В сущности, вся эта статья представляет собой анализ внутренних противоречий, определяющих историческое развитие винтовки. Энгельс показывает, например, что с» момента появления винтовки и до изобретения винтовок, заряжающихся с казенной части, главное противоречие состояло в том, что для усиления огневых свойств требовалось укорачивание ствола (заряжение производилось со ствола и при коротком стволе облегчалось), а для усиления «штыковых» свойств винтовки нужно было, наоборот, удлинять ствол. Эти противоречивые качества были соединены в винтовке, заряжающейся с казенной части.

Вот несколько задач из разных отраслей техники, содержащих технические противоречия. Задачи эти не придуманы автором, а взяты из газет, журналов, книг.

Горное дело

С давних пор для изоляции района подземного пожара шахтеры возводят перемычки - Специальные стенки из кирпича, бетона или брусчатки. Сооружение перемычек сильно осложняется, если в шахте выделяются газы. В таком случае перемычку нужно делать герметичной, тщательно заделывать каждую щелку, и все это под постоянной угрозой взрыва. Чтобы уберечься, горняки стали сооружать по две перемычки. Первую - временную- кладут наспех. Она пропускает воздух и служит лишь баррикадой, под прикрытием которой можно, уже не торопясь, сооружать вторую, постоянную. Таким образом, горняки выиграли в безопасности, но проиграли в трудоемкости.

Химическая технология

При повышении давления скорость синтеза увеличивается и, следовательно, растет производительность колонны синтеза. Но одновременно увеличивается расход энергии на сжатие данного количества газа: по конструктивным соображениям приходится ограничивать размеры аппаратов и, следовательно, их мощность. Увеличиваются растворимость $зотоводородной смеси в жидком аммиаке и ее потери.

Электроника

Современная электроника столкнулась с серьезной дилеммой: с одной стороны, непрерывно повышаются требования к рабочим характеристикам и, соответственно, усложняются электронные системы; с другой стороны, все более ужесточаются ограничения габаритов, веса и потребляемой мощности… Такое же, а может быть, и большее значение имеют проблемы надежности, вызванные возросшей сложностью аппаратуры.

Радиотехника

У антенны радиотелескопа есть две основные характеристики- чувствительность и разрешающая способность. Чем больше площадь антенны, тем выше чувствительность телескопа и тем дальше он может заглянуть в глубины Вселенной. Разрешающая способность - это «острота зрения» телескопа. Она показывает, насколько хорошо аппарат различает два разных источника излу-

чения, находящихся на небольшом угловом расстоянии друг от друга. Кроме того, большой «радиоглаз» должен охватывать своим взглядом возможно большую часть неба. Для этого антенна должна быть подвижной. Но перемещать громоздкую антенну, сохраняя ее форму неизменной с точностью до миллиметров, очень трудно. Пока не разрешено это противоречие, конструирование телескопов идет по двум направлениям: либо строятся очень большие, но неподвижные антенны, либо подвижные и относительно небольшие.

Моторостроение

Механизм клапанного газораспределения состоит в основном из деталей, движущихся возвратно-поступательно. Увеличить число оборотов двигателя - значит увеличить инерционные нагрузки. Чтобы этого избежать, стараются уменьшить массу возвратно-движущихся деталей, для чего клапанный механизм помещают непосредственно в блоке цилиндров. Но камера сгорания при этом становится сплющенной, щелевидной, с большой поверхностью теплоотдачи. В этом одно из противоречий: увеличение числа оборотов при нижнем расположении клапанов приводит к увеличению мощности и экономичности, щелевидная же камера сводит весь выигрыш на нет.

Сельскохозяйственное машиностроение

Есть такое понятие - мощность на крюке». Это та часть мощности тракторного двигателя, которая может фактически выполнять полезную работу. Показатель этой мощности для данного трактора зависит в первую очередь от сцепных свойств его движителей (колес или гусениц) и от сцепного веса машины. Мощная, но легкая машина при больших нагрузках буксует, поэтому для выполнения полезной работы может быть использована лишь небольшая часть мощности тракторного двигателя. Тяжелые тракторы лучше сцепляются с почвой, но значительная часть энергии их двигателя тратится на перемещение собственного веса по полю… Конструкторы облегчают машину и повышают ее мощность. А в процессе эксплуатации начинается движение в обратную сторону, так как снижение веса означает ухудшение сцепных свойств, то есть уменьшение эффективной мощности на

крюке. Вот и приходится на месте утяжелять машину - ставить на колеса чугунные диски, делать уширители на гусеницах и колесах, сводя на нет достижения конструкторов.

Автомобилестроение

Стоит увеличить мощность двигателя, не применив каких-то новых конструктивных решений, увеличатся его вес и расход топлива. Значит, и несущая система (рама, кузов) автомобиля должна быть более мощной, тяжелой, а места для пассажиров остается меньше.

Мягкие шины обеспечивают спокойствие хода, автомобиль плывет по неровной дороге, как челн. Но чем меньше давление в шинах, тем больше сопротивление дороги, тем меньше скорость. Можно сделать автомобиль, который будет низким и устойчивым, но он не пройдет по плохой дороге. Конструктор находит золотую середину, взвешивает, каким из качеств автомобиля можно пренебречь, а какое - выдвинуть на первый план.

Судостроение

При проектировании корпуса яхты необходимо учитывать три основных требования: 1) минимальное сопротивление формы корпуса, 2) минимальное сопротивление трения, 3) максимальная остойчивость.

Эти требования взаимно противоречивы. Узкая, длинная яхта имеет малое сопротивление формы, но она малоостойчивая, не может нести достаточно большой парусности. Повышение остойчивости путем увеличения веса балласта сопровождается одновременным увеличением осадки и, следовательно, увеличением сопротивления трения. Увеличение остойчивости путем увеличения ширины корпуса вызывает увеличение сопротивления формы корпуса. Задача конструктора состоит в отыскании «золотой середины», в примирении противоречивых условий конструирования2.

Самолетостроение

У главного конструктора рождается идея. Ну, скажем, нужен самолет для перевозки крупногабаритных и тяже-

лых грузов; необходимо обеспечить удобство и быстроту погрузки. Для этой цели требуется, чтобы фюзеляж, вместительный и обтекаемый, на стоянке был как можно ближе к земле, значит, необходимо низкое шасси, его легче убрать в фюзеляж.

Вес полезной нагрузки определяет вес конструкции, и все вместе - мощность и число двигателей. Если двигатели турбовинтовые, их устанавливают на крыле, и крыло должно быть поднято так, чтобы пропеллеры не задевали за бетон. Еще деталь ясна: крыло нужно положить сверху фюзеляжа.

Это только первый шаг проекта. Множество различных требований постепенно уточняют «лицо» будущего самолета. Необходимость хороших взлетных и посадочных свойств на грунтовых аэродромах ведет к применению объемных пневматиков с низким давлением, прямого крыла с мощной аэродинамической механизацией.

В этом случае, правда, не может быть получена очень большая скорость, но в угоду другим важным качествам конструктору приходится искать разумный компромисс К

По положению изобретение должно обладать «существенной новизной». Но что означает слово «существенна я»? В «Указаниях по методике экспертизы заявок на изобретения» сказано так: «Существенная новизна в решении технической задачи характеризуется тем, что это решение имеет новые, не известные ранее признаки, сообщающие объекту изобретения. (устройству, способу, веществу) новые свойства, создающие положительный эффект». С незначительными вариациями такое определение применяется уже десятки лет и приводит к бесчисленным спорам по заявкам. Новизна, говорится в определении, это наличие новых свойств. Но что считать новыми свойствами? На этот счет нет точных указаний. И получается: новизна - это, когда есть новизна…

На практике «существенная новизна» неизбежно сводится к понятию «существенное изменение» (по сравнению с прототипом) и далее к понятию «значительное изменение». Много изменил - есть изобретение, мало изменил- нет изобретения. Причем «много» или «мало» определяется в конечном счете личным мнением эксперта.

Между тем существует объективный критерий: изобретение- это устранение технического противоречия. Используя этот критерий, мржно в значительной мере объективизировать экспертизу заявок.

Обратимся к конкретному примеру.

В журнале «Изобретатель и рационализатор» была опубликована статья эксперта Е. Немировского «Что такое изобретение?». В ней автор привел эпизод из личной практики.

Два инженера разработали конструкцию самонаклада для подачи в машину переплетных крышек. «Рассматривая эту заявку,- пишет эксперт,- я вспомнил о таком же примерно устройстве, имеющемся в одном из немецких патентов. Единственное различие состоит в том, что наши изобретатели установили стенки стапельной коробки на расстояние, меньшее длины переплетной крышки… Я счел это отличие несущественным и подготовил проект решения об отказе в выдаче авторского свидетельства».

Здесь все характерно. Это классический пример метода сравнения. Эксперта не интересует, зачем сделаны изменения, какие при этом получаются результаты. Нет, действует принцип формального сравнения. Эксперт отыскивает прототип. Изменение кажется ему несущественным: подумаешь, изменили какую-то длину стенки! А несущественное, незначительное изменение означает, по мнению эксперта, отсутствие существенной новизны. И он спокойно пишет проект отказа.

Но метод сравнения на этот раз дал явную осечку. Е. Немировский рассказывает: «Однако наши изобретатели разъяснили, что боковые упоры, описанные в немецком патенте, должны быть весьма жесткими, чтобы устранить прогибание стопы. С другой стороны, если упоры окажутся слишком жесткими, присосы не смогут вытащить крышку из коробки. Это противоречие делало самонаклад неработоспособным. Стоило лишь изменить расстояние между стенками, как они начали воспринимать вес крышек… новое соотношение размеров, принятое московскими изобретателями, позволило неработоспособное устройство сделать работоспособным. Я признал, что ошибся. Изобретателям выдали авторское свидетельство». Здесь, в самом конце статьи, Немировский произнес то слово, с которого следовало бы начать: «противоречие». Оказывается, дело не в значительности или незначительности внесенного изменения, а в том, что было техническое противоречие и изобретение позволило его устранить.

Еще один пример.

Ленинградские инженеры Л. Гинзбург и Я. Перский послали заявку на ламповый блок с тороидальным трансформатором. «Вам удалось создать очень хорошую конструкцию,- ответил эксперт,- но в ней нет элементов существенной новизны». В Ленинградском областном совете ВОИР рассмотрели заявку и… нашли существенную новизну. Вот в чем она состояла:

«При конструировании лампового блока, в котором объединены лампа высокого напряжения (вентиль) и питающий эту лампу трансформатор накала, необходимо изолировать ламповые гнезда и другие точки вентиля, находящиеся под высоким напряжением, от окружающих предметов иного потенциала, в том числе и от трансформатора накала. До сих пор повсеместно практика конструирования шла по пути создания достаточно большого разрядного расстояния между ламповыми гнездами и корпусом трансформатора. Для этого приходилось устанавливать между трансформатором и вентилем длинный изолятор с высоковольтным монтажом. Между тем при конструировании аппаратуры важно не увеличивать, а сокращать габариты.

И вот инженеры Л. Гинзбург и Я. Перский предложили несколько увеличить окно тороидального трансформатора накала и внутрь этого окна поместить ламповые гнезда и другие точки высокого потенциала (сопротивление «сетка» - «катод» и высоковольтный вывод), залив это компаундом. Остроумное решение позволило отказаться от изолятора и внешнего высоковольтного монтажа. Но самое важное в другом: общие габариты блока сократились, и при таком принципе конструирования их уже не нужно расширять по мере увеличения напряжения вентиля».

Спор с экспертизой закончился так: «Было доказано, что авторам удалось преодолеть отмеченное выше противоречие и решить задачу именно потому, что в их конструкции трансформатор накала выполняет роль не только трансформатора, но и изолятора высоковольтных точек вентиля. Использование трансформатора в качестве изолятора и является новизной конструкции». Изобретатели получили авторское свидетельство.

Если изобретатели научатся видеть в изобретениях устранение технических противоречий, а эксперты научатся находить в заявках способы устранения таких противоречий, количество отклоненных заявок намного сократится.

Иногда техническое противоречие, содержащееся в задаче, отчетливо видно. Таковы, например, задачи, решение которых обычными путями наталкивается на недопустимое увеличение веса. Иногда противоречие незаметно, оно как бы растворено в условиях задачи. Тем не менее изобретатель всегда должен помнить о техническом противоречии, которое ему предстоит побороть.

«Надо добиться такого-то результата»,- это лишь половина задачи; изобретателю необходимо видеть вторую половину: «добиться, не проиграв того-то и того-то».

Анкетные опросы показывают, что опытные изобретатели хорошо видят техническое противоречие, содержащееся в задаче. Так, П. Фридман (Ленинград), имеющий более двадцати авторских свидетельств на изобретения, пишет: «Изучаю трудности и противоречия существующих машин, аппаратов и систем». Каунасский изобрета-1ель Ю. Чепеле очень точно характеризует эту важнейшую особенность изобретательского мастерства: «Надо найти в задаче техническое противоречие, затем использовать подсказываемые опытом и знаниями способы устранения противоречия».

Известный советский изобретатель Б. Блинов, подводя итоги своей тридцатилетней изобретательской работы, пишет: «На основании опыта говорю: вы не станете изобретателем, если не научитесь отчетливо видеть противоречия в вещах».

У изобретателя Ю. Чиниова было девять авторских свидетельств; освоив методику изобретательства, Ю. Чин-нов получил еще три десятка авторских свидетельств, решив ряд задач, считавшихся неразрешимыми. Один из главных инструментов Ю. Чиннова - анализ технических противоречий. Когда Ю. Чиннову поручили спроектировать высокопроизводительную машину для кручения телефонных кабелей, он прежде всего вскрыл содержащееся в задаче техническое противоречие:

«При проектировании машины выяснилось, что повышению ее производительности препятствует сила натяжения нитей (проводов), которая возникает от трения нитей во время их движения о стенки крутильной рамки и приводит к недопустимому растяжению нитей (проводов). С увеличением скорости вращения рамки и ее диаметра увеличивается центробежная сила, прижимающая нити к рамке, а следовательно, и сила трения нитей.

Получается заколдованный круг:

С увеличением диаметра и скорости вращения крутильной рамки недопустимо увеличивается центробежная сила, которая приводит в конечном счете к растяжению нитей. С другой стороны, уменьшая диаметр крутильной рамки, можно повысить скорость кручения, но тогда недопустимо уменьшается диаметр приемной катушки, установленной внутри рамки, и, следовательно, длина изготовляемого кабеля.

Явное техническое противоречие!

В изобретательской практике нередки случаи, когда главное -обнаружить техническое противоречие, а коль скоро оно обнаружено, преодолеть его не представляет труда. Бывает, однако, и так, что ясно видимое техническое противоречие отпугивает изобретателя: нужно совместить несовместимое, а это кажется невозможным!

«Нужно найти способ кручения кабеля на проход,- рассказывает далее Ю. Чиннов,- то есть вынести приемную катушку из вращающейся рамки и закрепить ее на неподвижном основании вне рамки. Такую катушку можно сделать неограниченного диаметра, а кабель - неограниченной длины, и, кроме того, увеличить скорость кручения.

Начальник КБ новой техники Ташкентского кабеш -j ного завода предупредил меня, что в этом направлении очень много поработали изобретатели и конструкторы. В конце концов они пришли к выводу, что изобрести способ кручения на проход так же невозможно, как и изобрести вечный двигатель.

Однако я не отказался от мысли справиться с этой задачей. Решил действовать по методике изобретательства…»

Не бойтесь технических противоречий!

Вот одна из простых задач. Решите ее самостоятельно; для этого достаточно четко сформулировать техническое противоречие.

«При взгляде на гоночный автомобиль сразу бросаются в глаза колеса. Они придают машине свирепый вид. А между тем они создают добавочное сопротивление воздуха, снижают максимальную скорость. Даже у обычных легковых автомобилей колеса закрыты обтекаемым капотом. Так почему же колеса гоночных машин не закрыты обтекателями?

На виражах гонщик все время следит за передними колесами. Увидев их положение, он получает первую информацию о направлении движения машины. Теперь предположим, что колеса закрыты крыльями. Повернув руль, гонщик должен смотреть, как пойдет машина, и вмешаться в управление после того, как автомобиль заметно отклонится от намеченного пути. Вот почему автомобили для шоссейных гонок делают без крыльев. Другое дело автомобили, предназначенные для гонок на специально оборудованных треках. Там не нужна поворотливость. И машины закапотированы» !.

Чтобы решить эту задачу, надо точно найти «несовместимое» и ответить на вопрос: где и что придется изменить для устранения «несовместимости»? Задача относится к гоночным автомобилям. Значит, решение может и не быть рассчитано на массовое и длительное применение.

Принципы и методы разрешения технических противоречий в процессе дизайн разработки проектного решения.

_________________________________________________________________________

В процессе формулировки идеального конечного результата некоторые показатели качества могут быть либо противоречивыми по отношению друг к другу, либо один из них может быть противоречив по отношению к целой группе показателей. В этом случае имеет место так называемое техническое противоречие , состоящее в том, что улучшение одного показателя вызывает ухудшение другого показателя.

В процессе выявления и разрешениятехнических противоречий проявляется творчество изобретателей, разработчиков, проектировщиков и конструкторов, создаются продукты интеллектуальной собственности (патенты, ноу-хау, промышленные образцы и др.).

Следует иметь в виду, что в литературе и в конструкторско-изобретательском лексиконе все противоречия называют техническими, хотя по своей природе они могут отражать физические, экономические, информационные, социальные, и дажеадминистративные аспекты решаемой задачи. Таким образом, термин «технические противоречия» отражает не природу (первопричину) их возникновения, а принадлежность к носителям этих противоречий - к техническим объектам.

Технические противоречия условно подразделяются на внешние и внутренние.

Внешние противоречия обусловлены несоответствием свойств и параметров технического объекта, условиям его изготовления и нормального функционирования в процессе взаимодействия с человеком и окружающей средой.

Внутренние противоречия обусловлены несоответствием структуры и состава конструктивного исполнения технического объекта его функциональному значению.

Различают шесть источников возникновения технических противоречий .

1. Противоречия между техническим объектом и человеком , который управляет этим объектом (оператором) или эксплуатирует его (пользователем). В процессе их взаимодействия конфликтные ситуации могут возникнуть из-за изменения условий эксплуатации технического объекта, из-за изменившихся требований к его безопасности, эргономичности, эффективности. Поэтому, при усовершенствовании технического объекта, прежде всего, формулируются новые или уточняются действующие требования по безопасности и эргономичности конструкции, определяются условия его наиболее полной реализации. Анализу подвергаются те свойства объекта, которые должны быть изменены в соответствии с новыми или уточненными требованиями. При этом определяются те компоненты конструкции объекта и их параметры, изменения которых позволяют в конечном счете разрешить возникшее противоречие.

2. Противоречие между техническим объектом и средой его функционирования из-за несоответствия функциональных параметров его конструктивного исполнения с параметрами окружающей среды. Для устранения этих противоречий анализируются состав и структура конструктивного исполнения технического объекта, выявляются источники, пути и методы устранения противоречий, проводится соответствующее обновление конструкции.

3. Противоречие между техническим объектом и его изготовителем из-за конфликта между предметом труда и производственным работником. Такая ситуация может возникнуть, например, при применении каких-то конструкционных материалов или режимов их обработки, которые наносят ущерб здоровью или превышают возможности человеческого организма. В этом случае особое внимание уделяется обеспечению технологичности и безопасности как конструкции технического объекта, так и используемых конструкционных материалов.

4. Противоречие между техническим объектом и производственной средой . Производственная среда является одной из составляющих окружающей среды. Соблюдение норм и требований к обеспечению сохранности окружающей среды приводит к необходимости создания экологически чистых конструкций, технических изделий и технологий их изготовления. Неизменно возникает конфликт в требованиях повышения качества продукции и снижения ресурсоемкости конструкции изделия. Внесение в нее рациональных технических решений позволяет разумно использовать материальные и топливно-энергетические ресурсы, которыми располагает производство, внедрять безотходную и малоотходную технологию, повышать качество продукции и эффективность производства.

Все четыре выше рассмотренных источника технических противоречий являются внешними , отражая функциональные структурные взаимосвязи технических объектов с окружающей (производственной) средой.

Обратимся теперь к источникам внутренних технических противоречий.

5. Противоречие между целым (конструктивным исполнением, системой) и частью (компонентом, элементом, подсистемой) технического объекта. Оно порождается тем, что целое и часть любого технического объекта не тождественны друг другу ни по выполняемым функциям, ни по своему составу, ни по своей структуре, формируются и обновляются по своим законам. В то же время часть по отношению к целому обладает относительной самостоятельностью в своем развитии. Компоненты, входящие в состав конструкции изделия, имеют различную интенсивность обновляемости. Объединяя элементы в единое конструктивное образование, структура целого исполнения обладает большой инерционностью в своем развитии и обновлении по сравнению с входящими в нее компонентами.

6. Противоречие между содержанием и формой компонентов исполнения технического объекта, суть которого заключена в диалектической взаимосвязи отдельных компонентов. Так, найденная форма изделия, обладая относительно большой стабильностью, сохраняется длительное время, пока накопление количественных изменений в содержании изделия не приведет в силу возникших противоречий к очередным качественным изменениям ее формы.

Многовековая общественно-полезная практика человечества накопила бесконечно большое число приемов устранения технических противоречий, познать которые в полном объеме не представляется возможным. Исходя из этого, рассмотрим лишь небольшое количество типовых приемов, которые являются основной информационной и творческой базой для создания новых технических объектов. Образно говоря, типовые приемы - это универсальные коды или ключи, с помощью которых можно раскодировать и открывать сложные и хитроумные замки решений творческих задач.

Типовые приемы - это взятые из технической литературы, из научно-технических журналов и патентных фондов наиболее часто встречающиеся в проектно-конструкторской практике приемы, разработанные учеными, инженерами, изобретателями прошлых и нынешнего поколений. Очевидно, что абсолютное число таких приемов бесконечно велико и поэтому их стараются определенным образом обобщить в крупные типичные группы и даже создать межотраслевые, отраслевые или проблемные фонды типовых приемов.

Во многих книгах типовые приемы (способы, правила) называют методологическим инструментарием решения творческих и изобретательских задач, поскольку они содержат краткое указание или предписание как преобразовывать имеющийся у разработчика прототип технического объекта и в каком направлении надо вести поиск, чтобы получить желаемое решение.

Из всего множества реально существующих и возможных типовых приемов преобразования компонентов субстанции технических объектов можно выделить следующие пять групп:

1) приемы преобразования формы вещества;

2) приемы преобразования содержания вещества;

3) приемы преобразования энергии;

4) приемы преобразования информации;

5) комплексные энерго-информационно-вещественные приемы, базирующиеся на использовании новых технологий и способов изготовления, транспортировки и применения технических объектов.

Существует два подхода к выбору из известного набора (банка) типовых приемов разрешения технических противоречий наиболее целесообразного (эффективного) приема: эвристический и алгоритмический .

Эвристический подход к выбору и переработке наиболее ценной информации базируется на использовании уникальных и специфических свойств нашего головного мозга. В процессе длительной эволюции головной мозг человека приспособился отбирать из большого массива избыточной информации только наиболее ценную и нужную информацию, отбрасывая всю остальную. Некие особые и, к тому же, неосознанные, правила работы мозга по отбору и переработке информации, включающие в себя этапы «осенения», интуиции и творчества, называют эвристическими. В дальнейшем из этих «правил» в мозге составляются также неосознаваемые «программы» выбора решения.

Алгоритмический подход к выбору типовых приемов разрешения технических противоречий предусматривает выполнение ряда поисковых операций по заранее разработанному алгоритму (правилу).

Современные методы поиска новых решений позволяют рационализировать различные стороны поисковой деятельности. Все известные методы решения творческих задач можно условно разделить на две большие группы по признаку доминирования в них эвристических (интуитивных) или логических процедур и соответствующих им правил деятельности.

Первая группа - это эвристические (интуитивные )методы,которые опираются на активизацию творческой деятельности человека и развитие его творческих способностей на основе развития интуитивных процедур деятельности, фантазии, аналогий и др. В эту группу входят: метод проб и ошибок, метод контрольных вопросов, «мозговой штурм», синектика, морфологический анализ, ассоциативные методы и др.

Вторая группа методов основана на использовании оптимальной логики анализа технического или другого совершенствуемого объекта, закономерностей его развития. Здесь предлагают логические правила анализа и синтеза, сравнения, обобщения, классификации, индукции, дедукции и т.д. Это рациональные (логические) методы решения творческих задач. К ним относятся: алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ), функционально-стоимостный анализ, функционально-физический метод конструирования и т.д.

Современная научно-техническая революция, характерной чертой которой является бурное развитие науки, техники и производства, вошла в противоречие со старыми малопроизводительными способами мышления и поиска новых решений, что привело к созданию эвристики.Под термином «эвристика» понимается определенная совокупность логических приемов и методических правил теоретического исследования и отыскивания истины, которые используются в условиях неполноты исходной информации и не требуют четкой программы управления процессом решения задачи.

Методом проб и ошибок (МпиО) изобретатели пользовались и пользуются при решении самых разнообразных технических задач. Суть его заключается в том, что изобретатель при поиске решения задачи перебирает всевозможные варианты и среди них находит тот, который удовлетворяет поставленным требованиям.

Метод контрольных вопросов впервые использовался для поиска новых идей и наилучших решений творческих задач. Суть этого метода состоит в использовании при поиске решений творческих задач списка специально подготовленных вопросов. Изобретатель отвечает на них и в связи с ними анализирует свою задачу. Одним из лучших считают список вопросов для изобретателей и разработчиков новых технических объектов, составленный Т. Эйлоартом, который представляет собой программу его работы.

Список содержит следующие позиции.

1. Перечислить все качества и определения предполагаемого изобретения. Изменить их.

2. Сформулировать задачи ясно. Попробовать новые формулировки. Определить второстепенные задачи и аналогичные задачи. Выделить главные.

3. Перечислить недостатки имеющихся решений, их основные принципы, сформулировать новые предложения по их устранению.

4. Набросать фантастические, биологические, экономические, молекулярные и др. аналогии.

5. Построить математическую, гидравлическую, электронную, механическую и другие модели (они точнее выражают идею, чем аналогии).

Попробовать различные виды материалов и энергии: газ, жидкость, твердое тело, пену, пасту и др.; тепло, магнитную энергию, свет, силу удара и т.п.; различные длины волн, поверхностные свойства и пр., переходные состояния - замерзание, конденсацию и т. п.

7. Установить варианты, зависимости, возможные логические совпадения.

8. Узнать мнение некоторых совершенно неосведомленных в данном деле людей.

9. Устроить групповое обсуждение, выслушивая любые идеи без всякой критики.

10. Попробовать «национальные» решения: хитрое шотландское, всеобъемлющее немецкое, расточительное американское, сложное китайское и др.

11. Спать с проблемой, идти на работу, гулять, ехать, пить, есть, играть в теннис - все с ней.

12. Бродить среди стимулирующей обстановки (свалка лома, технические музеи, магазины дешевых вещей), пробегать журналы, комиксы.

13. Набросать таблицу цен, величин, перемещений, типов материалов и т.п. разных решений проблемы или ее частей, искать проблемы в решениях или новые комбинации.

14. Определить идеальное решение, разрабатывать другие возможные.

15. Видоизменить решение проблемы с точки зрения времени (скорее или медленнее), размеров, вязкости и т. п.

16. В воображении «залезть» внутрь механизма.

17. Выявить и исключить из дальнейшего обсуждения альтернативные варианты решения проблемы, уводящие в сторону от траектории поиска лучшего решения.

18. Кого и почему интересует решаемая проблема?

19. Кто придумал это первый? История вопроса. Какие ложные толкования этой проблемы имели место?

20. Кто еще решал эту проблему? Чего он добился?

21. Определить общепринятые граничные условия и причины их установления.

Метод мозгового штурма (брейнсторминг) появился в Соединенных Штатах Америки в конце 1930-х годов, он представляет собой двухэтапную процедуру решения задачи: на первом этапе выдвигаются идеи, а на втором они конкретизируются, развиваются. Работа в рамках этапов этого метода (этап выдвижения (генерации) идей и этап анализа выдвинутых идей) должна выполняться при соблюдении ряда основных правил . На этапе генерации их три:

3. Поощрение всех выдвигаемых идей, включая нереальные и фантастические.

На этапе анализа основное правило - это выявление рациональной основы в каждой анализируемой идее.

Рассмотрим последовательность организации и проведения мозгового штурма.

1. Оптимальное количество людей, решающих поисковую задачу методом «мозгового штурма», должно составлять 12-25 человек. Половина из них генерирует идеи, а другая их анализирует. В группу «генераторов» включают людей с бурной фантазией, склонных к абстрактному мышлению, но не скептиков; нельзя сюда включать и людей, присутствие которых может в какой-то степени стеснять других (например, руководителей и подчиненных). Желательно, чтобы в состав этой группы вошли и специалисты-смежники, и один-два человека со стороны, не имеющие отношения к решаемой задаче. В группу «экспертов» вводят людей с аналитическим, критическим складом ума. Руководит «сессией» ведущий, наиболее опытный участник «мозгового штурма»,

2. Основная задача «генераторов» должна заключаться в предложении максимального количества идей решения поисковой задачи (в том числе идей фантастических, а иногда и шутливых). Идеи протоколируются или фиксируются с помощью магнитофона. Задача «экспертов» состоит в отборе приемлемых идей. Ведущий, не прибегая к приказаниям и критическим замечаниям, задает вопросы, иногда подсказывает и уточняет высказывания участников обсуждения, следит, чтобы беседа не прерывалась.

3. Продолжительность «сессии» должна зависеть от сложности решаемой задачи, но не превышать 30-50 мин.

4. Между участниками «мозгового штурма» должны быть установлены свободные и доброжелательные отношения. При генерации идей запрещается всякая критика, скептические улыбки, жесты и мимика. Надо, чтобы идеи, выдвинутые одним участником, подхватывались и развивались другими. Анализ идей группой «экспертов» проводится очень внимательно. Без тщательного анализа не должны быть отвергнуты даже самые фантастические или абсурдные идеи. При этом в ходе анализа (идеи оцениваются, например, в десятибалльной системе), учитывается мнение каждого «эксперта». В случаях расхождений в оценке проводят дополнительный анализ.

5. Если «сессия» окончилась безуспешно и задача не решена, повторять ее с предыдущими установками нет смысла. Нужно заменить состав групп или изменить формулировку задачи, оставив конечную цель.

Опыт использования «мозгового штурма» показывает, что генерации идей способствуют такие приемы, как аналогия (сделай так, как это делалось при решении другой задачи), инверсия (сделай наоборот), фантазия (предложи нечто неосуществимое) и пр. Большую роль играют здесь и субъективные качества участников штурма - наличие прошлого опыта, боязнь оказаться бесполезным, отсутствие творческого настроения, усталость и т. д.

Синектика , так же как и мозговой штурм, предполагает коллективный поиск новых решений. В 1961 г. в США вышла книга У. Гордона «Синектика: развитие творческого воображения». Книга открыла новую главу в истории методов поиска новых решений. Описанный в ней подход к организации творчества, правила работы и обучения оказали большое влияние на разработчиков новой техники, методологов.

Идея синектики состоит в объединении отдельных творцов в единую группу для совместной постановки и решения конкретных задач. Метод включает в себя практические подходы к сознательному решению и использованию бессознательных механизмов, проявляющихся у человека в момент творческой активности.

Еще одно отличие синектики от мозгового штурма. Подбор группы генераторов мозгового штурма состоит в выявлении активных творцов, обладающих различными знаниями. Их эмоциональные типы особо не учитываются. В синектике же, наоборот, скорее будут выбраны два человека с одним и тем же багажом знаний, если при этом у них значительны отличия в эмоциональной сфере.

Организация работы в синектике включает следующие основные моменты:

Первоначальная постановка проблемы;

Анализ проблемы и сообщение необходимой вводной информации. Роль эксперта, как правило, выполняет учитель или учащийся, обладающий определённой подготовкой.

Выяснение возможностей решения проблемы;

Переформулирование проблемы каждым учащимся в своём собственном понимании;

Совместный выбор одного из вариантов переформулированной проблемы;

Выдвижение образных аналогий - ключевой этап для синектики;

- «подгонка» намеченных группой подходов к решению или готовых решений к требованиям, заложенным в постановке проблемы.

Важнейшим элементом синектического процесса является практическая реализация полученных в процессе работы идей.

Операторы синектики - конкретные психологические инструменты, которые поддерживают и ведут вперед весь творческий процесс. Их следует отличать от психологических состояний – таких, как эмпатия, вовлеченность, игра и пр. Психологические состояния являются основой творческого процесса, но они не управляемы. Операторы синектики, ее механизмы предназначены для побуждения, активизации этих сложных психологических состояний.

Решая задачу, бессмысленно пытаться убедить себя или группу быть творческим , интуитивным, вовлеченным или же допускать очевидные несоразмерности. Необходимо дать средства, позволяющие человеку делать это. Глобально синектическая работа включает в себя два базовых процесса:

Превращение незнакомого в знакомое;

Превращение знакомого в незнакомое.

Первое, что делает человек, которому предстоит решить проблему - пытается ее понять. Этап превращения незнакомого в знакомое очень важен, он позволяет человеку свести новую ситуацию к уже испытанным, известным. Этот этап ведет за собой огромное разнообразие решений, но требование новизны - это, как правило, требование новой точки зрения, взгляда на проблему. Большинство из проблем не являются новыми. Смысл в том, чтобы сделать их новыми, создав тем самым потенциал для выхода на новые решения.

Превратить знакомое в незнакомое - означает исказить, перевернуть, переменить повседневный взгляд и реакцию на вещи, события. В «известном мире» предметы всегда имеют свое определенное место. В то же время различные люди могут видеть один и тот же объект под различными углами зрения, неожиданными для других. Настаивать на рассмотрении известного как неизвестного - основа творчества.

Попытаемся решить задачу о дождевателе обычными приемами. Нужно втрое увеличить размах крыльев; что ж, сделать трехсотметровую ферму технически вполне осуществимо. Что мы при этом проиграем? Возрастет вес. Если размах крыльев увеличить втрое, ферма станет тяжелее в 27 раз.

У машин и механизмов (вообще у технических объектов) есть несколько важнейших показателей, характеризующих степень их совершенства: вес, габариты, мощность, надежность и др. Между этими показателями существуют определенные взаимозависимости. Скажем, на одну единицу мощности требуется определенный вес конструкции. Чтобы увеличить одии из показателей уже известными в данной отрасли техники путями, приходится «платить» ухудшением другого.

Вот типичный пример из авиаконструкторской практики: «Увеличение в 2 раза площади вертикального оперения одного из типов самолетов уменьшило амплитуду колебаний самолета всего лишь на 50%. Но это, в свою очередь, повысило восприимчивость самолета к порывам ветра, увеличило лобовое сопротивление, утяжелило конструкцию самолета, -что выдвинуло дополнительные сложные задачи К

Конструктор, учитывая конкретные условия, выбирает наиболее благоприятное сочетание характеристик: что-то выигрывает, а что-то проигрывает. «Когда вы обдумываете решение и технические условия,- говорит известный авиаконструктор О. Антонов,- которые, может быть, и не будут никогда записаны на бумаге, выделите самое главное. Только в крайнем случае, если что-нибудь не удается выполнить, идите к допустимому. Допустимое - это некоторое невыполнение заданных технических условий, так сказать, компромиссное решение. Предположим, конструируя самолет, вы выполните требования по грузоподъемности и скорости, но у вас немножко не выйдет с длиной разбега. Тогда вы начнете взвешивать эти три важных требования и, возможно, несколько поступитесь разбегом - пусть разбег будет не 500, а 550 метров, зато все остальные качества будут достигнуты. Это как раз то, что допустимо».

Академик А. Н. Крылов в своих воспоминаниях рассказывает о таком эпизоде. В 1924 году ученый работал в составе советско-французской комиссии, осматривавшей в гавани Бизерты русские военные корабли, уведенные туда Врангелем. Здесь бок о бок с русским эсминцем стоял эсминец французский - примерно того же возраста и размеров. Разница в боевой мощи кораблей была настолько велика, что адмирал Буи - председатель комиссии- не выдержал и воскликнул: «У вас пушки, а у нас пукалки! Каким образом вы достигли такой разницы в вооружении эсминцев?» Крылов ответил так: «Взгляните, адмирал, на палубу: кроме стрингера, в котором вся крепость, все остальное, представляющее как бы крышу, проржавело почти насквозь, трубы, их кожухи, рубки и т. п.- все изношено. Посмотрите на ваш эсминец, на нем все как новенькое, правда, наш миноносец шесть лет без ухода и без окраски, но не в этом главная суть. Ваш миноносец построен из обыкновенной стали и на нем взято расчетное напряжение в 7 кг на 1 мм2, как будто бы это был коммерческий корабль, который должен служить не менее 24 лет. Hauf построен целиком из стали высокого сопротивления, напряжение допущено в 12 кг и больше - местами по 23 кг/мм2. Миноносец строится на 10-12 лет, ибо за это время он успевает настолько устареть, что не представляет более истинной боевой силы. Весь выигрыш в весе корпуса и употреблен на усиление боевого вооружения, и вы видите, что в артиллерийском бою наш миноносец разнесет вдребезги, по меньшей мере, четыре, т. е. дивизию ваших, раньше, чем они приблизятся на дальность выстрела своих пукалок». «Как это просто!» - сказал адмирал»2.

Искусство конструктора во многом зависит от умения определить, что надо выиграть и чем можно за это поступиться. Изобретательское творчество состоит в том, чтобы найти такой путь, при котором уступки вообще не требуется (или она непропорционально мала по сравнению с получаемым результатом).

Предположим, для ускорения погрузки-разгрузки на необорудованных аэродромах необходимо создать портативное подъемное устройство, монтируемое на тяжелых транспортных самолетах. Такую задачу вполне можно решить уже имеющимися в современной технике средствами. Основываясь на общих принципах конструирования подъемных устройств и используя, скажем, опыт создания легких автокранов, квалифицированный конструктор в состоянии спроектировать требуемое устройство. Понятно, что это увеличит в той или иной мере «мертвый вес самолета. Выигрывая в одном, конструктор одновременно проигрывает в чем-то другом. Зачастую с этим можно смириться, и задача конструктора сводится к тому, чтобы побольше выиграть и поменьше проиграть.

Необходимость в изобретении возникает в тех случаях, когда задача содержит дополнительное требование: выиграть и… ничего не проиграть. Например, подъемное устройство должно быть достаточно мощным и в то же время не должно утяжелять самолет. Решить эту задачу известными приемами невозможно: даже лучшие передвижные краны имеют немалый вес. Здесь нужен новый подход, нужно изобретение.

Таким образом, обычная задача переходит в разряд изобретательских в тех случаях, когда необходимым условием ее решения является устранение технического противоречия.

Нетрудно создать новую машину, игнорируя технические противоречия. Но тогда машина окажется неработоспособной и нежизненной.

Всегда ли изобретение состоит в устранении технического противоречия?

Надо сказать, что существуют два понятия «изобретение»- правовое (патентное) и техническое. Правовой понятие различно в разных странах, к тому же оно чаете! меняется.

Правовое понятие стремится возможно точнее отразить границы, в которых в данный момент экономически целесообразна юридическая защита новых инженерных конструкций. Для технического же понятия важны не столько эти границы, сколько сердцевина изобретения, его исторически устойчивая сущность.

С точки зрения инженера, создание нового изобретения всегда сводится к преодолению (полному или частичному) технического противоречия.

Возникновение и преодоление противоречия - одна из главных особенностей технического прогресса. Анализируя развитие мельниц, Маркс писал в «Капитале»: «Увеличение размеров рабочей машины и количества ее одновременно действующих орудий требует более крупного двигательного механизма… Уже в XVIII веке была сделана попытка приводить в движение два бегуна и два же постава посредством одного водяного колеса. Но увеличение размеров передаточного механизма вступило в конфликт с недостаточной силой воды…»

Это яркий пример технического противоречия: попытка улучшить какое-либо свойство машины вступает в конфликт с другим ее свойством.

Многочисленные примеры технических противоречий приводит Фридрих Энгельс в статье «История винтовки» В сущности, вся эта статья представляет собой анализ внутренних противоречий, определяющих историческое развитие винтовки. Энгельс показывает, например, что с» момента появления винтовки и до изобретения винтовок, заряжающихся с казенной части, главное противоречие состояло в том, что для усиления огневых свойств требовалось укорачивание ствола (заряжение производилось со ствола и при коротком стволе облегчалось), а для усиления «штыковых» свойств винтовки нужно было, наоборот, удлинять ствол. Эти противоречивые качества были соединены в винтовке, заряжающейся с казенной части.

Вот несколько задач из разных отраслей техники, содержащих технические противоречия. Задачи эти не придуманы автором, а взяты из газет, журналов, книг.

Горное дело

С давних пор для изоляции района подземного пожара шахтеры возводят перемычки - Специальные стенки из кирпича, бетона или брусчатки. Сооружение перемычек сильно осложняется, если в шахте выделяются газы. В таком случае перемычку нужно делать герметичной, тщательно заделывать каждую щелку, и все это под постоянной угрозой взрыва. Чтобы уберечься, горняки стали сооружать по две перемычки. Первую - временную- кладут наспех. Она пропускает воздух и служит лишь баррикадой, под прикрытием которой можно, уже не торопясь, сооружать вторую, постоянную. Таким образом, горняки выиграли в безопасности, но проиграли в трудоемкости.