基于人機(jī)工程學(xué)原理的智能垃圾桶設(shè)計(jì)

秦艷

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院淮安生物工程分院，江蘇淮安，223200）

0 引言

隨著我國(guó)老齡化程度的加深，加強(qiáng)研發(fā)便捷的生活用品對(duì)于改善老年人的生活質(zhì)量，減輕生活中的不便利因素具有舉足輕重的價(jià)值[1]。以生活中常用的垃圾桶為例，傳統(tǒng)的垃圾桶從本質(zhì)上來看，屬于一個(gè)靜態(tài)的容器[2]。人們?cè)谑褂弥型ǔＰ枰叫兄晾芭赃叄缓笸ㄟ^彎腰的動(dòng)作來將垃圾放進(jìn)垃圾桶中。然而，這看似簡(jiǎn)單的兩個(gè)動(dòng)作，對(duì)于年齡較大、步行不便的老年人來說，往往顯得非常吃力，稍有不慎還會(huì)引發(fā)摔傷、腰部扭傷等問題[3]。因此，開發(fā)一種適用于老年人的智能垃圾桶，讓其整理垃圾的時(shí)候更加方便，將容易對(duì)老年人造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)因素消除，是十分必要的。所以，本文在智能垃圾桶的設(shè)計(jì)中，以老年人為使用對(duì)象，在基于人機(jī)工程學(xué)原理的基礎(chǔ)上，開發(fā)適應(yīng)于老年人的垃圾桶智能化功能，減輕其生活中容易造成傷害的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

1 人機(jī)工程學(xué)原理設(shè)計(jì)思路

人機(jī)工程學(xué)原理，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中以人為本設(shè)計(jì)理念的具體體現(xiàn)。即在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，將人體測(cè)量數(shù)據(jù)、力學(xué)、產(chǎn)品使用心理學(xué)等領(lǐng)域相融合的研究方法。它是建立在人體結(jié)構(gòu)、機(jī)能等特點(diǎn)的前提下，通過測(cè)量人在使用產(chǎn)品時(shí)的出力、習(xí)慣、體驗(yàn)、生理變化等規(guī)律，研究人在產(chǎn)品使用中造成心理變化的影響要素和效率等[4]。

對(duì)于智能垃圾桶而言，其人機(jī)工程學(xué)原理的設(shè)計(jì)中，具體的設(shè)計(jì)思路為：（1）基本參數(shù)的測(cè)量。對(duì)江蘇淮安地區(qū)年齡為的65-80歲老年人進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，采樣數(shù)量為100人。采樣的數(shù)據(jù)包括：身高、手的握力、彎腰范圍、步行速度、手?jǐn)Q物體的重量等；（2）參數(shù)分析。分析采樣的參數(shù)，并得到基于采樣參數(shù)的結(jié)論等；（3）智能垃圾桶的參數(shù)和功能設(shè)計(jì)。根據(jù)采樣的參數(shù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，確定智能垃圾桶的形狀、結(jié)構(gòu)、功能等設(shè)計(jì)要素；（4）產(chǎn)品設(shè)計(jì)效果追蹤。將智能垃圾桶的設(shè)計(jì)方案通過問卷調(diào)查的形式發(fā)送至擬使用對(duì)象進(jìn)行效果評(píng)價(jià)，作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理與否、繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等后處理工作的依據(jù)。人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)流程

2 智能垃圾桶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 設(shè)計(jì)要素及功能的確定

根據(jù)采樣的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，對(duì)于老年人而言，每天使用垃圾桶的頻率約6-8次，每次都會(huì)從房屋的各個(gè)地方步行至垃圾桶的固定位置。同時(shí)在扔垃圾時(shí)，通常是保持站立姿勢(shì)，除手部的動(dòng)作外，腰部會(huì)有習(xí)慣性地彎曲。因此，存在摔倒或腰部扭傷的潛在危險(xiǎn)因素。綜上所示，在智能垃圾桶的設(shè)計(jì)中，從腰部彎曲的角度來設(shè)計(jì)，根據(jù)采樣的平均身高和彎腰的舒適度，確定了垃圾桶的高度。同時(shí)，在功能設(shè)計(jì)中，考慮到老年人步行至垃圾桶不方便的問題，擬將垃圾桶設(shè)計(jì)成移動(dòng)式，即當(dāng)老年人需要使用垃圾桶時(shí)，通過手機(jī)App操作，垃圾桶自動(dòng)移動(dòng)到指定位置。智能垃圾桶的基本結(jié)構(gòu)由本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及輪胎組成，如圖2所示。

圖2 垃圾桶基本結(jié)構(gòu)

■2.2 智能垃圾桶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能垃圾桶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要由以下幾個(gè)模塊組成，包括：控制模塊、藍(lán)牙模塊、主板、光控模塊、紅外模塊以及驅(qū)動(dòng)模塊，各模塊之間的關(guān)系如圖3所示。其基本的控制原理為：控制模塊的功能是垃圾桶的使用者通過手機(jī)指定移動(dòng)的終點(diǎn)，該模塊通過手機(jī)的藍(lán)牙模塊將信息傳遞至智能垃圾桶的藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊再傳遞信息至主板并由主板發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始動(dòng)作，由此帶動(dòng)整個(gè)垃圾桶運(yùn)動(dòng)。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從上述原理可知，主板會(huì)將信號(hào)傳遞給驅(qū)動(dòng)模塊。與此同時(shí)，主板還會(huì)收集光控模塊和紅外模塊的信息用于其他組件參數(shù)的調(diào)整。

光控模塊的主要功能是對(duì)外界環(huán)境的光照度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)適時(shí)傳遞給主板，主板對(duì)收集到的參數(shù)進(jìn)行判斷[5]。當(dāng)外界光照強(qiáng)度在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，照明組件不動(dòng)作。反之，當(dāng)光照強(qiáng)度小于預(yù)設(shè)值時(shí)，主板對(duì)照明組件發(fā)出開啟指令，則照明組件開始動(dòng)作。如此一來，老人可以在光線比較昏暗的情況下看清楚垃圾桶的位置。

紅外模塊的主要功能時(shí)實(shí)現(xiàn)垃圾桶位置信息的監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)信息傳遞至主板[6]。當(dāng)前方存在障礙物時(shí)，紅外模塊將該信號(hào)傳輸至主板，主板對(duì)前方障礙物的距離進(jìn)行判斷，然后向驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出指令，避開前方障礙物。

部分控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)組件，如圖4所示。

圖4

3 設(shè)計(jì)效果

在本課題中，對(duì)于該智能垃圾桶設(shè)計(jì)合理性與否的判斷，采用的是問卷調(diào)查法[7]。具體操作流程為：（1）問題的設(shè)計(jì)。采用專家評(píng)定法對(duì)該智能垃圾桶設(shè)計(jì)問題[8-9]。將該設(shè)計(jì)方案發(fā)送給多名行業(yè)專家，由行業(yè)專家依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)問題。當(dāng)專家將問題反饋后，由于多名專家的結(jié)論難免存在不一致的地方，故需要對(duì)專家反饋的問題進(jìn)行修正。然后，將修正后的問題發(fā)送給專家作二次評(píng)定，最終確定合理的問題集；（2）問卷調(diào)查的開展。將設(shè)計(jì)方案和問卷調(diào)查發(fā)送給多名智能垃圾桶的擬使用對(duì)象，讓其進(jìn)行評(píng)定打分。本課題中，發(fā)送問卷調(diào)查100份，回收問卷調(diào)查98份，問卷有效率98%；（3）問卷調(diào)查結(jié)果整理。對(duì)回收的問卷調(diào)查表進(jìn)行分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)和整理，得到最終的設(shè)計(jì)效果評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)。部分主要問題如表1所示。

在對(duì)每個(gè)問題的評(píng)價(jià)中，采取非常認(rèn)同、比較認(rèn)同、一般、不認(rèn)同、非常不認(rèn)同五個(gè)等級(jí)進(jìn)行打分，以表1所示的5個(gè)問題為例，部分結(jié)果如表2所示。

表1 主要問題

表2 問卷調(diào)查結(jié)果

從表2所示的問卷調(diào)查結(jié)果來看，對(duì)于這5個(gè)問題而言，擬使用對(duì)象的認(rèn)可度總體而言是比較高的，問題1、2、4以及5的比較認(rèn)同和非常認(rèn)同的人數(shù)占比均高于70%。表明相對(duì)于傳統(tǒng)的垃圾桶而言，該智能垃圾桶的功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確實(shí)能夠提升老年人使用的便利性和良好的體驗(yàn)感。但是，問題3的認(rèn)同度較之其他4個(gè)問題的認(rèn)同度存在明顯的差距。導(dǎo)致該差距的原因在于由于使用者都是老年人，該智能垃圾桶的主要操作通過手機(jī)App來實(shí)現(xiàn)，而許多老年人對(duì)于智能手機(jī)的操作存在一定的困難，由此導(dǎo)致了該問題的認(rèn)同度不高。綜上所述，除手機(jī)操作的問題外，用戶對(duì)該智能垃圾桶各項(xiàng)功能的認(rèn)同度較高，可以認(rèn)為基于人機(jī)工程學(xué)原理的智能垃圾桶設(shè)計(jì)方案是合理的，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

4 結(jié)論

通過對(duì)淮安地區(qū)部分老年人進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，再對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提供了從尺寸、遙控、循跡、光照以及避障等方面進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的智能垃圾桶設(shè)計(jì)方案。本課題完成了智能垃圾桶的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并采用問卷調(diào)查法對(duì)使用者進(jìn)行了方案的合理性調(diào)研。從調(diào)研結(jié)果顯示該智能垃圾桶的設(shè)計(jì)比較合理，能夠有效解決老年人在使用垃圾桶時(shí)存在的潛在危險(xiǎn)因素。同時(shí)，也為下一步該產(chǎn)品的持續(xù)優(yōu)化奠定了前期的工作基礎(chǔ)。