基于TRIZ 理論的果樹施藥車創新設計

全面開展鄉村振興、產業復興，重在依靠改革創新，形成可持續的內生發展機制。近年來，隨著現代科學技術的發展，鄉村振興進程的加快，人口老齡化現狀加劇，通過智能化設計解決人們日常生活中的問題成為當下熱點，人們渴望將智能化產品融入傳統農業種植的各個環節，借以解決人力、物力不足等問題。文章結合TRIZ 理論對人工智能技術、產品創意設計與產品使用環境三者進行綜合分析，揭示產品與環境之間的關聯與邏輯，進而更加準確地理解智能技術在農業種植環境中實踐的合理性，對現有產品創新設計提供合適的研究途徑與合理的評價方式，更好地開展面向未來的設計實踐。

1 TRIZ 理論概述

TRIZ 是發明問題解決理論的常用簡稱，TRIZ 理論認為，產品創新是解決設計沖突，產生新的解決方案

。在現代TRIZ 理論中產品的技術研發遵循著客觀的發展規律。TRIZ 理論的強大作用在于它為人們創造性地發現問題和解決問題提供了系統的理論和方法

。基于TRIZ 理論的40 余種創新方法具有較好的實用性，如分割原理，將物體分割成幾個獨立的部分，使物體成為可拆卸或易于組織的部分。再如局部質量原理，將均勻的物體結構或外部環境變成不均勻的，同時也讓物體各部分具備不同的功能

。這些創新方法為設計提供了有效的理論依據。

The next lemma,due to X.C.Pang,which is a generalized version of the well-known Zalcman’s Lemma on normal families.

2 基于TRIZ 理論的果樹施藥車創新設計流程

2.1 用戶需求及產品優缺點分析

根據TRIZ 理論的創新設計方法，運用階段訪談的形式了解用戶需求（如表1），從而發現種植用戶重視產品施藥后的清潔、過程前后的運輸和產品本身使用率等問題。

以下對現今主流的幾類施藥產品的優缺點進行具體分析。現有市場施藥設備有如下幾種：其一，噴桿式噴霧設備，高效的地面施藥設備，根據功率匹配條件大致分為牽引式、懸架式、自推進式等；其二，風送式噴霧設備，利用強氣流將壓力霧化或離心霧化的藥液滴吹向目標，風缸形狀任意彎曲組裝，最大限度地提高了風能利用率、霧滴穿透率和附著率；其三，航空施藥設備，固定翼面和旋翼作業效率高，不受作物長勢限制，適應性較廣，用藥液量少；其四，手動背負式噴霧器通過搖桿部件的搖動，從而使氣室內壓力逐漸升高，施藥氣壓最高為0.6Mpa，藥液通過箱底底部的閥口流出，再經過出水管，經噴桿至噴頭霧化噴出霧來，手動背負式施藥機整體結構緊湊、合理，功能安全可靠，增壓裝置配有單獨的壓力開關，不容易滲漏，操作簡單。

4)人機設計單元：施藥車的尺寸參照機械產品高品質裝配工藝標準，參照我國男性平均身高，并經過測量得出當人坐在車上時兩腿微微分開，座面到地面的高度為700mm。人機交互會直接影響整個產品的性能，從而給人一種舒適、安全、可靠、實用的感覺。

2.2 產品使用流程分析

3)因果鏈單元：通過因果鏈分析法建立問題初始階段和底層問題邏輯之間的聯系，尋找施藥環節問題產生的關鍵原因，針對問題，在消除關鍵問題點后使此類（項）問題不再出現或減少出現；通過建立施藥者、產品與環境三者之間的因果鏈條，尋找在此循環鏈條中容易產生的薄弱點和易控制點，在難以控制關鍵原因時可以選擇其他原因節點攻克目標問題，然后選擇當中的節點為解決問題尋找入手點，利用最小的成本完成解決問題的目的

。根據因果鏈的分析，如圖2 所示，從中找到負重、行走、施藥、兌藥、清潔藥箱、存放與再使用等問題，針對上述因果鏈不難發現其中主要的兩個問題。其一是目標用戶施藥過程中體力、重復性活動等付出較大；其二是施藥產品周期使用率不足15%，使用率與材料老化程度不匹配。

1)功能單元：通過全面的產品功能定義，施藥車的一個功能單元是完成1 天8—10 小時的施藥任務，或一小時行駛40—60公里路程。

2)壓力與驅動模塊設計：壓力模塊主要為藥箱增加壓力，保證施藥質量。配備電力驅動，控制與操作方式簡單。其一，電動壓力噴霧器，通過電力驅動噴霧器工作，其具有效率高、勞動強度低、使用方便等優點。以伯努利原理為依據，通過電力驅動，改變藥液流速大小、壓強大小，實現流體自動從高壓流向低壓。在通過三叉管時，低速流動的水流向高速的流動的空氣，水被高速空氣撕成小水珠，噴出形成水霧。其二，對單噴頭、雙噴頭和四眼噴頭進行重組，依據適用范圍和樹種進行自由切換。單噴頭噴射霧團較大，霧珠小，可用于小范圍噴霧

；雙噴頭噴射霧團更大，霧珠極細，適用于大范圍噴霧；四眼噴頭可調松緊，適合對高大喬灌木或果樹進行噴霧作業。其三，桶身是盛裝藥液和水的容器，在它的口部和底部各有一個過濾網，桶身的一側還可以固定噴桿。噴桿用于延長噴射距離，上面還有控制噴霧作業的手柄開關。底座位于桶身的下部，是用來固定電池和水泵的，在它的一側還裝有電源開關。電源與車載電池共用，用來為噴霧器提供動力。水泵通過高速運轉產生強大的壓力差，把水從進水管吸入，從出水管噴出，形成高速水流，完成噴霧作業。

2)生產與加工單元：施藥車整體結構以鋁合金聚苯乙烯、聚丙烯為主，鋼、銅、橡膠等其他材料為輔。鋁合金具有溫度變化影響小、耐腐蝕、性能優良等特點，廣泛運用于各類產品中。產品在功能模塊上以可重復拆卸卡扣作為主要結構組合，結構的合理劃分，大大縮短了裝配產生的成本。各部件材料選擇上盡量以單一材料為主，這樣能有效控制材料成型、廢料回收等。車體60%零部件采用免漆工藝生產，減少了材料的使用率。

TRIZ 理論將產品視為一個完整的系統，施藥車設計所涉及的原理并不復雜，產品實現包含能源系統、動力系統、執行系統。施藥車主要由運輸和液體儲藏兩個部分構成，目前從技術層面來講，施藥車是可以實現的。針對上述問題，文中在傳統產品設計流程中融入TRIZ 理論，如圖1 所示。從產品問題分析入手，發現施藥起始之間產生的問題，剖析產品功能與約束之間的問題，并與顧客需求進行比較，找尋解決問題的方法。高效地對標設計問題、解決問題，規避設計的主觀性和無用性。

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根據人機工程學設計準則總結出人手尺寸數據，設定了施藥車手柄的詳細尺寸，將把手設計成圓柱形，這樣的設計有利于抓握，減少把手對手掌的壓力，使其握起來更舒適，同時也在把手上增加了一些紋路，以此增加手套在手掌上的摩擦力，以達到防滑效果。根據手的大小，把手柄的長度為100mm，直徑為40mm。同時，座包的設計使人們坐在車座時感覺更加舒適。但是座包應當具備良好的透氣性，以保持皮膚干燥。根據人體工程學的要求，雙手可在左右30°內自由移動，雙手可在中間方向和附近自由移動。當兩手夾角為60°時，左右手之間的距離為500mm，施藥車的物理手柄之間的距離約為500mm，則符合人體工程學的要求

。

2.3 產品功能模塊設計

However, because there are four transistors through power to ground, the output swing of the cascade inverter is limited, reducing the output dynamic range to a certain extent.

1)運輸與儲藏模塊設計：將車輛移動與背負式整體載藥箱進行融合，充分利用功能組合的形式來消除人力限制因素，提高運輸效率。與此同時，箱體容積的提升，可有效減少背負式藥箱的兌藥次數，降低重復性勞動。運輸形式上配置三輪運輸模塊，提高產品運輸過程中的穩定性，操作界面與常規電動車模式相同，可操作性強。

案例庫建設需要制定一個總體規劃。一個好的的案例庫首先需要一個周全的計劃。其中包括案例庫建設的目標、建設的主要原則、建設團隊的分工和職責、建設進度和安排等。在總體規劃下首先擬定編寫提綱，根據專業要求確定課程案例庫的題量、難度、格式和類型。

通過實地調研和用戶訪談，結合現階段用戶對產品的使用周期、年齡、操作方式等因素，從運輸模塊、充電模塊、壓力模塊、液體儲藏模塊、驅動模塊等方面綜合解決用戶需求，如表2 所示。

施藥產品使用率一直是該設計研究過程中需要重點考慮的問題，一般農用家庭施藥工具的周使用率為1—3 次，種植面積較大的使用率相對較高，所以在設計過程中將產品的使用率與操作性作為設計問題解決的核心。此款施藥車能解決日常出行、運輸等問題，如圖3 所示。

3 基于TRIZ 理論的果樹施藥車創新設計實踐

結合項目內容和設計的可行性，對設計進行流程式分解，針對施藥工作人群的特征，對控制方式和運輸方式進行優化設計。施藥車產品設計以人為本，從用戶的角度出發，有著簡潔的外觀和實用功能，可一人操作，亦可多人同時作業，省工省時省力，適用于多種類型果園的噴藥工作。在面積較小的果園可直接使用車頭部分的單頭出口進行施藥，面積較大的果園可使用車底部的四頭出口進行轉換后再進行施藥。

問題設計：細節描寫分別在每篇文章的哪些段落？為什么這些語句是細節描寫？說說理由。舉例分析文中的細節描寫對塑造人物有什么作用。

3.1 造型設計

3)控制模塊設計：操作方式是施藥車用戶安全的基石，但隨著電動三輪車交通安全問題的凸顯，大部分操作人員未參加系統的交通安全知識培訓和考試，不懂道路標志、標線等問題，所以在融合功能的同時，可以將交通安全行駛模塊與控制相結合，避免安全事故的發生。

三輪施藥車產品創新設計以公牛為原型，整體為流線型，功能對稱式分布。設計時將施藥車的藥箱部分放在車的中心位置，提高產品的穩定性和功能性。將施藥車的兩輪設計成三輪，保證使用人群更加安全，施藥箱體在前方和底部設置了兩種類型的出水口，前端出水口便于單人施藥，可以根據不同噴頭匹配出水口。底部出水口是承接多人次同時施藥使用，出藥量大，適合風管流接施藥。

3.2 功能設計

該方案實現了單人、多人同時作業的需求，減少了運輸、兌藥等過程中重復性勞動等問題，整體施藥作業的時效性得到顯著優化，經濟性有所提高。施藥過程中其工作原理是由低壓直流提供能源，驅動低壓電動水泵，將藥桶內的液體吸出來，并通過輸藥管進入噴桿，進行施藥。由于噴藥桿取消了抽吸式噴藥裝置，從而有效地消除了農藥傷害操作者的弊端。由于電動泵壓力較大，增大了噴灑距離和范圍。出水管與噴桿，以及車身的銜接，滿足不同施藥場景的需求，且內部帶有攪拌裝置，可自動清洗藥箱。其容量為150L，射程范圍為18—22m，外形尺寸：1354mm×847mm×1252mm，如圖4 所示。

4 結語

文章以TRIZ 理論為理論基礎，結合傳統設計流程進行產品創新設計。首先對傳統施藥設備、施藥場景與用戶需求進行調研，分析出符合市場的產品類型，通過流程分析總結出現有產品存在的兩個問題。運用設計系統流程對產品的使用環境、方式和人群進行重新設計，將傳統運輸形式進行優化，閑置時可作為家中常用的交通工具。最終通過計算機輔助設計完成設計方案效果圖，并結合3D 打印技術制作樣機對產品進行優化，以期為同類型產品的設計與創新提供一定參考。

[1]梁學棟.客戶協同產品創新過程管理及其關鍵技術研究[D].重慶大學，2009.

[2]韓濤.TRIZ 理論在產品創新設計中的研究與應用[D].貴州大學，2010.

[3]隋禮輝，夏繼偉，杜秀波.基于TRIZ 理論的新能源汽車技術專業課程體系研究[J].職業，2019（08）：37-39.

[4]韓博.現代TRIZ 理論中因果鏈分析應用研究[J].科技創新與品牌，2016（03）：47-49.

[5]鄭靜.基于用戶體驗的摩托車造型結構設計與研究[D].天津大學，2016.

[6]程濤，岳克強，孫玲玲，等.山核桃樹林農藥噴灑系統設計[J].杭州電子科技大學學報，2021，34（17）：136-138.