基于TRIZ理论的防疫消毒机改良设计研究

高瞩 胡蜜蜜

摘要：解决现有防疫消毒机消毒效率低、操作不便、消毒角度单一的问题，为疫情爆发时提供一种更好的消毒机器，满足人们对于消毒机更高的设计需求。基于发明问题解决理论（TRIZ）的防疫消毒机改良设计方法，对防疫期间应用的消毒机按照系统分析、用户研究、归纳要素的步骤结合TRIZ理论中的创新思路模型，从传统消毒机的易用性、机器工作效率、智能化一体对消毒机进行改良设计。基于TRIZ理论运用红外线传感技术设计出了一款消毒机，它将以一种更加便捷智能的仿生机器人方式服务于不同场合下的消毒工作。

关键词：防疫消毒机 智能化 系统分析 TRIZ 改良设计

中图分类号：TB47 文献标识码：A文章编号：1003-0069（2022）11-0123-03

Abstract：Purpose to solve the existing epidemic prevention disinfection disinfection disinfection machine efficiency low operating the inconvenience angle of a single problem，to provide a better in the event of an outbreak of disinfection machine，meet the demand of people for disinfection machine higher design method based on system analysis（SA） and theory of invention problem solving（TRIZ） and epidemic prevention disinfection machine improved design method of disinfection machine according to the system analysis on the application of the epidemic prevention during user research steps of inductive elements in combination with the creative thinking in the TRIZ theory model，the ease of use of the machine from the traditional disinfection machine efficiency Intelligent integrated design of the disinfection machine，combined with infrared sensing technology to make the disinfection machine in a more convenient and intelligent way of bionic robot to serve the disinfection work in different occasions.

Keywords：Epidemic Prevention and disinfection machine System analysis TRIZ Improved design

引言

隨着新型冠状病毒肺炎的爆发，消毒成为公共社区及家庭生活每日必备，消毒的频率大幅提高，也导致人们对于消毒机有了更高的设计需求。通过调查分析用户对消毒机的使用体验，从传统消毒机的易用性、机器工作效率、智能化一体对消毒机进行改良设计，并对消毒机的结构进行优化，结合红外线传感技术使消毒机以一种更加便捷智能的仿生机器人方式服务于不同场合下的消毒工作。

一、改良设计

（一）改良设计概念：改良设计是产品设计过程中应用最广以及创新效率最高的的设计方法之一，改良设计既是一种设计方法也是一种设计思维，考察设计人员在日常生活中捕捉设计点的敏锐性。什么是改良设计呢，对于改良的定义主要体现在去掉或者改善事物的某些不足之处，经过改造之后设计产品可以更好地满足人们日常生产生活需求[1]。 我们在进行改良设计的过程中，不对事物的本质或特性进行变动，对事物进行分析痛点并对痛点进行有针对性的改进，让一件产品或者一个系统更加符合人的操作习惯，提高人们的办事效率，这种设计可以称之为改良设计[2][3]。

（二）改良设计方法：改良设计方法是一种在现有产品或系统的基础上进行优化、充实的再设计方法，需要对现有产品或系统进行全面的调查、分析和判断，通常使用的方法是将各部分拆解后进行分析，最后汇总形成系统的分析。

改良设计方法大致归纳为从用户到产品的改良设计和从产品到用户两种途径，基于用户调研的改良设计方法是使用用户调研方法如问卷、访谈等形式，从系统使用者的角度出发，获取需求和痛点的以提升使用者满意度为目标的设计方法。为寻找和明确目前城市消毒系统中痛点问题，首先需要提炼用户日常消毒过程中的影响因素，围绕防疫消毒机的功能、人机、安全、易用性等方面对用户的消毒行为和满意度进行问卷调查，收集反映用户消毒路径中的关键性数据。在此基础上分析其出行的特点，结合一般数据分析方法，使用回归分析明确影响用户消毒可量化关键性指标。进而根据这些指标和所收集的对应数据，找到痛点问题，对目前的路面城市消毒防疫体系进行改良设计。[4]本篇研究将利用TRIZ理论中解决问题的思维，针对防疫消毒过程中的具体问题进行分析，构建问题模型方程式，通过带入TRIZ理论中的通用解得出具体解，从而达到改良产品的目的。

二、消毒机改良设计系统分析

传统消毒机改良设计依照一定的系统流程分析进行，首先将改良的产品拆分成多个组件，对每一个组件单独进行用户使用研究，多层次分析每一个组件的调查研究的改良点，最终确定此次改良设计的优化之处并给出解决方案[5]。

（一）系统分析：将消毒机（技术、形态、功能）看作一个改良系统，各个组成部分作为改良子系统，然后对消毒剂的设计需求进行筛选。筛选的依据主要从三个方面出发，分别是生理角度、心理角度和交互设计角度。

从生理角度出发需考虑消毒机与人的操作行为关系，主要涉及到防疫消毒机结构与人的尺寸、空间匹配度问题。传统防疫消毒机与人之间的操作关系主要有：背负式、推车式、手提式、车载式。四种消毒操作方式适用于不同环境场合下的消毒工作，一般背负式适合厂房等中小型消毒场所，手提式适用于社区城市街道的消毒工作，推车式消毒机适用于养殖场基地，车载式适合道路、社区等大型场所消毒。消毒机的设计尺寸还需考虑机器的移动方式、占地空间、功能布置以及机器的省力性。

从心理角度出发，防疫消毒机的安全设计是人们在产品使用中至关重要的因素，尤其在疫情防控期间，产品的安全性一直是人们关注的重点问题。市面上的防疫消毒机主要有高压静电、紫外线循环风空气消毒机，臭氧发生器消毒机，紫外线消毒设备，干雾消毒机。消毒机设计安全需要不同注意消毒方式的作业特征，例如臭氧发生器使用时不可以有人在场，紫外线消毒机在保证无人的情况下还要避光使用，定期进行紫外线强度的检测，干雾消毒机是通过过氧化氢消毒，无色无味还可以把微生物分写成氧气和水，相对来水干雾消毒机更加环保安全。

从交互设计角度出发，传统防疫消毒机智能化水平比较低，消毒作业情况的显示，消毒效率的提示都不具备很强的信息可得性。现代技术水平的高度发展，例如语音提示，屏幕显示，远程监控都可以应用到现代消毒机的交互设计上。疫情防控下，人们对消毒机的使用频率越来越高，现代交互设计的增强可以极大提高人们的消毒效率。其次消毒需求多样性也要求消毒机功能进一步提高，功能的布局也是交互设计的一部分，例如：开关、注水、状态显示等。功能的多样性与消毒机产品需求定性配合，提高消毒机产品人性化水平。

因此防疫消毒机在日常使用过程中常见的十个考虑因素分别是消毒效率、移动便捷性、注水便捷性、作业安全、占地空间、智能性、消毒成本、功能多样性、省力性、作业状态显示，如图1。先将一个复杂的产品由繁变简，所有产品都可以进行系统分析法对他进行拆解分析，针对每一个产品系统中的要素进行逐个分析，这样的好处是可以让一个复杂的产品变得简单，产品分析的过程也会由繁至简，帮助设计研究人员更好地看清产品的问题，从而厘清思路[6]。

（二）用户研究：用户研究就是以UCD的概念为基础，对用户生活中的产品使用体验的研究。UCD的设计概念中首先明确了“人”是最重要的产品设计因素，用户的需求一直是产品概念设计的出发点。所以在产品设计的过程中，用户的理解和研究是设计的根本依据，而UCD思想和方法恰巧提供了这样一个思路和流程帮助我们更好的进行产品设计[7][8]。其基本流程：首先调研目标用户的生活方式以及消费水平，其次通过问卷调查或访谈法获取用户对目前改良产品的经验和建议，然后发现用户在使用目前产品时存在的痛点问题，最后根据用户反馈确立当前产品的优化目标及要求。

针对拆解出的组件功能、形态、技术进行用户调查研究，可以使用常见的问卷法、访谈法，围绕用户的真实需求，确定用户在使用过程中的关键痛点问题，以用户使用为基准确保改良出的产品以人为本进行，从而提高产品的宜人性[9]。

（三）归纳分析改良设计要素：通过前面两个步骤获取到的优化建议，组织归纳分析，扫除各个点之间的相同部分以及矛盾点，最终确定从以下三个方面对传统消毒机进行改良设计：

易用性：消毒喷头是固定方向，不可以变化角度和调节高度，当灌满水会更不易搬运，可以从省力性和可调节性两个方面改良。

消毒效率：传统消毒剂只有一个喷头，消毒液质量较重，当疫情来临，操作和移动都十分不便，这也是消毒效率低的主要因素，可以从喷头数量、便于移动两方面进行改良。

智能化：科技高速发展，可我们的防疫消毒设备却与“智能”相距甚远，提高防疫装备智能化不仅仅是对未来的安全防护，更是对此次抗击疫情的所有工作者的一份责任与承诺。

三、基于TRIZ创新模型的改良设计方案

（一）TRIZ概念及研究现状：在创新设计领域，前苏联工程师阿奇舒勒基于技术演变趋势的启发式法则提出了针对发明创造的问题解决理论（TRIZ）[10]。经过六十余年的实践与研究，TRIZ已经形成了系统的运用原则和理论工具[11]，TRIZ 基于运用矛盾矩阵、技术进化法、知识库等工具，预测产品趋势快速产生有竞争力的创新设计，解决企业新产品创造的问题。

TRIZ方法是针对一个无法解决的已知问题，第一步先将其转化为TRIZ形式的问题，查找TRIZ方法工具中的通用解决办法，然后针对具体问题将通用的解决办法转化为具体解，带入实际问题中实践，最终解决问题[12]。其中，解决发明技术矛盾（也称技术冲突）的40个创新原理是TRIZ理论中十分重要的组成部分。利用该原理可以使设计具有可预见性，从而更好地指导设计改良活动，其通常方法确定产品或方法创新策略过程中的技术矛盾，技术矛盾包含在产品改良设计过程中改善的参数和被恶化的参数，将其分别用39个通用工程参数予以表征[13]；在矛盾矩阵表中找到縱向改善参数与横向恶化参数相交处的单元格内给出的创新原理编号；根据该编号查找原理具体内容；根据对应原理的具体内容，在设计实践过程中运用到到具体的技术问题中，研究每个原理在改良设计具体问题上如何解决。[14][15]。

前面的改良设计分析得出防疫消毒机的易用性、消毒效率、智能化均存在问题。运用TRIZ问题解决思想求解，根据图3中已经列举出的创新原理名称和具体含义，通过分析来筛选适用于消毒机改良的创新原理进而解决问题。

（二）易用性问题：易用性问题的解决可以套用分割原理，分割原理一方面是对实际研究过程中遇到的设计产品进行分割，具体做法一般是把一个产品分成几个相互独立的部分，另一方面是对实际设计过程中遇到的设计观念进行分割或合并，提高设计目标的独立性和可分割性。设计产品的易用性始终作为设计问题的重点，我们在日常生活中考虑选购物品时，一方面是看产品外观，另一方面是看产品的功能，影响用户是否会购买的重要参考因素是产品的易用性。传统防疫消毒机设计的要点依旧是产品将目标设计分成几个相互独立的部分将易用性分成易移动搬运、易消毒操作两部分，首先是消毒机移动搬运，传统消毒机是由一个喷头一个水箱两大部分组成，在移动时需要两手操作拿起喷头和水箱，质量比较大搬运并不轻松，传统消毒机的操作方式是人背着消毒液拿着消毒喷头，消毒液位不可视，人在工作时并不清楚自己喷洒了多少量。

通过对传统消毒剂的水箱及喷头结构分析，替代以往用水管相连的方式，设计成一个整体，考虑疫情发生时情况紧急，从预先作用原理烤炉，应急情况下应该提高消毒机的搬运可靠性，因此设计下部安装四个万向轮，改变传统由“背”转“推”。（图4 所示）

改良后的消毒机解放了消毒工作者两手操作，底部装有万向轮可以很轻松推动消毒，紧急疫情时可以快速移动投入到防疫战中，消毒机不再用人背避免了消毒液洒到消毒工作者的背上伤害皮肤，也杜绝了漏电等的意外危险，更加好用的同时更提高了消毒工作人员的安全性。

（三）消毒效率问题：消毒机的工作效率问题对设计部分进行分割，设计部位分为喷头、喷头转换部位，对其消毒方式进行改良设计。

由图5我们可以看出传统消毒机只有一个喷头，并且需要人把握消毒机的喷洒方向，不能全方位的消毒，当消毒工作者遇到一些有高度的消毒工作时，消毒工作会更加艰难。改良后的消毒机喷洒头增加至五个且呈圆形360°均匀排布。（如图5、6所示）

防疫消毒方式也是消影响消毒机工作效率的重要因素。常规下冠状病毒在56℃温度的环境中待30分钟可以被灭活，75%乙醇，乙醚、含氯消毒剂等脂溶剂均可有效杀灭病毒。[16]根据TIRZ中的替代原理，在不改变产品功能的同时，尽可能使用成本低的物品去替代成本昂贵的物品，改良后消毒机选择以75%乙醇、含氯消毒剂等脂溶剂作为消毒剂[17][18]，成本低且针对冠状病毒杀菌效果较好，适合大面积社区及公共场合消毒。

（四）智能化问题：传统消毒机在防疫工作中大量依靠人力，日常使用没有太大的困扰，但是当疫情出现，消毒工作变成了高危职业，用传统消毒机工作，工作人员必须做好多层防护，佩戴防毒面罩，操作十分不便。

根据TRIZ中的自我服务原理，机器本身辅助人去消毒，降低人力成本，应用无线传感、路径规划及避障技术到传统消毒机，使消毒机以一种更加便捷智能的仿生机器人方式服务于社区及高铁站的消毒工作。编程输入消毒路径，指定消毒液使用量，实现自动化消毒工作，在工作时屏幕显示工作状态时的温度、湿度、消毒量。（如图7、8）

国家目前的防疫工作取得了初步胜利，但疫情造成的损失不可估量，这与我们国家对防疫准备工作有着密切关系。纵观我们的消毒装备，与我们的家用电器相比落后太多，普通家电现在已经走向了智能化时代，可消毒装备仍然很落后，自动扫地机已经走向千家万户，可自动消毒机器人的应用相差甚远，当疫情发生时依然要大量依靠人力消毒，推动防疫工作的技术进步，提高防疫装备智能化不仅仅是对未来的安全防护，更是对此次抗击疫情的所有工作者的一份责任与承诺。

结论

改良后的消毒机是一款适用于社区、高铁站等公共场所的智能化防疫消毒机器人，通过系统分析及发明问题解决理论（TRIZ）的防疫消毒机改良设计方法确定改良优化设计点，提升了传统消毒机的易用性、消毒效率、智能性，结合无线传感技术、自主移动避障等技术，使消毒机以一种更加便捷智能的仿生机器人方式服务于社区及高铁站的消毒工作。

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