基于TRIZ发明原理的智能消毒门垫设计.pdf

2023年8月机电技术机电技术基于基于TRIZ发明原理的智能消毒门垫设计发明原理的智能消毒门垫设计郭宇洋王 旭（电子科技大学成都学院 智能制造工程系，四川 成都 611731）摘要为解决智能消毒门垫在设计中存在的改进参数和恶化参数之间的技术矛盾，采用基于解决此技术矛盾的TRIZ发明原理引导优化设计方案。通过技术矛盾的确定、通用工程参数的转换、构建系统的技术矛盾矩阵、设计方案分析以及最终得到解决措施等流程，获得了智能消毒门垫的优化设计方案，并完成了系统模型的构建。系统性能测试结果表明：TRIZ发明原理能够比较有效地解决智能消毒门垫设计中的技术矛盾，为后续系统的优化设计提供了参考依据。关键词TRIZ发明原理；智能消毒门垫；技术矛盾；性能测试中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）04-020-03DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.04.007作者简介：郭宇洋（2000），女，本科生，主要从事电气工程方面的研究。通讯作者：王旭（1982），男，教授，硕士，主要从事机器人工程方面的教学与研究。随着社会的发展，人们的健康意识日趋增强，对于生活、办公等场所的环境卫生要求越来越高。因此，对环境消毒设备的研究具有良好的工程价值。从近年来关于室内消毒门垫方面的研究来看，主要向高自动化、智能化、便利化以及无污染的方向发展。例如：张思琪等1采用控制系统、无线传感技术结合专家权重法完成了智能消毒门垫软件和硬件的设计；潘建西2以 STM32为主控系统，实现了对门垫的消毒模块、感应模块、人机交互模块等的良好控制；吴安怡等3以HID理论为基础，分析了消毒产品的技术发展方向。上述研究均完成了智能消毒门垫的一些智能化的功能设计，且系统达到了一定的运行精度。但是，在系统的设计中，往往存在一个不可忽视的问题，即改进某个系统时，必定造成系统其他因素的恶化。例如：当智能消毒门垫的自动化程度提升后，会造成门垫本身重量、面积、体积的增加，系统的稳定性降低等问题。由此，便构成了技术矛盾。所以，在智能消毒门垫的设计中，本文采用基于解决技术矛盾的TRIZ发明原理，在实现其功能的同时，消除或减轻恶化的因素，实现较为优化的解析设计方案。1TRIZ发明原理概述TRIZ发明原理，是一种以统计学为基础，旨在解决技术创新设计中存在技术矛盾问题的一种发明方法。该理论将系统设计产生的技术矛盾划分为优化参数和恶化参数，并转换为通用的工程参数，然后提供推荐的发明原理引导方案设计，达到在完成系统优化设计的同时，消除恶化参数的目的4。对于智能消毒门垫而言，基于TRIZ发明原理的设计流程及主要内容如表1所示。表1TRIZ发明原理设计流程序号12345流程技术矛盾的确定通用工程参数的转换技术矛盾矩阵的建立设计方案的获得设计方案的实现主要内容将系统设计中，拟改进的性能或参数和改进后会出现的恶化因素，构成技术矛盾将该系统拟改进的性能或参数以及恶化因素按照TRIZ发明原理的标准通用工程参数进行转换根据转换的通用工程参数，结合TRIZ 推荐的发明原理，构建技术矛盾矩阵根据 TRIZ推荐的发明原理，结合系统特点，对各原理逐一分析，获得能够解决技术矛盾的设计方案将 TRIZ推荐的设计方案，完成系统的参数计算、建模、实验论证等环节2智能消毒门垫技术矛盾矩阵的建立智能消毒门垫的技术矛盾矩阵建立的基本步骤为：1）确定消毒门垫的技术矛盾，即定义拟设计的功能、设计或改善该功能会导致的恶化参数。以提升门垫的智能化为例，提升门垫的智能化程度将导致恶化的参数包括门垫的重量、体积、成本、控制系统的可维修性等。2）通用工程参数的转换。门垫的改进参数和恶化参数具有自身的特20第4期征，但由于TRIZ发明原理的适用性较广，故为了获得精确的推荐解决方案，需要将改进的性能和恶化的性能转换为通用工程参数5。例如提升消毒门垫的智能化涉及控制器、无线传感器等模块，可以转换的通用工程参数为自动化程度，由于系统的元器件较多，将导致门垫的重量增加、检修困难等，转换为通用工程参数为静止物体的重量、可维修性等。3）技术矛盾矩阵的建立。完成通用工程参数的转换后，根据 TRIZ 提供的解决技术矛盾方案6，构建技术矛盾矩阵。限于篇幅，以自动化程度为例进行说明，技术矛盾矩阵如表2所示。表2智能消毒门垫技术矛盾矩阵改进参数自动化程度恶化参数静止物体的重量28，26，35，10系统复杂性15，24，10可维修性1，35，13功率28，2，27注：表2中的编号，为TRIZ发明原理推荐解决技术矛盾的发明方法。28（机械系统替代）、26（复制）、35（物理或化学参数改变）、10（预先作用）、15（动态特性）、24（借助中介物）、1（分割）、13（反向作用）、2（抽取）、27（廉价替代品）。3方案的确定从表2所示的技术矛盾矩阵可知，TRIZ对每一对技术矛盾推荐了解决的措施。每一种技术矛盾有多项措施，如何确定最合理的措施，需要结合门垫的特点，对各发明原理进行分析。以自动化程度和静止物体的重量为例，解决该矛盾的措施为28（机械系统替代）、26（复制）、35（物理或化学参数改变）、10（预先作用）。按照28（机械系统替代）的指导原则，用物理场替代门垫的部分机械结构，可以达减轻物体重量的目的。因此，可以将常用的消毒液消毒模式，改为紫外线消毒模式；同时，将人踩在门垫上的应力感应模式替代为红外传感的感应模式。在提高系统自动化程度的同时，可以有效减轻门垫的整体重量。同理，可以通过分析推荐的发明原理，得到解决系统复杂性、可维修性以及功率的技术矛盾。部分措施如表3所示。根据表3所示的具体设计方案，本文构建了各模块的模型，部分模型如图14所示。表3系统的设计方案拟解决的技术矛盾自动化程度与静止物体的重量自动化程度与系统复杂性自动化程度与系统的可维修性自动化程度与系统功率损失确定的发明原理28（机械系统替代）、10（预先作用）10（预先作用）、24（借助中介物）1（分割）2（抽取）具体措施采用紫外线杀毒模块作为消毒方式、红外线模块作为检测装置、在距离元器件较远且人的脚作用不到的位置打减重孔针对不同的模块对应的元器件尺寸，在门垫中预先开设安装槽和线槽，并设计对应的夹具，方便布线将系统划分为不同的模块并在安装时，同一模块的元器件集中在一个区域系统接入使用场所的物联网系统，机器识别有人员进出时，系统自动开启，其余时间系统关闭；同时，采用光伏电池作为电源+$/10KVCC/112233CONGNDVCCDO100nFGNDLM3934100nF10K1K1K10K图1红外检测模块1K10KVCCPIN1PIN2GND+5V10K7A78A89GND10B811B712B613B514B415B316B217B118OE#19VCC20SN74HC2451k100nFGNDGNDDIR1A12A23A34A45A56A634&图2紫外线消毒模块郭宇洋 等：基于TRIZ发明原理的智能消毒门垫设计212023年8月机电技术机电技术GNDGNDVCC4NC5NC6SWDIO7SWCLK8NC9NC10RST11VBAT12GND13NC26LINK-STATUS25WORK-STATUS24KEY23NC22P0_021P0_420P0_319P0_118WORK-STATUS16KEY15GND14LINK-STATUS17RXDTXDUART-TX1UART-RX2UART-CTS3UART-RTS图3蓝牙模块4系统性能测试由TRIZ发明原理得到的设计方案是否合理，需要进行验证。由此，本文制作了一个简易的智能门垫模型用于测试。测试的内容包括系统运行的稳定性、响应速度、检测精度、消毒模块动作等。系统测试的部分结果如表4所示。通过表4所示的主要性能测试结果可知：该智能消毒门垫预期的功能基本实现，且在改进性能参数的基础上，减轻了门垫的整体重量、复杂程度、维修繁琐以及高功耗等容易恶化的参数。从这个方面来看，据TRIZ发明原理提出的解决技术矛盾措施，是一种行之有效的方式，达到了预期优化设计的目的。5结论针对智能消毒门垫的设计中，容易出现改进参考文献：1 张思琪，王旭.基于专家评价法的智能消毒门垫设计J.机电技术，2021（2）：28-30.2 潘建西.基于STM32的智能消毒门垫控制系统设计J.电子制作，2022，30（23）：32-34，79.3 吴安怡，王计平.基于HID理论的消毒产品设计研究J.美与时代（上旬刊），2022（10）：112-115.4 周苏.创新思维与TRIZ创新方法M.北京：清华大学出版社，2015.5 付晓莉，张斌，许桥，等.基于TRIZ理论的下肢康复训练器结构改进设计J.机械设计，2023，40（1）：148-154.6 吴浩，任凯麟，邓星现，等.基于TRIZ理论的智控变位衣柜设计与实践J.机械工程师，2023（1）：51-53.123+5VGND100nF100nFGND1VOUT2VIN3VOUT4AMS1117-3.3GND+5VGNDGND3.3V10uF10uF图4电源模块表4系统性能测试结果通信抗干扰性良好系统稳定性良好系统响应较快避障效果良好运行轨迹精度高消毒模块动作正常参数和恶化参数的技术矛盾。采用TRIZ发明原理提供的方案，提出了优化设计的措施并完成了系统的设计。通过对系统性能的测试表明，在减轻或消除恶化参数的同时，智能消毒门垫的整体性能良好，为下一步的继续优化设计提供了思路。22