基于TRIZ理論的一體式干手器執(zhí)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

王麗麗，楊 杰，2，梁 鎧，張志明，劉 雄，陸 佳

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 廣東創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗室，廣東 廣州 510006）

干手器是一種衛(wèi)浴間烘干雙手或者吹干雙手的潔具電器，分為感應(yīng)式自動干手器和手動干手器，主要運(yùn)用于賓館、餐館、科研機(jī)構(gòu)、醫(yī)院、公共娛樂場以及家庭的衛(wèi)生間等場所. 相比于常規(guī)的紙巾擦手方式[1]，干手器干手方式更加環(huán)保，同時減少頻繁添加紙巾的問題. 現(xiàn)階段市面上的干手器主要為掛壁式干手器和一體式干手器兩種:掛壁式干手機(jī)出現(xiàn)較早，占據(jù)了市場的大部分份額，但銷售量逐年遞減；一體式干手器出現(xiàn)較晚，占據(jù)份額相對較小，但銷售量呈指數(shù)方式遞增. 掛壁式干手器通常安裝在洗手池旁邊的墻上[2]，工作時通過紅外感應(yīng)裝置來控制電路開關(guān)，當(dāng)感應(yīng)裝置在出風(fēng)口檢測到人手時，控制開關(guān)閉合，電熱絲和電動機(jī)開始工作，輸出暖風(fēng)烘干使用者雙手，當(dāng)人手離開時，控制開關(guān)斷開，電熱絲和電動機(jī)停止工作. 這種干手器具有成本低、安裝維修便捷及自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，但使用前人們需從水龍頭移動到干手器，在移動過程中占用使用者時間且手部的廢水會在重力作用下滴落到地板，造成地板二次污染，增加清潔的工作量，使用中存在噪聲較大[3]、細(xì)菌增生多[4-7]、能耗大[8]等問題，影響用戶體驗.基于以上問題，一體式干手器孕育而生. 它將水龍頭和干手器組合在一起，使用者洗手之后便可直接干燥雙手，有效避免了廢水弄臟地板的問題，同時節(jié)省了使用者來回走動的時間. 據(jù)統(tǒng)計，一體式干手器可將干手速度從30 s降低至10 s，碳排量降低70%[9]. 一體式干手器雖然較傳統(tǒng)的掛壁式干手器有較大改善，但在實(shí)際使用過程中，又暴露出一些新的問題，主要是手部活動受限、干手時間長. 本文基于TRIZ理論對該問題進(jìn)行系統(tǒng)深入的分析，以期得到理想度更高的系列解決方案，從根本上改善或解決這些問題.

1 系統(tǒng)工作原理分析與問題識別

1.1 工作原理分析

一體式干手器為一種與水槽配套使用的設(shè)備[10]，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖1所示. 該設(shè)備合并有水龍頭和干手器，該水龍頭包括噴口、供水管與出水口，用于洗手時提供水流；干手器包括相對的左右手出風(fēng)管、噴口，用于干手時提供高流速氣流；立柱用于支撐噴口. 洗手時，使用者將手置于出水口下方，根據(jù)檢測系統(tǒng)檢測到雙手控制出水裝置出水，水流流經(jīng)供水管，從出水口流出，供使用者清洗雙手；干手時，將雙手展開分別置于左右出氣孔下側(cè)，根據(jù)檢測識別系統(tǒng)檢測到雙手出風(fēng)裝置出風(fēng)，氣流經(jīng)供水管與噴口及立柱之間的間隙的傳輸?shù)竭_(dá)左右出風(fēng)管，從出風(fēng)管上分布的出氣孔流出吹干雙手，從而實(shí)現(xiàn)使用者洗手與干手的功能.

圖1 一體式干手器執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig.1 The executive agency of integrated hand dryer

1.2 問題識別與初步解決思路

通過對圖1所示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分析可知:供水軟管與氣流共存于同一噴口管壁內(nèi)，可在一定程度上縮小裝置所占空間. 由于供水軟管存在一定的自由度，在噴口內(nèi)氣流的影響下位置發(fā)生變動并反作用于氣流，改變氣流的流向，影響干手效果. 因此，需對干手器的位置進(jìn)行一定的改進(jìn).面對一個問題時，人們通常會在慣性思維的驅(qū)動下[11]，直接針對初始問題開始尋找解決方案. 既然引起氣流方向不穩(wěn)定的主要原因是供水軟管與氣流相互作用改變了氣流的方向，那么解決問題的直接辦法就是將相互接觸的兩者分開或者將供水軟管固定. 圖2所示為一種一體式干手器水/氣分離執(zhí)行機(jī)構(gòu)的初步解決方案. 該方案將供水管與氣流共存的噴口設(shè)計為噴口A與噴口B，噴口A走氣，噴口B走水，從而將供水軟管與出風(fēng)口分離，以盡可能消除供水軟管對氣流的影響.

圖2 一種一體式干手器水/氣分離執(zhí)機(jī)構(gòu)Fig.2 The water/gas separation mechanism of integrated hand dryer

一體式干手器水/氣分離執(zhí)行機(jī)構(gòu)消除了供水軟管對氣流的擾動，卻加大了噴口的體積，縮小了手部活動空間；同時，出風(fēng)管限制手部活動空間這一問題并沒有得到解決.

2 系統(tǒng)功能分析與裁剪

功能分析可以識別系統(tǒng)組件及與超系統(tǒng)組件之間的相互作用[12]，發(fā)現(xiàn)不足、過度、有害等非充分作用的功能. 而裁剪工具則是通過去掉某個組件的方式尋求問題的解決，同時會將所去掉組件的功能在系統(tǒng)與超系統(tǒng)組建內(nèi)進(jìn)行重新分配.

2.1 功能分析

按照功能分析的3個步驟，對一體式干手器以此進(jìn)行了組件分析與相互作用分析，從而構(gòu)建了如圖3所示的執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能模型圖. 在圖3中，組件之間的主要作用為:水氣分離的干手機(jī)機(jī)構(gòu)的噴口由噴口A與噴口B構(gòu)成；噴口B支撐內(nèi)部的供水軟管；噴口與其兩側(cè)出風(fēng)管固定連接；出風(fēng)管軸線方向上分布有出氣孔；氣流流經(jīng)噴口A、出風(fēng)管、出氣孔從而作用于手部的廢水，達(dá)到干手效果. 通過分析，可發(fā)現(xiàn)非充分的功能主要為:出風(fēng)管對手部空間的限制屬于有害功能，出風(fēng)孔處的氣流對手部廢水的刮除力屬于不足功能. 對于存在的有害作用以及不足作用，可以直接應(yīng)用TRIZ的解決問題的工具，消除相應(yīng)的有害作用，加強(qiáng)不足功能作用.

2.2 系統(tǒng)裁剪

圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能模型圖Fig.3 The function model of executive agency

裁剪法有3個基本規(guī)則[13]，規(guī)則A是指當(dāng)功能對象不再需要存在或可被去掉時，已有功能載體可被裁剪；規(guī)則B是指當(dāng)功能對象能自我實(shí)現(xiàn)功能時，已有功能載體可被裁剪；規(guī)則C是指當(dāng)能在系統(tǒng)或超系統(tǒng)內(nèi)找到一個新的組件實(shí)現(xiàn)已有功能載體相同的功能，已有功能載體可被裁剪.

2.2.1 出風(fēng)管壁的裁剪

由功能模型可知，出風(fēng)管壁為導(dǎo)致手部活動間受限的問題組件. 由功能模型可知:出風(fēng)管提供嵌套出氣孔、引導(dǎo)氣流的有用作用及限制手活動空間的有害作用，噴口A提高支撐出風(fēng)管壁、引導(dǎo)氣流的有用功能，由于噴口A具有和出風(fēng)管類似的壁厚，具有對出氣孔的嵌套作用. 根據(jù)裁剪規(guī)則C[14-16]:技術(shù)系統(tǒng)或超系統(tǒng)中的其他組件可以完成A的功能，可對該組件進(jìn)行裁剪，因此可對出風(fēng)管壁進(jìn)行裁剪，將其執(zhí)行的有用功能重新分配. 圖4為出風(fēng)管壁裁剪后結(jié)構(gòu)示意圖.

圖4 出風(fēng)管壁裁剪后結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of cropped outlet wall

將出風(fēng)管壁裁剪掉，將出氣孔沿噴口A的軸向均勻分布，噴口A提供引導(dǎo)氣流、嵌套出氣孔的功能，從而保留了出風(fēng)管壁的有用功能且消除了其阻礙手部活動空間的有害功能. 使用者洗手后可以將雙手置于噴口兩側(cè)的出氣孔下方干手.

2.2.2 裁剪方案的優(yōu)化

由于噴口A與噴口B并行，噴口B占據(jù)一定的空間，阻礙使用者的雙手. 由功能模型圖可知:噴口B提供支撐供水軟管、固定出水口的有用功能及限制手部活動空間的有害功能，立柱具有與噴口B相類似的功能，因此可裁剪掉噴口B，由立柱支撐供水管.

基于使用者洗手習(xí)慣，出水口位于噴口A端部較為舒適. 根據(jù)‘嵌套原理’的提示，可以將供水軟管出水端部設(shè)置為類似釣魚竿式的嵌套結(jié)構(gòu)，供水管具有一定的剛度，從而可以實(shí)現(xiàn)自我支撐. 干手時，嵌套供水管端面在水壓的作用下向前伸出，出水口出水供使用者清洗雙手；清洗結(jié)束后，供水系統(tǒng)停止供水，由于嵌套供水管向上傾斜一定的角度，在重力的作用下收縮到最短，為使用者提供干手空間；干手時，使用者將雙手置于噴口兩側(cè)的出氣孔下方干燥雙手，圖5為水管動態(tài)化示意圖.

圖5 水管動態(tài)化示意圖Fig.5 Schematic diagram of dynamic water pipe

根據(jù)一體式干手器功能分析得到的問題組件，可通過裁剪問題組件來增大一體式干手器的手部活動空間，提高系統(tǒng)理想度、簡化系統(tǒng)、降低成本及規(guī)避相應(yīng)的專利[14-16]. 同時，在希望保留噴口B對供水軟管的支撐功能又要求噴口B不占據(jù)空間的情況下嘗試采用裁剪法來解決.

3 因果鏈分析與關(guān)鍵問題的解決

因果鏈分析通過建立初始缺點(diǎn)與底層缺點(diǎn)的邏輯關(guān)系[17-18]，找到解決問題的突破口. 物理矛盾與分離法則、物場模型與76個標(biāo)準(zhǔn)解等解決問題的工具通過借鑒不同領(lǐng)域相類似的解決方案，提高解決問題的效率且使問題的解決更具可預(yù)見性.

3.1 因果鏈分析

通過功能模型并不能完全識別出關(guān)鍵問題及問題之間的因果邏輯關(guān)系，從初始問題“氣流作用于手的時間過度”分析可得如圖6所示的因果鏈分析，發(fā)現(xiàn)針對初始問題的TRIZ理論的功能分析顯示的氣流對手部廢水的作用力不足從而引起干手時間長這一問題[16]，通過功能模型圖并不能找到解決問題的入口點(diǎn)，因此我們需要借助因果鏈分析圖6，發(fā)現(xiàn)其直接原因是氣流作用于手部的強(qiáng)度不足、氣流流量不足、氣流與手的接觸面不足、氣流相對于雙手的移動速度不足，然后將此原因分別看做結(jié)果，再分析導(dǎo)致其下一層的原因，一直追到根本原因為止. 原則上建議先從根本原因著手解決問題，因為一旦根本原因得到解決，中間問題有可能迎刃而解. 若根本原因解決成本高、難度大，則逐層往上追溯. 結(jié)合因果鏈分析和項目實(shí)際要求，確定需要解決的關(guān)鍵問題點(diǎn)為出風(fēng)管壁與手距離遠(yuǎn)和出風(fēng)管壁長度不足.

經(jīng)過對關(guān)鍵問題的分析得到對應(yīng)的兩對關(guān)鍵物理矛盾:(1) 矛盾一: 對于出風(fēng)管長度既要長又要短，長度短是因為需要為使用者提供較大的手部活動空間； 長度長是因為需要為使用者提供更快的烘干效率. (2) 矛盾二:出風(fēng)管與手距離既要近又要遠(yuǎn)，距離近是因為保證氣流作用于手部的氣流強(qiáng)度，距離遠(yuǎn)是因為要防止管壁碰撞雙手.

圖6 因果鏈分析Fig.6 The analysis of causal chain

3.2 關(guān)鍵問題矛盾一的求解

3.2.1 基于時間分離法則分離矛盾

由問題一描述中存在的時間導(dǎo)向詞可從時間分離角度尋找解決方案. 根據(jù)時間分離法則對應(yīng)的NO.15動態(tài)特性原理的提示，改變噴口與出風(fēng)管壁的固定連接方式，使出風(fēng)管與噴口轉(zhuǎn)動連接，優(yōu)選在水平面內(nèi)向與使用者相反的方向轉(zhuǎn)動. 旋轉(zhuǎn)的出風(fēng)管可增大手部活動空間，但同時要求噴口長度大于自身長度，因此需對出風(fēng)管壁長度進(jìn)一步改進(jìn).

動態(tài)特性原理產(chǎn)生的問題分析后仍屬于物理矛盾，根據(jù)時間分離原理的NO.07嵌套原理可以很好地解決長度限制問題. 在出風(fēng)管動態(tài)旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上將出風(fēng)管分為可以相互套疊的幾部分，洗手/干手流程示意圖如圖7所示.

干手時，利用超系統(tǒng)中的氣流對出風(fēng)管根部楔形面的作用力使出風(fēng)管轉(zhuǎn)動到干手位置，氣流對出風(fēng)管頂端的反沖力大于彈簧的拉力使嵌套的出風(fēng)管伸展到最長狀態(tài)；干手后出風(fēng)裝置停止出風(fēng)，出風(fēng)管在彈簧的拉力下收縮到最短狀態(tài)；由于噴口向上傾斜一定角度，出風(fēng)管與噴口在同一傾斜一定角度的平面內(nèi)，從而收縮到最短的出風(fēng)管壁在重力的作用下回復(fù)到與噴口軸線相平行的位置，增大手部活動空間.

圖7 洗手/干手流程示意圖Fig.7 Schematic diagram of hand washing/drying process

3.2.2 基于物場模型與標(biāo)準(zhǔn)解的方案優(yōu)化

根據(jù)動態(tài)化與嵌套原理提示，改進(jìn)的方案在保證出風(fēng)管長度的同時增大了手部的活動空間. 由于出風(fēng)管主要依靠彈簧提供的拉伸力實(shí)現(xiàn)出風(fēng)管的收縮，但并行于出風(fēng)管內(nèi)并與出氣孔氣流方向垂直的彈簧會對氣流造成巨大的擾動.

拉伸彈簧、氣流以及彼此之間的接觸形成有害的完整物場系統(tǒng). 如物場模型圖8所示，將對出風(fēng)管壁端部作用的機(jī)械場轉(zhuǎn)換為無形的磁場，則可以實(shí)現(xiàn)對嵌套管壁的拉力且對氣流無干擾作用.

圖8 物場模型圖Fig.8 Object field model

采用引力場來實(shí)現(xiàn)嵌套管壁的收縮，可以采用外界提供的引力場，也可以利用自身的重力提供收縮的作用力. 如拉伸轉(zhuǎn)換示意圖9所示，在嵌套的出風(fēng)管壁兩端分別安裝有磁性環(huán)，干手后在磁性環(huán)A、B的引力作用下縮回到最短狀態(tài).

圖9 拉伸轉(zhuǎn)換示意圖Fig.9 Schematic diagram of stretch conversion

3.3 關(guān)鍵物理矛盾二的求解

3.3.1 基于整體與部分分離法則分離矛盾

由矛盾二問題的描述，可從整體與部分尋找解決方案. 根據(jù)整體與部分分離法則轉(zhuǎn)換到相反系統(tǒng)對應(yīng)的反向作用原理的提示，將通常運(yùn)動的雙手靜止，讓通常靜止的氣流出氣孔運(yùn)動. 如可旋轉(zhuǎn)出氣孔示意圖10所示，洗過手之后，可將手靜置在出氣出風(fēng)口下方，檢測裝置啟動出風(fēng)裝置出風(fēng)，在氣流的流動下帶動與出風(fēng)管一體的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，從而使出氣孔相對雙手旋轉(zhuǎn)，氣流在出氣孔旋轉(zhuǎn)的同時掃過雙手表面，刮走手部廢水，干燥雙手. 由于手靜止不動，雙手與出風(fēng)管壁的距離恒定，因此可以減小手與出風(fēng)管壁的距離，增強(qiáng)氣流作用于手部廢水的強(qiáng)度.

圖10 可旋轉(zhuǎn)出氣孔示意圖Fig.10 Schematic diagram of rotatable vent

3.3.2 基于空間分離法則分離矛盾

出氣孔在隨出氣管旋轉(zhuǎn)的過程中，從出氣孔噴出的氣流會掃到人手部之外的部位，但在使用過程中氣流真正需要吹到的范圍為人手表面這一區(qū)域.根據(jù)空間分離法則對應(yīng)的“嵌套原理”的提示，將隨出風(fēng)管壁旋轉(zhuǎn)的出氣孔外側(cè)套以固定的管壁，管壁上根據(jù)手部需要掃過的角度開有一定的出風(fēng)口，出氣孔掃過出風(fēng)口時噴出高速氣流，在轉(zhuǎn)到非出風(fēng)口位置時出氣孔被外側(cè)管壁密封，不噴射氣流. 為了進(jìn)一步提高效率，根據(jù)出風(fēng)口的的角度在出氣管壁上按相應(yīng)的角度開有效應(yīng)的出氣孔，如定向旋轉(zhuǎn)出氣孔示意圖11所示.

圖11 定向出氣旋轉(zhuǎn)出氣孔示意圖Fig.11 Schematic diagram of directional gas rotatable vent

4 方案分析與評價

由TRIZ理論的特點(diǎn)可知:針對同一問題，采用不同的發(fā)明原理會產(chǎn)生不同的解決方案，方案之間優(yōu)點(diǎn)的相互組合又會產(chǎn)生新的方案. 因此，在產(chǎn)生若干方案的基礎(chǔ)上根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際情況進(jìn)行評價選擇較為滿意的方案[19]. 而技術(shù)系統(tǒng)總是以客觀的規(guī)律隨著時間向更高級別的方向進(jìn)化，掌握當(dāng)前產(chǎn)品所處的進(jìn)化階段、預(yù)測未來的發(fā)展方向，從而取得市場主導(dǎo)權(quán).

根據(jù)對干手器申請數(shù)量方面的分析[20]，干手器處于進(jìn)化S曲線的成長期，應(yīng)朝著提高系統(tǒng)的理想度法則、動態(tài)性進(jìn)化法則、子系統(tǒng)不均衡進(jìn)化法則提供的方向進(jìn)化. 在符合S曲線的進(jìn)化方向的前提下，綜合考慮方案的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)、實(shí)施的可行性等因素，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的改進(jìn)方案進(jìn)行評價得到以下結(jié)論:兼?zhèn)湫D(zhuǎn)伸縮的出風(fēng)管壁的動態(tài)化設(shè)計，消除了管壁對手部空間的限制，但是成本高；手靜氣動的反常規(guī)干手方式設(shè)計，可近距離干手且不存在空間限制，可行性強(qiáng)；采用裁剪方式的無壁機(jī)構(gòu)設(shè)計，節(jié)省空間且消除氣壁對手部空間的限制，可行性高，但干手角度難調(diào)節(jié)，舒適度差；結(jié)合可旋轉(zhuǎn)的動態(tài)化設(shè)計和“氣動手靜”的干手方式，可在保證穩(wěn)定性的同時消除管壁的空間限制，可行性高.

通過方案分析篩選出裁剪出風(fēng)管壁的方案、“氣動手靜”的干手方案以及嵌套動態(tài)化的設(shè)計方案.

5 結(jié)論

通過分析干手器的使用現(xiàn)狀，提出一體式干手器水/氣輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)在干手時間以及手部活動空間方面的改進(jìn)設(shè)計. 基于TRIZ理論建立功能模型以及進(jìn)行因果鏈分析；根據(jù)分析結(jié)果對應(yīng)的物場分析、分離原理以及裁剪等若干工具產(chǎn)生相應(yīng)的解決方案；針對產(chǎn)生的若干方案的評價以及組合，篩選出符合市場未來需求的解決方案，為一體式干手器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的改進(jìn)提供參考.