基于人機工程學(xué)原理的智能垃圾桶設(shè)計

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

隨著我國老齡化程度的加深，加強研發(fā)便捷的生活用品對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，屬于一個靜態(tài)的容器[2]。人們在使用中通常需要步行至垃圾桶旁邊，然后通過彎腰的動作來將垃圾放進垃圾桶中。然而，這看似簡單的兩個動作，對于年齡較大、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，讓其整理垃圾的時候更加方便，將容易對老年人造成傷害的風險因素消除，是十分必要的。所以，本文在智能垃圾桶的設(shè)計中，以老年人為使用對象，在基于人機工程學(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險。

1 人機工程學(xué)原理設(shè)計思路

人機工程學(xué)原理，是產(chǎn)品設(shè)計中以人為本設(shè)計理念的具體體現(xiàn)。即在產(chǎn)品設(shè)計中，將人體測量數(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)、機能等特點的前提下，通過測量人在使用產(chǎn)品時的出力、習(xí)慣、體驗、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]。

對于智能垃圾桶而言，其人機工程學(xué)原理的設(shè)計中，具體的設(shè)計思路為：（1）基本參數(shù)的測量。對江蘇淮安地區(qū)年齡為的65-80歲老年人進行數(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、手擰物體的重量等；（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。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)計要素；（4）產(chǎn)品設(shè)計效果追蹤。將智能垃圾桶的設(shè)計方案通過問卷調(diào)查的形式發(fā)送至擬使用對象進行效果評價，作為產(chǎn)品設(shè)計合理與否、繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計等后處理工作的依據(jù)。人機工程學(xué)設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 人機工程學(xué)設(shè)計流程

2 智能垃圾桶系統(tǒng)設(shè)計

■2.1 設(shè)計要素及功能的確定

根據(jù)采樣的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，對于老年人而言，每天使用垃圾桶的頻率約6-8次，每次都會從房屋的各個地方步行至垃圾桶的固定位置。同時在扔垃圾時，通常是保持站立姿勢，除手部的動作外，腰部會有習(xí)慣性地彎曲。因此，存在摔倒或腰部扭傷的潛在危險因素。綜上所示，在智能垃圾桶的設(shè)計中，從腰部彎曲的角度來設(shè)計，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，在功能設(shè)計中，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)計成移動式，即當老年人需要使用垃圾桶時，通過手機App操作，垃圾桶自動移動到指定位置。智能垃圾桶的基本結(jié)構(gòu)由本體、驅(qū)動系統(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

智能垃圾桶控制系統(tǒng)設(shè)計中，主要由以下幾個模塊組成，包括：控制模塊、藍牙模塊、主板、光控模塊、紅外模塊以及驅(qū)動模塊，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指定移動的終點，該模塊通過手機的藍牙模塊將信息傳遞至智能垃圾桶的藍牙模塊，藍牙模塊再傳遞信息至主板并由主板發(fā)送指令驅(qū)動電機開始動作，由此帶動整個垃圾桶運動。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從上述原理可知，主板會將信號傳遞給驅(qū)動模塊。與此同時，主板還會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外界環(huán)境的光照度進行監(jiān)測，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)適時傳遞給主板，主板對收集到的參數(shù)進行判斷[5]。當外界光照強度在設(shè)定范圍內(nèi)時，照明組件不動作。反之，當光照強度小于預(yù)設(shè)值時，主板對照明組件發(fā)出開啟指令，則照明組件開始動作。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實現(xiàn)垃圾桶位置信息的監(jiān)測，并將監(jiān)測信息傳遞至主板[6]。當前方存在障礙物時，紅外模塊將該信號傳輸至主板，主板對前方障礙物的距離進行判斷，然后向驅(qū)動模塊發(fā)出指令，避開前方障礙物。

部分控制系統(tǒng)的電路設(shè)計組件，如圖4所示。

圖4

3 設(shè)計效果

在本課題中，對于該智能垃圾桶設(shè)計合理性與否的判斷，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。采用專家評定法對該智能垃圾桶設(shè)計問題[8-9]。將該設(shè)計方案發(fā)送給多名行業(yè)專家，由行業(yè)專家依據(jù)自己的經(jīng)驗設(shè)計問題。當專家將問題反饋后，由于多名專家的結(jié)論難免存在不一致的地方，故需要對專家反饋的問題進行修正。然后，將修正后的問題發(fā)送給專家作二次評定，最終確定合理的問題集；（2）問卷調(diào)查的開展。將設(shè)計方案和問卷調(diào)查發(fā)送給多名智能垃圾桶的擬使用對象，讓其進行評定打分。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。對回收的問卷調(diào)查表進行分數(shù)統(tǒng)計和整理，得到最終的設(shè)計效果評價分數(shù)。部分主要問題如表1所示。

在對每個問題的評價中，采取非常認同、比較認同、一般、不認同、非常不認同五個等級進行打分，以表1所示的5個問題為例，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，對于這5個問題而言，擬使用對象的認可度總體而言是比較高的，問題1、2、4以及5的比較認同和非常認同的人數(shù)占比均高于70%。表明相對于傳統(tǒng)的垃圾桶而言，該智能垃圾桶的功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，確實能夠提升老年人使用的便利性和良好的體驗感。但是，問題3的認同度較之其他4個問題的認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App來實現(xiàn)，而許多老年人對于智能手機的操作存在一定的困難，由此導(dǎo)致了該問題的認同度不高。綜上所述，除手機操作的問題外，用戶對該智能垃圾桶各項功能的認同度較高，可以認為基于人機工程學(xué)原理的智能垃圾桶設(shè)計方案是合理的，達到了預(yù)期的目標。

4 結(jié)論

通過對淮安地區(qū)部分老年人進行數(shù)據(jù)采樣，再對采樣結(jié)果進行數(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行方案設(shè)計的智能垃圾桶設(shè)計方案。本課題完成了智能垃圾桶的控制系統(tǒng)設(shè)計，并采用問卷調(diào)查法對使用者進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)計比較合理，能夠有效解決老年人在使用垃圾桶時存在的潛在危險因素。同時，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)。