基于TRIZ理論的多功能止鼾按摩枕的設(shè)計

張旭 李道寬 劉思遠(yuǎn)

摘 要：綜合運用單片機(jī)、電動機(jī)、機(jī)械裝置、人體工學(xué)裝置等功能的整體綜合，用編程設(shè)計的指令，來實現(xiàn)改變?nèi)怂说闹棍康?，機(jī)械旋柄等一系列動作的自動實現(xiàn)，減少人力對改變睡姿這一目的執(zhí)行，久而久之可以對習(xí)慣性打鼾的人進(jìn)行有效的控制，也減少了打鼾人群在睡眠時給其他人帶來的煩惱。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；機(jī)械裝置；改變睡姿

1 背景技術(shù)

現(xiàn)代社會生活節(jié)奏加快、社會環(huán)境復(fù)雜，人們的生活壓力也越來越大。造成睡眠質(zhì)量不高，人的呼吸系統(tǒng)機(jī)能出現(xiàn)問題，加之外界條件的干擾，從而引起睡覺打鼾。其實，打鼾是健康的大敵，由于打鼾使睡眠呼吸反復(fù)暫停，從而造成大腦、血液嚴(yán)重缺氧，形成低血氧癥，易誘發(fā)高血壓、腦心病、心率失常、心肌梗死、心絞痛。夜間呼吸暫停時間超過120秒容易在凌晨發(fā)生猝死。打鼾的原因眾多，主要與人所接觸的外界環(huán)境、睡覺習(xí)慣、呼吸系統(tǒng)功能有關(guān)。據(jù)了解，有60%的人選擇仰臥睡姿，因為不壓迫身體臟腑器官，是最佳的睡姿。但仰臥容易導(dǎo)致舌根下墜，阻塞呼吸。從而對打鼾患者而言不適合。于是我們就想利用一種有效的方法在不借助其它人力的情況下通過單片機(jī)的可控編程及聲音傳感器，控制枕頭內(nèi)部的機(jī)械裝置幫助打鼾的人在睡覺時調(diào)整睡姿，使其停止打鼾，進(jìn)入健康的睡眠狀態(tài)。

2 基于TRIZ理論設(shè)計

目前，市場上的止鼾枕都是利用物理和生物療法，而按摩枕也只是單純的能起到按摩的作用。所以，我們就想利用目前市場現(xiàn)有的“單片機(jī)”、“檢測聲音信號的聲音傳感器”、以及機(jī)械裝置，并運用“組合原理”，將其加以組合在一起，實現(xiàn)止鼾和按摩多功能一體。在組合中發(fā)現(xiàn)，為了提高整個系統(tǒng)的自動化程度，在技術(shù)上要求采用單片機(jī)的可控編程來控制整個聲控電路。但從物體產(chǎn)生的有害因素上考慮，隨著聲控電路的介入，枕頭就只能在夜晚人們睡覺時達(dá)到止鼾的效果，而無法在白天人們想休息時達(dá)到按摩的效果，因此，無法實現(xiàn)枕頭的多功能化。在技術(shù)上則要求不使用單片機(jī)控制的聲控電路。所以提出技術(shù)矛盾：為了提高系統(tǒng)的自動化程度，在將單片機(jī)控制的聲控電路接入時，而不使其產(chǎn)生有害的因素使枕頭的多功能化參數(shù)變差。用“通用工程參數(shù)”來描述該技術(shù)矛盾，可選用序號38“自動化程度”和序號31“物體產(chǎn)生的有害因素”兩個參數(shù)。通過查詢“39x39矛盾矩陣”得知可能的解集是M38-31=[2]，所以可應(yīng)用“分離與分開原理（2）”引進(jìn)一個“船型開關(guān)”將干擾部分（聲控電路）分離出去，從而解決了此技術(shù)矛盾。此外，我們在機(jī)械裝置上選擇了一對相互對稱的旋柄。在白天正常休息時，靠旋柄的旋轉(zhuǎn)來對頸部進(jìn)行按摩，夜晚睡覺時，當(dāng)人在打鼾時，則是靠旋柄的旋轉(zhuǎn)對人的頸部進(jìn)行適度的有效控制，提醒打鼾者自行改變睡姿，從而達(dá)到止鼾的目的。但機(jī)械旋柄經(jīng)旋轉(zhuǎn)后停下時，位置具有不確定性，無法保證在鼾聲停止后，旋柄也停到最初調(diào)試好的對人睡覺最舒服的位置。所以提出物理矛盾：白天日常休息時，靠旋柄的旋轉(zhuǎn)達(dá)到按摩的目的；睡覺時，靠旋柄的旋轉(zhuǎn)改變?nèi)说乃酥棍?。所以要想實現(xiàn)多功能，機(jī)械旋柄應(yīng)該存在；但旋柄經(jīng)旋轉(zhuǎn)停下后，無法保證停留在最初調(diào)試好的對人最舒服的位置，因此，旋柄不應(yīng)該存在。分析系統(tǒng)中存在的資源，有時間資源可以利用。采用“時間分離原理”，應(yīng)用“周期性作用原理（19）”提出：“把連續(xù)作用改為周期性或脈動式的作用”。經(jīng)多次試驗測得，旋柄旋轉(zhuǎn)一周需要2秒的時間。所以將編程中旋柄的旋轉(zhuǎn)的時間設(shè)定成10秒，經(jīng)過5個整周期的運動，旋柄最后會自動停到起始調(diào)試好的最舒服位置，這樣就避免了在鼾聲停止時，旋柄旋轉(zhuǎn)停到不確定的位置時而給人睡覺帶來的不舒服的感覺，從而解決了此物理矛盾。

3 TRIZ解題流程

3.1 系統(tǒng)完備性法則（見圖1）

圖1

3.2 功能分析

在人不睡覺時，枕頭的機(jī)械旋柄可以用來按摩；在人睡覺時，枕頭的機(jī)械裝置可以用來改變?nèi)说乃酥棍?/p>

3.3 九屏圖（見圖2）

圖2

3.4 生命曲線（見圖3）

圖3

從目前市場上的止鼾枕和按摩枕上看，經(jīng)“發(fā)明”、“改進(jìn)”其技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了一個非常成熟的階段。而止鼾按摩枕處于剛剛發(fā)明階段，所以在“發(fā)明”后期處于虛線狀態(tài)。

3.5 資源分析

現(xiàn)有資源：

物質(zhì)資源：單片機(jī)、聲音傳感器、繼電器、蝸桿、蝸輪、機(jī)械旋柄。

能量資源：電能、機(jī)械能。

信息資源：根據(jù)鼾聲的有無，來判斷機(jī)械裝置是否運行。

功能資源：利用系統(tǒng)已有的機(jī)械裝置，在實現(xiàn)按摩功能的基礎(chǔ)上又增加了止鼾的功能。

系統(tǒng)可引用的資源

時間資源：對機(jī)械旋柄的時間加以控制。

3.6 最終理想解

實現(xiàn)按摩、止鼾為一體的多功能枕頭。

4 運用TRIZ工具

技術(shù)矛盾1：為了提高系統(tǒng)的自動化程度，在將單片機(jī)控制的聲控電路接入時，而不使其產(chǎn)生有害的因素使枕頭的多功能化參數(shù)變差。

此問題的矛盾矩陣為（見圖4）：

此問題的物場模型為（見圖5）：

圖5

技術(shù)矛盾1的解決方案：用“通用工程參數(shù)”來描述該技術(shù)矛盾，可選用序號38“自動化程度”和序號31“物體產(chǎn)生的有害因素”兩個參數(shù)。通過查詢“39x39矛盾矩陣”得知可能的解集是M38-31=[2]，所以可應(yīng)用“分離與分開原理（2）”引進(jìn)一個“船型開關(guān)”將干擾部分（聲控電路）分離出去，從而解決了此技術(shù)矛盾。

物場模型推薦求解策略為：根據(jù)“解決問題的76個標(biāo)準(zhǔn)解”中的第一級標(biāo)準(zhǔn)解法“建立和拆解物-場模型”，在物場中加入第三種物質(zhì)，消除有害因素。在人們需要休息時，將聲控電路斷開，使枕頭達(dá)到保健按摩的功能；在夜晚人們睡覺時，將聲控電路接入，使枕頭達(dá)到改變?nèi)说乃酥棍墓δ?。故引入“船型開關(guān)”。

物理矛盾2的解決方案：物理矛盾推薦原理解為采用時間分離原理，應(yīng)用周期性作用原理（19）提出：“把連續(xù)作用改為周期性或脈動式的作用?！苯?jīng)多次試驗測得，旋柄旋轉(zhuǎn)一周需要2秒的時間。所以將編程中旋柄的旋轉(zhuǎn)的時間設(shè)定成10秒，經(jīng)過5個整周期的運動，旋柄最后會自動停到起始調(diào)試好的最舒服位置，這樣就避免了旋柄旋轉(zhuǎn)停到不確定的位置時而給人睡覺帶來的不舒服的感覺，從而解決了此物理矛盾。

5 最終方案

該止鼾按摩枕，在白天日常休息時，將聲控電路斷開，靠機(jī)械旋柄的旋轉(zhuǎn)達(dá)到保健按摩的目的。在夜晚睡覺時，將聲控電路接入，利用單片機(jī)的可控編程控制聲感器來接收到鼾聲的信號，當(dāng)打鼾患者發(fā)出的鼾聲信號在你設(shè)定好的能檢測到的范圍內(nèi)時，繼電器就會開始工作，從而驅(qū)動電機(jī)帶動機(jī)械旋柄。機(jī)械旋柄會自動的360度旋轉(zhuǎn)，當(dāng)人的頸部感覺到機(jī)械旋柄在轉(zhuǎn)動時。就會隨著機(jī)械旋柄被輕微的帶動。潛意識下感到自己的頸部有異動，人就會自行調(diào)整睡姿，從而停止打鼾，實現(xiàn)了在不借助人力的情況下用機(jī)械裝置來改變睡姿止鼾的目的。

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