基于TRIZ 理論的果樹施藥車創(chuàng)新設計

全面開展鄉(xiāng)村振興、產(chǎn)業(yè)復興，重在依靠改革創(chuàng)新，形成可持續(xù)的內(nèi)生發(fā)展機制。近年來，隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，鄉(xiāng)村振興進程的加快，人口老齡化現(xiàn)狀加劇，通過智能化設計解決人們?nèi)粘Ｉ钪械膯栴}成為當下熱點，人們渴望將智能化產(chǎn)品融入傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植的各個環(huán)節(jié)，借以解決人力、物力不足等問題。文章結合TRIZ 理論對人工智能技術、產(chǎn)品創(chuàng)意設計與產(chǎn)品使用環(huán)境三者進行綜合分析，揭示產(chǎn)品與環(huán)境之間的關聯(lián)與邏輯，進而更加準確地理解智能技術在農(nóng)業(yè)種植環(huán)境中實踐的合理性，對現(xiàn)有產(chǎn)品創(chuàng)新設計提供合適的研究途徑與合理的評價方式，更好地開展面向未來的設計實踐。

1 TRIZ 理論概述

TRIZ 是發(fā)明問題解決理論的常用簡稱，TRIZ 理論認為，產(chǎn)品創(chuàng)新是解決設計沖突，產(chǎn)生新的解決方案

。在現(xiàn)代TRIZ 理論中產(chǎn)品的技術研發(fā)遵循著客觀的發(fā)展規(guī)律。TRIZ 理論的強大作用在于它為人們創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題提供了系統(tǒng)的理論和方法

?；赥RIZ 理論的40 余種創(chuàng)新方法具有較好的實用性，如分割原理，將物體分割成幾個獨立的部分，使物體成為可拆卸或易于組織的部分。再如局部質(zhì)量原理，將均勻的物體結構或外部環(huán)境變成不均勻的，同時也讓物體各部分具備不同的功能

。這些創(chuàng)新方法為設計提供了有效的理論依據(jù)。

The next lemma,due to X.C.Pang,which is a generalized version of the well-known Zalcman’s Lemma on normal families.

2 基于TRIZ 理論的果樹施藥車創(chuàng)新設計流程

2.1 用戶需求及產(chǎn)品優(yōu)缺點分析

根據(jù)TRIZ 理論的創(chuàng)新設計方法，運用階段訪談的形式了解用戶需求（如表1），從而發(fā)現(xiàn)種植用戶重視產(chǎn)品施藥后的清潔、過程前后的運輸和產(chǎn)品本身使用率等問題。

以下對現(xiàn)今主流的幾類施藥產(chǎn)品的優(yōu)缺點進行具體分析?，F(xiàn)有市場施藥設備有如下幾種：其一，噴桿式噴霧設備，高效的地面施藥設備，根據(jù)功率匹配條件大致分為牽引式、懸架式、自推進式等；其二，風送式噴霧設備，利用強氣流將壓力霧化或離心霧化的藥液滴吹向目標，風缸形狀任意彎曲組裝，最大限度地提高了風能利用率、霧滴穿透率和附著率；其三，航空施藥設備，固定翼面和旋翼作業(yè)效率高，不受作物長勢限制，適應性較廣，用藥液量少；其四，手動背負式噴霧器通過搖桿部件的搖動，從而使氣室內(nèi)壓力逐漸升高，施藥氣壓最高為0.6Mpa，藥液通過箱底底部的閥口流出，再經(jīng)過出水管，經(jīng)噴桿至噴頭霧化噴出霧來，手動背負式施藥機整體結構緊湊、合理，功能安全可靠，增壓裝置配有單獨的壓力開關，不容易滲漏，操作簡單。

4)人機設計單元：施藥車的尺寸參照機械產(chǎn)品高品質(zhì)裝配工藝標準，參照我國男性平均身高，并經(jīng)過測量得出當人坐在車上時兩腿微微分開，座面到地面的高度為700mm。人機交互會直接影響整個產(chǎn)品的性能，從而給人一種舒適、安全、可靠、實用的感覺。

2.2 產(chǎn)品使用流程分析

3)因果鏈單元：通過因果鏈分析法建立問題初始階段和底層問題邏輯之間的聯(lián)系，尋找施藥環(huán)節(jié)問題產(chǎn)生的關鍵原因，針對問題，在消除關鍵問題點后使此類（項）問題不再出現(xiàn)或減少出現(xiàn)；通過建立施藥者、產(chǎn)品與環(huán)境三者之間的因果鏈條，尋找在此循環(huán)鏈條中容易產(chǎn)生的薄弱點和易控制點，在難以控制關鍵原因時可以選擇其他原因節(jié)點攻克目標問題，然后選擇當中的節(jié)點為解決問題尋找入手點，利用最小的成本完成解決問題的目的

。根據(jù)因果鏈的分析，如圖2 所示，從中找到負重、行走、施藥、兌藥、清潔藥箱、存放與再使用等問題，針對上述因果鏈不難發(fā)現(xiàn)其中主要的兩個問題。其一是目標用戶施藥過程中體力、重復性活動等付出較大；其二是施藥產(chǎn)品周期使用率不足15%，使用率與材料老化程度不匹配。

1)功能單元：通過全面的產(chǎn)品功能定義，施藥車的一個功能單元是完成1 天8—10 小時的施藥任務，或一小時行駛40—60公里路程。

2)壓力與驅(qū)動模塊設計：壓力模塊主要為藥箱增加壓力，保證施藥質(zhì)量。配備電力驅(qū)動，控制與操作方式簡單。其一，電動壓力噴霧器，通過電力驅(qū)動噴霧器工作，其具有效率高、勞動強度低、使用方便等優(yōu)點。以伯努利原理為依據(jù)，通過電力驅(qū)動，改變藥液流速大小、壓強大小，實現(xiàn)流體自動從高壓流向低壓。在通過三叉管時，低速流動的水流向高速的流動的空氣，水被高速空氣撕成小水珠，噴出形成水霧。其二，對單噴頭、雙噴頭和四眼噴頭進行重組，依據(jù)適用范圍和樹種進行自由切換。單噴頭噴射霧團較大，霧珠小，可用于小范圍噴霧

；雙噴頭噴射霧團更大，霧珠極細，適用于大范圍噴霧；四眼噴頭可調(diào)松緊，適合對高大喬灌木或果樹進行噴霧作業(yè)。其三，桶身是盛裝藥液和水的容器，在它的口部和底部各有一個過濾網(wǎng)，桶身的一側還可以固定噴桿。噴桿用于延長噴射距離，上面還有控制噴霧作業(yè)的手柄開關。底座位于桶身的下部，是用來固定電池和水泵的，在它的一側還裝有電源開關。電源與車載電池共用，用來為噴霧器提供動力。水泵通過高速運轉產(chǎn)生強大的壓力差，把水從進水管吸入，從出水管噴出，形成高速水流，完成噴霧作業(yè)。

2)生產(chǎn)與加工單元：施藥車整體結構以鋁合金聚苯乙烯、聚丙烯為主，鋼、銅、橡膠等其他材料為輔。鋁合金具有溫度變化影響小、耐腐蝕、性能優(yōu)良等特點，廣泛運用于各類產(chǎn)品中。產(chǎn)品在功能模塊上以可重復拆卸卡扣作為主要結構組合，結構的合理劃分，大大縮短了裝配產(chǎn)生的成本。各部件材料選擇上盡量以單一材料為主，這樣能有效控制材料成型、廢料回收等。車體60%零部件采用免漆工藝生產(chǎn)，減少了材料的使用率。

TRIZ 理論將產(chǎn)品視為一個完整的系統(tǒng)，施藥車設計所涉及的原理并不復雜，產(chǎn)品實現(xiàn)包含能源系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)。施藥車主要由運輸和液體儲藏兩個部分構成，目前從技術層面來講，施藥車是可以實現(xiàn)的。針對上述問題，文中在傳統(tǒng)產(chǎn)品設計流程中融入TRIZ 理論，如圖1 所示。從產(chǎn)品問題分析入手，發(fā)現(xiàn)施藥起始之間產(chǎn)生的問題，剖析產(chǎn)品功能與約束之間的問題，并與顧客需求進行比較，找尋解決問題的方法。高效地對標設計問題、解決問題，規(guī)避設計的主觀性和無用性。

走近浙江印刷集團，發(fā)現(xiàn)其由內(nèi)而外都洋溢著一種歷史感，而每一位在集團工作的印刷人亦有著一份責任、使命或擔當。實則，浙江印刷集團一直致力于做好文化傳播者的角色——對外，積極開展印刷文化課堂的活動，邀請小朋友到公司體驗活字印刷的過程，感受印刷的獨特魅力；對內(nèi)，開展“快樂員工活動月”的活動，通過車間的技能比拼、戶外的球類比賽等，進一步提升員工的能力素養(yǎng)，并在潛移默化中，傳遞印刷人的精神。

根據(jù)人機工程學設計準則總結出人手尺寸數(shù)據(jù)，設定了施藥車手柄的詳細尺寸，將把手設計成圓柱形，這樣的設計有利于抓握，減少把手對手掌的壓力，使其握起來更舒適，同時也在把手上增加了一些紋路，以此增加手套在手掌上的摩擦力，以達到防滑效果。根據(jù)手的大小，把手柄的長度為100mm，直徑為40mm。同時，座包的設計使人們坐在車座時感覺更加舒適。但是座包應當具備良好的透氣性，以保持皮膚干燥。根據(jù)人體工程學的要求，雙手可在左右30°內(nèi)自由移動，雙手可在中間方向和附近自由移動。當兩手夾角為60°時，左右手之間的距離為500mm，施藥車的物理手柄之間的距離約為500mm，則符合人體工程學的要求

。

2.3 產(chǎn)品功能模塊設計

However, because there are four transistors through power to ground, the output swing of the cascade inverter is limited, reducing the output dynamic range to a certain extent.

1)運輸與儲藏模塊設計：將車輛移動與背負式整體載藥箱進行融合，充分利用功能組合的形式來消除人力限制因素，提高運輸效率。與此同時，箱體容積的提升，可有效減少背負式藥箱的兌藥次數(shù)，降低重復性勞動。運輸形式上配置三輪運輸模塊，提高產(chǎn)品運輸過程中的穩(wěn)定性，操作界面與常規(guī)電動車模式相同，可操作性強。

案例庫建設需要制定一個總體規(guī)劃。一個好的的案例庫首先需要一個周全的計劃。其中包括案例庫建設的目標、建設的主要原則、建設團隊的分工和職責、建設進度和安排等。在總體規(guī)劃下首先擬定編寫提綱，根據(jù)專業(yè)要求確定課程案例庫的題量、難度、格式和類型。

通過實地調(diào)研和用戶訪談，結合現(xiàn)階段用戶對產(chǎn)品的使用周期、年齡、操作方式等因素，從運輸模塊、充電模塊、壓力模塊、液體儲藏模塊、驅(qū)動模塊等方面綜合解決用戶需求，如表2 所示。

施藥產(chǎn)品使用率一直是該設計研究過程中需要重點考慮的問題，一般農(nóng)用家庭施藥工具的周使用率為1—3 次，種植面積較大的使用率相對較高，所以在設計過程中將產(chǎn)品的使用率與操作性作為設計問題解決的核心。此款施藥車能解決日常出行、運輸?shù)葐栴}，如圖3 所示。

3 基于TRIZ 理論的果樹施藥車創(chuàng)新設計實踐

結合項目內(nèi)容和設計的可行性，對設計進行流程式分解，針對施藥工作人群的特征，對控制方式和運輸方式進行優(yōu)化設計。施藥車產(chǎn)品設計以人為本，從用戶的角度出發(fā)，有著簡潔的外觀和實用功能，可一人操作，亦可多人同時作業(yè)，省工省時省力，適用于多種類型果園的噴藥工作。在面積較小的果園可直接使用車頭部分的單頭出口進行施藥，面積較大的果園可使用車底部的四頭出口進行轉換后再進行施藥。

問題設計：細節(jié)描寫分別在每篇文章的哪些段落？為什么這些語句是細節(jié)描寫？說說理由。舉例分析文中的細節(jié)描寫對塑造人物有什么作用。

3.1 造型設計

3)控制模塊設計：操作方式是施藥車用戶安全的基石，但隨著電動三輪車交通安全問題的凸顯，大部分操作人員未參加系統(tǒng)的交通安全知識培訓和考試，不懂道路標志、標線等問題，所以在融合功能的同時，可以將交通安全行駛模塊與控制相結合，避免安全事故的發(fā)生。

三輪施藥車產(chǎn)品創(chuàng)新設計以公牛為原型，整體為流線型，功能對稱式分布。設計時將施藥車的藥箱部分放在車的中心位置，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和功能性。將施藥車的兩輪設計成三輪，保證使用人群更加安全，施藥箱體在前方和底部設置了兩種類型的出水口，前端出水口便于單人施藥，可以根據(jù)不同噴頭匹配出水口。底部出水口是承接多人次同時施藥使用，出藥量大，適合風管流接施藥。

3.2 功能設計

該方案實現(xiàn)了單人、多人同時作業(yè)的需求，減少了運輸、兌藥等過程中重復性勞動等問題，整體施藥作業(yè)的時效性得到顯著優(yōu)化，經(jīng)濟性有所提高。施藥過程中其工作原理是由低壓直流提供能源，驅(qū)動低壓電動水泵，將藥桶內(nèi)的液體吸出來，并通過輸藥管進入噴桿，進行施藥。由于噴藥桿取消了抽吸式噴藥裝置，從而有效地消除了農(nóng)藥傷害操作者的弊端。由于電動泵壓力較大，增大了噴灑距離和范圍。出水管與噴桿，以及車身的銜接，滿足不同施藥場景的需求，且內(nèi)部帶有攪拌裝置，可自動清洗藥箱。其容量為150L，射程范圍為18—22m，外形尺寸：1354mm×847mm×1252mm，如圖4 所示。

4 結語

文章以TRIZ 理論為理論基礎，結合傳統(tǒng)設計流程進行產(chǎn)品創(chuàng)新設計。首先對傳統(tǒng)施藥設備、施藥場景與用戶需求進行調(diào)研，分析出符合市場的產(chǎn)品類型，通過流程分析總結出現(xiàn)有產(chǎn)品存在的兩個問題。運用設計系統(tǒng)流程對產(chǎn)品的使用環(huán)境、方式和人群進行重新設計，將傳統(tǒng)運輸形式進行優(yōu)化，閑置時可作為家中常用的交通工具。最終通過計算機輔助設計完成設計方案效果圖，并結合3D 打印技術制作樣機對產(chǎn)品進行優(yōu)化，以期為同類型產(chǎn)品的設計與創(chuàng)新提供一定參考。

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