基于TRIZ理論的新型坐便輔助起立裝置設(shè)計(jì)

摘" 要：針對傳統(tǒng)坐便輔助起立裝置使用場所受限、功能單一、安全性低等缺點(diǎn)，基于TRIZ理論設(shè)計(jì)一款新型坐便輔助起立裝置。采用TRIZ中功能分析、根原因分析等方法，系統(tǒng)分析傳統(tǒng)裝置存在的問題。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用沖突理論、物質(zhì)-場模型等工具，提出增大使用范圍、提升遠(yuǎn)程監(jiān)測和救援能力、提高使用舒適性及降低漏電風(fēng)險(xiǎn)等創(chuàng)新解決方案。將這些解決方案進(jìn)行優(yōu)化組合，設(shè)計(jì)出一款集輔助起立、發(fā)電儲(chǔ)能與安全輔助于一體的新型坐便輔助起立裝置，解決傳統(tǒng)裝置的多項(xiàng)缺陷，進(jìn)一步證明TRIZ理論在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：TRIZ；坐便輔助起立裝置；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；功能分析；根原因分析

中圖分類號：TB472" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0050-04

Abstract： Aiming at the shortcomings of traditional sitting and stool auxiliary standing devices with limited use places， single function， and low safety， a new sitting and stool auxiliary standing device is designed based on TRIZ theory. Using methods such as functional analysis and root cause analysis in TRIZ， the problems existing in traditional devices are systematically analyzed. On this basis， using tools such as conflict theory and material-field model， innovative solutions such as increasing the scope of use， improving remote monitoring and rescue capabilities， improving use comfort and reducing the risk of leakage are proposed. By optimizing and combining these solutions， a new type of sitting and toilet assisted standing device integrating auxiliary standing， power generation and energy storage and safety assistance was designed， which solved many defects of traditional devices and further proved the application of TRIZ theory in innovative design. value.

Keywords： TRIZ; sitting and stool assisted standing device; innovative design; functional analysis; root cause analysis

目前我國已進(jìn)入老齡社會(huì)，老年人口高齡化趨勢日益明顯。截至2023年底，我國60歲及以上人口規(guī)模已達(dá)到2.96億人，占總?cè)丝诘?1.1%，預(yù)計(jì)至2050年，這一數(shù)字將達(dá)到4.87億人，占據(jù)全國總?cè)丝诘?4.9%，人口老齡化將成為我國今后較長時(shí)期的一個(gè)基本國情[1]。隨著老年人口的不斷增多，各地開始對養(yǎng)老福利模式進(jìn)行積極的探索，科技養(yǎng)老服務(wù)應(yīng)運(yùn)而生。坐便輔助起立裝置能夠有效解決老年人和體弱者在如廁時(shí)起立困難的問題，提高這些人群的生活質(zhì)量和自理能力，減輕護(hù)理人員的工作負(fù)擔(dān)，成為目前科技養(yǎng)老助老的主流產(chǎn)品。閆續(xù)范等[2]針對老年人如廁后起身不便以及容易摔倒的問題，設(shè)計(jì)了一種坐便器輔助起身裝置，具有使用舒適、操作簡單、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。郭家偉等[3]在對人體自然站立過程中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款輔助站立坐便器，可以還原人體的自然站立狀態(tài)。石利利等[4]針對適老化坐便器中輔助升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，提出了機(jī)械可靠性和危險(xiǎn)防護(hù)的要求。張莎[5]設(shè)計(jì)了一款智能輔助如廁裝置，能夠獨(dú)立安裝在馬桶上，具有結(jié)構(gòu)簡單、即裝即用、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。談波等[6]基于人因工程學(xué)的原理設(shè)計(jì)一款具有輔助站立功能的坐便器，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真驗(yàn)證了輔助站立坐便器運(yùn)動(dòng)特性與人體自然站立過程的相符程度，實(shí)現(xiàn)了輔助老年人站立的目的。

綜上所述，坐便輔助起立裝置作為一種實(shí)用且有效的輔助設(shè)備，具有較好的應(yīng)用價(jià)值和市場前景，但其產(chǎn)品設(shè)計(jì)同質(zhì)化嚴(yán)重，功能單一，且多采用電力驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)用范圍受限，已經(jīng)不能滿足科學(xué)化、多元化的養(yǎng)老助老需求。

1" TRIZ理論概述

TRIZ又叫發(fā)明問題解決理論，是一套系統(tǒng)化的創(chuàng)新問題解決理論體系[7]，由蘇聯(lián)科學(xué)家G.S.阿奇舒勒及其研究團(tuán)隊(duì)在1946年到1985年期間，通過對數(shù)百萬個(gè)專利文獻(xiàn)和自然科學(xué)知識的研究、整理和歸納而創(chuàng)立。TRIZ理論提供了一套系統(tǒng)化的問題解決流程以及一系列創(chuàng)新工具和方法，包括技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化原理、功能分析、根原因分析、資源分析、沖突理論、物質(zhì)-場模型和ARIZ算法等。這些理論和方法能夠幫助設(shè)計(jì)人員系統(tǒng)地識別和解決問題，并生成具有創(chuàng)新性的解決方案。運(yùn)用TRIZ理論解決問題時(shí)，首先要將特定領(lǐng)域內(nèi)的問題轉(zhuǎn)化為TRIZ框架內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)問題[8]，利用TRIZ提供的一系列方法和工具進(jìn)行深入分析，以求得具有普遍適用性的標(biāo)準(zhǔn)解，再根據(jù)原問題的具體需求，將這些標(biāo)準(zhǔn)解轉(zhuǎn)化為能夠應(yīng)用于特定領(lǐng)域的具體解。

2" 系統(tǒng)分析

2.1" 問題描述

通過調(diào)研可知，傳統(tǒng)的坐便輔助起立裝置主要存在以下問題。

1）驅(qū)動(dòng)方式單一：大多采用電力驅(qū)動(dòng)，無法在諸如商場、醫(yī)院等公共衛(wèi)生間的無電場所使用。

2）使用功能單一：只能夠提供支撐，完成單一的輔助起立動(dòng)作，缺少遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)和急救功能。

3）安全性較差：廁所、浴室等地方空間潮濕，裝置存在漏電等安全隱患。

4）不夠低碳環(huán)保：使用過程中需要消耗大量的電能，也無法發(fā)電和儲(chǔ)能，不夠綠色節(jié)能。

2.2" 功能分析

在TRIZ中，功能描述了系統(tǒng)內(nèi)部或系統(tǒng)與超系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系，通過功能分析，可以快速識別系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能，理解各部分之間的關(guān)系，并找出潛在的問題和改進(jìn)點(diǎn)。將傳統(tǒng)的坐便輔助起立裝置定義為工程系統(tǒng)，并將其劃分出系統(tǒng)和超系統(tǒng)[9]，列出系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件，見表1。然后識別組件之間的相互作用關(guān)系并進(jìn)行分析，繪制功能模型圖，如圖1所示。從圖中可以看出，由于很多場所無法提供電力，因此外界環(huán)境對交流電存在不足作用；外界無法遠(yuǎn)程監(jiān)測老年人的如廁情況，因此外界環(huán)境對使用人員存在不足作用；交流電漏電容易電傷老年人，因此交流電對使用人員存在有害作用；老年人無法精確地控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，因此使用人員對電機(jī)存在不足作用。

2.3" 因果分析

根原因分析是一種系統(tǒng)性的問題診斷方法，旨在深入探究問題產(chǎn)生的根本原因。因果鏈分析是一種常用的根原因分析工具，其基于因果關(guān)系的邏輯鏈條[10]，通過層層追因，揭示問題產(chǎn)生的根本原因及其相互之間的作用機(jī)制，從而找到解決問題的有效途徑。將老弱殘人士如廁依舊不便作為初始缺點(diǎn)，依次推導(dǎo)出中間缺點(diǎn)、末端缺點(diǎn)并找出關(guān)鍵缺點(diǎn)，形成因果鏈分析圖，如圖2所示。從圖中可以看出，裝置在公共場所使用受限、不能在無電場所使用、一體化的馬桶結(jié)構(gòu)、無傳感器和報(bào)警裝置、使用者難以平穩(wěn)站立是導(dǎo)致老年人如廁困難的關(guān)鍵原因，新型坐便輔助起立裝置在設(shè)計(jì)時(shí)可以從這些方面做出改進(jìn)。

3" 問題求解

3.1" 關(guān)鍵問題1：增大坐便輔助起立裝置的使用范圍

采用將交流電供電改為電池組供電的措施，拓展和提高了裝置的使用范圍和安全性，但會(huì)導(dǎo)致使用時(shí)間減少，并且需要頻繁更換電池。運(yùn)用TRIZ中的技術(shù)沖突理論，改善的參數(shù)為No.35適應(yīng)性及多樣性、No.27可靠性；惡化的參數(shù)為No.16靜止物體的作用時(shí)間。通過查找沖突矩陣，得到如下發(fā)明原理：No.2、No.16、No.34、No.27、No.6、No.40。依據(jù)發(fā)明原理No.27用成本低、不耐用的物體代替成本高、耐用的物體，得到方案一：采用太陽能電池板或者儲(chǔ)能裝置等來代替電池組，在裝置不使用的時(shí)候放在太陽光下充電或者利用人體下蹲過程中產(chǎn)生的動(dòng)能充電。依據(jù)發(fā)明原理No.34拋棄與修復(fù)，得到方案二：拋棄電力驅(qū)動(dòng)的方式，轉(zhuǎn)而采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)的方式，不再使用電池、電機(jī)等元器件，可以在公共衛(wèi)生間等無電場所使用。

3.2" 關(guān)鍵問題2：提升坐便輔助起立裝置遠(yuǎn)程監(jiān)測和救援能力

采用增加傳感器和報(bào)警器等防護(hù)設(shè)計(jì)，提升了遠(yuǎn)程監(jiān)控和緊急救援能力，防止老人摔傷或者救援不及時(shí)，但會(huì)導(dǎo)致裝置的體積增大，系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。運(yùn)用TRIZ中的技術(shù)沖突理論，改善的參數(shù)為No.37監(jiān)控與測試的困難程度；惡化的參數(shù)為：No.36裝置的復(fù)雜性。通過查找沖突矩陣，得到如下發(fā)明原理：No.15、No.10、No.37、No.28。依據(jù)發(fā)明原理No.10預(yù)操作，得到方案一：將壓敏裝置預(yù)放在扶手后側(cè)，當(dāng)使用者昏倒時(shí)手肘后撤，觸發(fā)壓敏裝置，從而向外發(fā)送求救信號，及時(shí)得到救治。依據(jù)發(fā)明原理No.28機(jī)械系統(tǒng)的替代，得到方案二：將坐便輔助起立裝置的一側(cè)扶手安裝傳感器和“SOS”按鈕等，將扶手、傳感器、監(jiān)測系統(tǒng)一體化集成，最大化減少裝置復(fù)雜程度。

3.3" 關(guān)鍵問題3：提高坐便輔助起立裝置使用過程中的舒適性

為了使坐便輔助起立輔助裝置舒適性增加，就需要使升降動(dòng)作盡可能緩慢。為了保證使用者起立動(dòng)作的連貫性，還需要使升降動(dòng)作速度變快，系統(tǒng)產(chǎn)生了既要快又要慢的物理沖突?？紤]到人體如廁的起立動(dòng)作在不同的時(shí)間段具有不同的特性，采用時(shí)間分離原理，把裝置的提升動(dòng)作分為2個(gè)階段，第一階段應(yīng)用皮帶、齒輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將升降支架抬升到合適高度，第二階段利用連桿機(jī)構(gòu)使座椅慢慢翻轉(zhuǎn)30°，其間利用彈性坐墊保證使用過程的舒適性。

3.4" 關(guān)鍵問題4：降低坐便輔助起立裝置使用過程中的漏電風(fēng)險(xiǎn)

傳統(tǒng)的輔助起立裝置需要與電源建立連接，在潮濕環(huán)境中使用時(shí)會(huì)有漏電風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)用TRIZ中的物質(zhì)-場模型理論，設(shè)S1為電路，S2為人體，F(xiàn)E為電場，應(yīng)用76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解中的1.2.3的標(biāo)準(zhǔn)解：有害作用是由一個(gè)場引起的，引入要素S3吸收有害作用。得到方案一：在系統(tǒng)引入自發(fā)電設(shè)計(jì)，把發(fā)電裝置包含于裝置內(nèi)側(cè)，用絕緣橡膠把金屬部分分隔開，避免與人體的直接接觸保證其在潮濕環(huán)境下的安全性。當(dāng)前系統(tǒng)的物質(zhì)-場模型和改進(jìn)后的物質(zhì)-場模型如圖3所示。

4" 設(shè)計(jì)方案

基于以上步驟得到了多個(gè)解決方案，對這些方案進(jìn)行優(yōu)化組合，獲得最優(yōu)方案。設(shè)計(jì)了一款新型多功能坐便輔助起立裝置，如圖4、圖5所示。該裝置分為3個(gè)模塊，分別是輔助起立模塊、發(fā)電儲(chǔ)能模塊以及安全輔助模塊。輔助起立模塊主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲杠機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等部分組成，創(chuàng)新性地采用手動(dòng)來代替電力驅(qū)動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)等多級傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來減小驅(qū)動(dòng)力矩，安全性好，可靠性高，可應(yīng)用于醫(yī)院、商場等無電的衛(wèi)生場所。發(fā)電儲(chǔ)能模塊主要由發(fā)電機(jī)、蓄電池等部分組成，可將人體下蹲過程中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并存儲(chǔ)于蓄電池中，供其他模塊使用，效率高且低碳環(huán)保。安全輔助模塊主要由SOS按鈕、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)傳感器、照明模塊組成，用以實(shí)現(xiàn)緊急救援、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)以及輔助照明等功能。

相對于傳統(tǒng)的坐便輔助起立裝置，該裝置不僅能夠輔助老人或殘弱人士解決如廁困難的問題，還能自行發(fā)電儲(chǔ)能，適用范圍廣，安全性高，舒適性好，低碳環(huán)保，具有較好的應(yīng)用價(jià)值和市場前景。

5" 結(jié)束語

1）基于TRIZ理論，系統(tǒng)分析了傳統(tǒng)坐便輔助起立裝置存在的問題，并通過功能分析、根原因分析、沖突理論和物質(zhì)-場模型等工具，提出了多項(xiàng)創(chuàng)新解決方案。

2）將創(chuàng)新解決方案進(jìn)行優(yōu)化組合，設(shè)計(jì)了一款新型坐便輔助起立裝置，該裝置具有輔助起立、發(fā)電儲(chǔ)能和安全輔助3大模塊，有效解決了傳統(tǒng)裝置適用范圍小、功能單一、安全性低等缺點(diǎn)。

3）通過新型坐便輔助起立裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，進(jìn)一步證明了TRIZ理論在指導(dǎo)新產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)以及舊工程系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方面具有較強(qiáng)的可行性和有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 衛(wèi)庶，熊建.以健康老齡化應(yīng)對人口老齡化[N].人民日報(bào)海外版，2024-07-23（009）.

[2] 閆續(xù)范，趙斌，冷基鑫.一種適老型坐便器輔助起身裝置的設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2024（4）：73-77.

[3] 郭家偉，趙民，王佐，等.輔助站立坐便器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2024（4）：95-99.

[4] 石利利，馮愛亮，林煒煒，等.關(guān)于適老化坐便器中輔助升降系統(tǒng)的技術(shù)要求的研究[J].日用電器，2023（3）：112-114.

[5] 張莎.老年人智能輔助如廁裝置的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2021，50（7）：51-54.

[6] 談波，郭家偉，陳華，等.一種基于人因工程的輔助站立坐便器設(shè)計(jì)[J].宜賓學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，21（6）：18-21.

[7] 張換高.創(chuàng)新設(shè)計(jì)：TRIZ系統(tǒng)化創(chuàng)新教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017：13.

[8] 張鵬躍，劉爽爽，黃文靜，等.基于TRIZ理論的“三維機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革[J].南方農(nóng)機(jī)，2021，52（12）：149-151.

[9] 張娜，楊坤，于振環(huán)，等.車輛復(fù)雜工況下減振器失效的優(yōu)化及試驗(yàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2022，38（5）：232-237.

[10] 王成軍，丁凡.基于TRIZ理論的采繭機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2024，45（2）：244-249.