基于人機工程學原理的智能垃圾桶設計

秦艷

（江蘇聯合職業技術學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，加強研發便捷的生活用品對于改善老年人的生活質量，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，傳統的垃圾桶從本質上來看，屬于一個靜態的容器[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，稍有不慎還會引發摔傷、腰部扭傷等問題[3]。因此，開發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計中，以老年人為使用對象，在基于人機工程學原理的基礎上，開發適應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 人機工程學原理設計思路

人機工程學原理，是產品設計中以人為本設計理念的具體體現。即在產品設計中，將人體測量數據、力學、產品使用心理學等領域相融合的研究方法。它是建立在人體結構、機能等特點的前提下，通過測量人在使用產品時的出力、習慣、體驗、生理變化等規律，研究人在產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，其人機工程學原理的設計中，具體的設計思路為：（1）基本參數的測量。對江蘇淮安地區年齡為的65-80歲老年人進行數據采樣，采樣數量為100人。采樣的數據包括：身高、手的握力、彎腰范圍、步行速度、手擰物體的重量等；（2）參數分析。分析采樣的參數，并得到基于采樣參數的結論等；（3）智能垃圾桶的參數和功能設計。根據采樣的參數數據分析結果，確定智能垃圾桶的形狀、結構、功能等設計要素；（4）產品設計效果追蹤。將智能垃圾桶的設計方案通過問卷調查的形式發送至擬使用對象進行效果評價，作為產品設計合理與否、繼續優化設計等后處理工作的依據。人機工程學設計流程如圖1所示。

圖1 人機工程學設計流程

2 智能垃圾桶系統設計

■2.1 設計要素及功能的確定

根據采樣的數據及數據分析結果顯示，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，在智能垃圾桶的設計中，從腰部彎曲的角度來設計，根據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構由本體、驅動系統以及輪胎組成，如圖2所示。

圖2 垃圾桶基本結構

■2.2 智能垃圾桶控制系統設計

智能垃圾桶控制系統設計中，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、紅外模塊以及驅動模塊，各模塊之間的關系如圖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送指令驅動電機開始動作，由此帶動整個垃圾桶運動。

圖3 控制系統結構

從上述原理可知，主板會將信號傳遞給驅動模塊。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的調整。

光控模塊的主要功能是對外界環境的光照度進行監測，并將監測的數據適時傳遞給主板，主板對收集到的參數進行判斷[5]。當外界光照強度在設定范圍內時，照明組件不動作。反之，當光照強度小于預設值時，主板對照明組件發出開啟指令，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垃圾桶位置信息的監測，并將監測信息傳遞至主板[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，然后向驅動模塊發出指令，避開前方障礙物。

部分控制系統的電路設計組件，如圖4所示。

圖4

3 設計效果

在本課題中，對于該智能垃圾桶設計合理性與否的判斷，采用的是問卷調查法[7]。具體操作流程為：（1）問題的設計。采用專家評定法對該智能垃圾桶設計問題[8-9]。將該設計方案發送給多名行業專家，由行業專家依據自己的經驗設計問題。當專家將問題反饋后，由于多名專家的結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，將修正后的問題發送給專家作二次評定，最終確定合理的問題集；（2）問卷調查的開展。將設計方案和問卷調查發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，發送問卷調查100份，回收問卷調查98份，問卷有效率98%；（3）問卷調查結果整理。對回收的問卷調查表進行分數統計和整理，得到最終的設計效果評價分數。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，部分結果如表2所示。

表1 主要問題

表2 問卷調查結果

從表2所示的問卷調查結果來看，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占比均高于70%。表明相對于傳統的垃圾桶而言，該智能垃圾桶的功能設計和結構設計，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，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原理的智能垃圾桶設計方案是合理的，達到了預期的目標。

4 結論

通過對淮安地區部分老年人進行數據采樣，再對采樣結果進行數據分析，提供了從尺寸、遙控、循跡、光照以及避障等方面進行方案設計的智能垃圾桶設計方案。本課題完成了智能垃圾桶的控制系統設計，并采用問卷調查法對使用者進行了方案的合理性調研。從調研結果顯示該智能垃圾桶的設計比較合理，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，也為下一步該產品的持續優化奠定了前期的工作基礎。