基于人机工程学原理的智能垃圾桶设计

秦艳

（江苏联合职业技术学院淮安生物工程分院，江苏淮安，223200）

0 引言

随着我国老龄化程度的加深，加强研发便捷的生活用品对于改善老年人的生活质量，减轻生活中的不便利因素具有举足轻重的价值[1]。以生活中常用的垃圾桶为例，传统的垃圾桶从本质上来看，属于一个静态的容器[2]。人们在使用中通常需要步行至垃圾桶旁边，然后通过弯腰的动作来将垃圾放进垃圾桶中。然而，这看似简单的两个动作，对于年龄较大、步行不便的老年人来说，往往显得非常吃力，稍有不慎还会引发摔伤、腰部扭伤等问题[3]。因此，开发一种适用于老年人的智能垃圾桶，让其整理垃圾的时候更加方便，将容易对老年人造成伤害的风险因素消除，是十分必要的。所以，本文在智能垃圾桶的设计中，以老年人为使用对象，在基于人机工程学原理的基础上，开发适应于老年人的垃圾桶智能化功能，减轻其生活中容易造成伤害的潜在风险。

1 人机工程学原理设计思路

人机工程学原理，是产品设计中以人为本设计理念的具体体现。即在产品设计中，将人体测量数据、力学、产品使用心理学等领域相融合的研究方法。它是建立在人体结构、机能等特点的前提下，通过测量人在使用产品时的出力、习惯、体验、生理变化等规律，研究人在产品使用中造成心理变化的影响要素和效率等[4]。

对于智能垃圾桶而言，其人机工程学原理的设计中，具体的设计思路为：（1）基本参数的测量。对江苏淮安地区年龄为的65-80岁老年人进行数据采样，采样数量为100人。采样的数据包括：身高、手的握力、弯腰范围、步行速度、手拧物体的重量等；（2）参数分析。分析采样的参数，并得到基于采样参数的结论等；（3）智能垃圾桶的参数和功能设计。根据采样的参数数据分析结果，确定智能垃圾桶的形状、结构、功能等设计要素；（4）产品设计效果追踪。将智能垃圾桶的设计方案通过问卷调查的形式发送至拟使用对象进行效果评价，作为产品设计合理与否、继续优化设计等后处理工作的依据。人机工程学设计流程如图1所示。

图1 人机工程学设计流程

2 智能垃圾桶系统设计

■2.1 设计要素及功能的确定

根据采样的数据及数据分析结果显示，对于老年人而言，每天使用垃圾桶的频率约6-8次，每次都会从房屋的各个地方步行至垃圾桶的固定位置。同时在扔垃圾时，通常是保持站立姿势，除手部的动作外，腰部会有习惯性地弯曲。因此，存在摔倒或腰部扭伤的潜在危险因素。综上所示，在智能垃圾桶的设计中，从腰部弯曲的角度来设计，根据采样的平均身高和弯腰的舒适度，确定了垃圾桶的高度。同时，在功能设计中，考虑到老年人步行至垃圾桶不方便的问题，拟将垃圾桶设计成移动式，即当老年人需要使用垃圾桶时，通过手机App操作，垃圾桶自动移动到指定位置。智能垃圾桶的基本结构由本体、驱动系统以及轮胎组成，如图2所示。

图2 垃圾桶基本结构

■2.2 智能垃圾桶控制系统设计

智能垃圾桶控制系统设计中，主要由以下几个模块组成，包括：控制模块、蓝牙模块、主板、光控模块、红外模块以及驱动模块，各模块之间的关系如图3所示。其基本的控制原理为：控制模块的功能是垃圾桶的使用者通过手机指定移动的终点，该模块通过手机的蓝牙模块将信息传递至智能垃圾桶的蓝牙模块，蓝牙模块再传递信息至主板并由主板发送指令驱动电机开始动作，由此带动整个垃圾桶运动。

图3 控制系统结构

从上述原理可知，主板会将信号传递给驱动模块。与此同时，主板还会收集光控模块和红外模块的信息用于其他组件参数的调整。

光控模块的主要功能是对外界环境的光照度进行监测，并将监测的数据适时传递给主板，主板对收集到的参数进行判断[5]。当外界光照强度在设定范围内时，照明组件不动作。反之，当光照强度小于预设值时，主板对照明组件发出开启指令，则照明组件开始动作。如此一来，老人可以在光线比较昏暗的情况下看清楚垃圾桶的位置。

红外模块的主要功能时实现垃圾桶位置信息的监测，并将监测信息传递至主板[6]。当前方存在障碍物时，红外模块将该信号传输至主板，主板对前方障碍物的距离进行判断，然后向驱动模块发出指令，避开前方障碍物。

部分控制系统的电路设计组件，如图4所示。

图4

3 设计效果

在本课题中，对于该智能垃圾桶设计合理性与否的判断，采用的是问卷调查法[7]。具体操作流程为：（1）问题的设计。采用专家评定法对该智能垃圾桶设计问题[8-9]。将该设计方案发送给多名行业专家，由行业专家依据自己的经验设计问题。当专家将问题反馈后，由于多名专家的结论难免存在不一致的地方，故需要对专家反馈的问题进行修正。然后，将修正后的问题发送给专家作二次评定，最终确定合理的问题集；（2）问卷调查的开展。将设计方案和问卷调查发送给多名智能垃圾桶的拟使用对象，让其进行评定打分。本课题中，发送问卷调查100份，回收问卷调查98份，问卷有效率98%；（3）问卷调查结果整理。对回收的问卷调查表进行分数统计和整理，得到最终的设计效果评价分数。部分主要问题如表1所示。

在对每个问题的评价中，采取非常认同、比较认同、一般、不认同、非常不认同五个等级进行打分，以表1所示的5个问题为例，部分结果如表2所示。

表1 主要问题

表2 问卷调查结果

从表2所示的问卷调查结果来看，对于这5个问题而言，拟使用对象的认可度总体而言是比较高的，问题1、2、4以及5的比较认同和非常认同的人数占比均高于70%。表明相对于传统的垃圾桶而言，该智能垃圾桶的功能设计和结构设计，确实能够提升老年人使用的便利性和良好的体验感。但是，问题3的认同度较之其他4个问题的认同度存在明显的差距。导致该差距的原因在于由于使用者都是老年人，该智能垃圾桶的主要操作通过手机App来实现，而许多老年人对于智能手机的操作存在一定的困难，由此导致了该问题的认同度不高。综上所述，除手机操作的问题外，用户对该智能垃圾桶各项功能的认同度较高，可以认为基于人机工程学原理的智能垃圾桶设计方案是合理的，达到了预期的目标。

4 结论

通过对淮安地区部分老年人进行数据采样，再对采样结果进行数据分析，提供了从尺寸、遥控、循迹、光照以及避障等方面进行方案设计的智能垃圾桶设计方案。本课题完成了智能垃圾桶的控制系统设计，并采用问卷调查法对使用者进行了方案的合理性调研。从调研结果显示该智能垃圾桶的设计比较合理，能够有效解决老年人在使用垃圾桶时存在的潜在危险因素。同时，也为下一步该产品的持续优化奠定了前期的工作基础。