基于TRIZ 理论的果树施药车创新设计

全面开展乡村振兴、产业复兴，重在依靠改革创新，形成可持续的内生发展机制。近年来，随着现代科学技术的发展，乡村振兴进程的加快，人口老龄化现状加剧，通过智能化设计解决人们日常生活中的问题成为当下热点，人们渴望将智能化产品融入传统农业种植的各个环节，借以解决人力、物力不足等问题。文章结合TRIZ 理论对人工智能技术、产品创意设计与产品使用环境三者进行综合分析，揭示产品与环境之间的关联与逻辑，进而更加准确地理解智能技术在农业种植环境中实践的合理性，对现有产品创新设计提供合适的研究途径与合理的评价方式，更好地开展面向未来的设计实践。

1 TRIZ 理论概述

TRIZ 是发明问题解决理论的常用简称，TRIZ 理论认为，产品创新是解决设计冲突，产生新的解决方案

。在现代TRIZ 理论中产品的技术研发遵循着客观的发展规律。TRIZ 理论的强大作用在于它为人们创造性地发现问题和解决问题提供了系统的理论和方法

。基于TRIZ 理论的40 余种创新方法具有较好的实用性，如分割原理，将物体分割成几个独立的部分，使物体成为可拆卸或易于组织的部分。再如局部质量原理，将均匀的物体结构或外部环境变成不均匀的，同时也让物体各部分具备不同的功能

。这些创新方法为设计提供了有效的理论依据。

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 理论的果树施药车创新设计流程

2.1 用户需求及产品优缺点分析

根据TRIZ 理论的创新设计方法，运用阶段访谈的形式了解用户需求（如表1），从而发现种植用户重视产品施药后的清洁、过程前后的运输和产品本身使用率等问题。

以下对现今主流的几类施药产品的优缺点进行具体分析。现有市场施药设备有如下几种：其一，喷杆式喷雾设备，高效的地面施药设备，根据功率匹配条件大致分为牵引式、悬架式、自推进式等；其二，风送式喷雾设备，利用强气流将压力雾化或离心雾化的药液滴吹向目标，风缸形状任意弯曲组装，最大限度地提高了风能利用率、雾滴穿透率和附着率；其三，航空施药设备，固定翼面和旋翼作业效率高，不受作物长势限制，适应性较广，用药液量少；其四，手动背负式喷雾器通过摇杆部件的摇动，从而使气室内压力逐渐升高，施药气压最高为0.6Mpa，药液通过箱底底部的阀口流出，再经过出水管，经喷杆至喷头雾化喷出雾来，手动背负式施药机整体结构紧凑、合理，功能安全可靠，增压装置配有单独的压力开关，不容易渗漏，操作简单。

4)人机设计单元：施药车的尺寸参照机械产品高品质装配工艺标准，参照我国男性平均身高，并经过测量得出当人坐在车上时两腿微微分开，座面到地面的高度为700mm。人机交互会直接影响整个产品的性能，从而给人一种舒适、安全、可靠、实用的感觉。

2.2 产品使用流程分析

3)因果链单元：通过因果链分析法建立问题初始阶段和底层问题逻辑之间的联系，寻找施药环节问题产生的关键原因，针对问题，在消除关键问题点后使此类（项）问题不再出现或减少出现；通过建立施药者、产品与环境三者之间的因果链条，寻找在此循环链条中容易产生的薄弱点和易控制点，在难以控制关键原因时可以选择其他原因节点攻克目标问题，然后选择当中的节点为解决问题寻找入手点，利用最小的成本完成解决问题的目的

。根据因果链的分析，如图2 所示，从中找到负重、行走、施药、兑药、清洁药箱、存放与再使用等问题，针对上述因果链不难发现其中主要的两个问题。其一是目标用户施药过程中体力、重复性活动等付出较大；其二是施药产品周期使用率不足15%，使用率与材料老化程度不匹配。

1)功能单元：通过全面的产品功能定义，施药车的一个功能单元是完成1 天8—10 小时的施药任务，或一小时行驶40—60公里路程。

2)压力与驱动模块设计：压力模块主要为药箱增加压力，保证施药质量。配备电力驱动，控制与操作方式简单。其一，电动压力喷雾器，通过电力驱动喷雾器工作，其具有效率高、劳动强度低、使用方便等优点。以伯努利原理为依据，通过电力驱动，改变药液流速大小、压强大小，实现流体自动从高压流向低压。在通过三叉管时，低速流动的水流向高速的流动的空气，水被高速空气撕成小水珠，喷出形成水雾。其二，对单喷头、双喷头和四眼喷头进行重组，依据适用范围和树种进行自由切换。单喷头喷射雾团较大，雾珠小，可用于小范围喷雾

；双喷头喷射雾团更大，雾珠极细，适用于大范围喷雾；四眼喷头可调松紧，适合对高大乔灌木或果树进行喷雾作业。其三，桶身是盛装药液和水的容器，在它的口部和底部各有一个过滤网，桶身的一侧还可以固定喷杆。喷杆用于延长喷射距离，上面还有控制喷雾作业的手柄开关。底座位于桶身的下部，是用来固定电池和水泵的，在它的一侧还装有电源开关。电源与车载电池共用，用来为喷雾器提供动力。水泵通过高速运转产生强大的压力差，把水从进水管吸入，从出水管喷出，形成高速水流，完成喷雾作业。

2)生产与加工单元：施药车整体结构以铝合金聚苯乙烯、聚丙烯为主，钢、铜、橡胶等其他材料为辅。铝合金具有温度变化影响小、耐腐蚀、性能优良等特点，广泛运用于各类产品中。产品在功能模块上以可重复拆卸卡扣作为主要结构组合，结构的合理划分，大大缩短了装配产生的成本。各部件材料选择上尽量以单一材料为主，这样能有效控制材料成型、废料回收等。车体60%零部件采用免漆工艺生产，减少了材料的使用率。

TRIZ 理论将产品视为一个完整的系统，施药车设计所涉及的原理并不复杂，产品实现包含能源系统、动力系统、执行系统。施药车主要由运输和液体储藏两个部分构成，目前从技术层面来讲，施药车是可以实现的。针对上述问题，文中在传统产品设计流程中融入TRIZ 理论，如图1 所示。从产品问题分析入手，发现施药起始之间产生的问题，剖析产品功能与约束之间的问题，并与顾客需求进行比较，找寻解决问题的方法。高效地对标设计问题、解决问题，规避设计的主观性和无用性。

走近浙江印刷集团，发现其由内而外都洋溢着一种历史感，而每一位在集团工作的印刷人亦有着一份责任、使命或担当。实则，浙江印刷集团一直致力于做好文化传播者的角色——对外，积极开展印刷文化课堂的活动，邀请小朋友到公司体验活字印刷的过程，感受印刷的独特魅力；对内，开展“快乐员工活动月”的活动，通过车间的技能比拼、户外的球类比赛等，进一步提升员工的能力素养，并在潜移默化中，传递印刷人的精神。

根据人机工程学设计准则总结出人手尺寸数据，设定了施药车手柄的详细尺寸，将把手设计成圆柱形，这样的设计有利于抓握，减少把手对手掌的压力，使其握起来更舒适，同时也在把手上增加了一些纹路，以此增加手套在手掌上的摩擦力，以达到防滑效果。根据手的大小，把手柄的长度为100mm，直径为40mm。同时，座包的设计使人们坐在车座时感觉更加舒适。但是座包应当具备良好的透气性，以保持皮肤干燥。根据人体工程学的要求，双手可在左右30°内自由移动，双手可在中间方向和附近自由移动。当两手夹角为60°时，左右手之间的距离为500mm，施药车的物理手柄之间的距离约为500mm，则符合人体工程学的要求

。

2.3 产品功能模块设计

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)运输与储藏模块设计：将车辆移动与背负式整体载药箱进行融合，充分利用功能组合的形式来消除人力限制因素，提高运输效率。与此同时，箱体容积的提升，可有效减少背负式药箱的兑药次数，降低重复性劳动。运输形式上配置三轮运输模块，提高产品运输过程中的稳定性，操作界面与常规电动车模式相同，可操作性强。

案例库建设需要制定一个总体规划。一个好的的案例库首先需要一个周全的计划。其中包括案例库建设的目标、建设的主要原则、建设团队的分工和职责、建设进度和安排等。在总体规划下首先拟定编写提纲，根据专业要求确定课程案例库的题量、难度、格式和类型。

通过实地调研和用户访谈，结合现阶段用户对产品的使用周期、年龄、操作方式等因素，从运输模块、充电模块、压力模块、液体储藏模块、驱动模块等方面综合解决用户需求，如表2 所示。

施药产品使用率一直是该设计研究过程中需要重点考虑的问题，一般农用家庭施药工具的周使用率为1—3 次，种植面积较大的使用率相对较高，所以在设计过程中将产品的使用率与操作性作为设计问题解决的核心。此款施药车能解决日常出行、运输等问题，如图3 所示。

3 基于TRIZ 理论的果树施药车创新设计实践

结合项目内容和设计的可行性，对设计进行流程式分解，针对施药工作人群的特征，对控制方式和运输方式进行优化设计。施药车产品设计以人为本，从用户的角度出发，有着简洁的外观和实用功能，可一人操作，亦可多人同时作业，省工省时省力，适用于多种类型果园的喷药工作。在面积较小的果园可直接使用车头部分的单头出口进行施药，面积较大的果园可使用车底部的四头出口进行转换后再进行施药。

问题设计：细节描写分别在每篇文章的哪些段落？为什么这些语句是细节描写？说说理由。举例分析文中的细节描写对塑造人物有什么作用。

3.1 造型设计

3)控制模块设计：操作方式是施药车用户安全的基石，但随着电动三轮车交通安全问题的凸显，大部分操作人员未参加系统的交通安全知识培训和考试，不懂道路标志、标线等问题，所以在融合功能的同时，可以将交通安全行驶模块与控制相结合，避免安全事故的发生。

三轮施药车产品创新设计以公牛为原型，整体为流线型，功能对称式分布。设计时将施药车的药箱部分放在车的中心位置，提高产品的稳定性和功能性。将施药车的两轮设计成三轮，保证使用人群更加安全，施药箱体在前方和底部设置了两种类型的出水口，前端出水口便于单人施药，可以根据不同喷头匹配出水口。底部出水口是承接多人次同时施药使用，出药量大，适合风管流接施药。

3.2 功能设计

该方案实现了单人、多人同时作业的需求，减少了运输、兑药等过程中重复性劳动等问题，整体施药作业的时效性得到显著优化，经济性有所提高。施药过程中其工作原理是由低压直流提供能源，驱动低压电动水泵，将药桶内的液体吸出来，并通过输药管进入喷杆，进行施药。由于喷药杆取消了抽吸式喷药装置，从而有效地消除了农药伤害操作者的弊端。由于电动泵压力较大，增大了喷洒距离和范围。出水管与喷杆，以及车身的衔接，满足不同施药场景的需求，且内部带有搅拌装置，可自动清洗药箱。其容量为150L，射程范围为18—22m，外形尺寸：1354mm×847mm×1252mm，如图4 所示。

4 结语

文章以TRIZ 理论为理论基础，结合传统设计流程进行产品创新设计。首先对传统施药设备、施药场景与用户需求进行调研，分析出符合市场的产品类型，通过流程分析总结出现有产品存在的两个问题。运用设计系统流程对产品的使用环境、方式和人群进行重新设计，将传统运输形式进行优化，闲置时可作为家中常用的交通工具。最终通过计算机辅助设计完成设计方案效果图，并结合3D 打印技术制作样机对产品进行优化，以期为同类型产品的设计与创新提供一定参考。

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