如廁舒適度人體感官智能馬桶

文|華南理工大學教授鍾漢如

摘要：智能馬桶蓋是研究人群如廁舒適度感官的馬桶科學。用模糊數學理論研究馬桶如廁過程，在如廁中記錄消化事件過程，將感官、思維、行為、記錄如廁舒適度感官自適應智能馬桶。帶有專家系統識別消化疾病診斷功能，給出醫生專家水平的判斷病理報告，指導人們生活方式改變。採用高精度伺服電機和磁場定向控制（FOC）的伺服控制器智能馬桶蓋。

關鍵詞：智能馬桶蓋 模糊數學 人體舒適度 伺服電機 伸縮桿沖洗器

中國資料分類號：TP 39

一、智能馬桶蓋定位

智能理論還沒有嚴格定義，智能方法有很多。目前有些產品都冠以智能噱頭，鑒於學術嚴謹性，為了澄清智能理論與方法。什麼叫智能（intelligence）？從感覺到記憶到思維這一過程，稱為「智慧」，智慧的結果就產生了行為和感官，將行為和感官表達過程稱為「能力」，兩者合稱「智能」，將感官、思維、行為、去記錄、回憶整個過程稱為智能過程，它是智力和能力的表現。

從目前智能馬桶產品，從功能來看，還稱不上智能，智能馬桶是帶有自學習、自適應、如廁專家系統功能，馬桶沖洗基本功能是為人在如廁服務的一種舒適工具，適應人群中各類不同需求服務方式，人群中有男性、女性、大人、小孩，不同的人在如廁後沖洗需求不同。目前智能馬桶功能屬於自動如廁馬桶。給馬桶一個高品位設定，稱為智能馬桶，要做到智能馬桶功能，必須配備如下功能：自動識別人群、如廁服務舒適度自學習、自適應，在馬桶蓋中增加大數據、雲計算、嵌入式互聯網+功能，增加各類感測器對人群不同種類如廁信息採集，將人群如廁感官、思維、行為、去記錄，給出人體消化系統疾病結論。馬桶功能分為高中低，按功能分為：1、基本如廁自動沖洗系統；2、將感官、思維、行為、記錄如廁舒適度感官自適應智能馬桶；3、帶有專家系統識別消化疾病診斷功能。

高大上智能馬桶是我們人類生活追求目標，要做到高級智能馬桶，涵蓋學科理論有：人體舒適度感官科學、機械傳動結構、嵌入式計算機科學、自動控制理論、電機學、電子技術及功率變頻技術、流體力學、高分子塑料成型技術、工業造型美工學。其中人體舒適度感官科學是馬桶研究對象。一個小小馬桶，牽涉到學科門類之多，光是電機就有6個，還有溫水加熱器、伸縮桿沖洗器、水流恆壓器、熱風清洗器、馬桶蓋板揭蓋機構等功能。

二、馬桶揭蓋動作力學性能分析

馬桶揭蓋有兩個電機，分別用於馬桶蓋板和坐便蓋板揭蓋和閉合動作。這兩個蓋板在揭蓋和閉合過程中產生扭矩隨著揭蓋角度不同而扭矩是非線性力矩變化。角度越小，電機扭矩越大。超過垂直90度後，馬桶蓋給電機反力矩。智能馬桶採用無刷直流電機和單片機組成控制器，目前這種控制方法難以做到電機扭矩非線性力矩控制。控制馬桶蓋電機在揭蓋動作按照線性角度揭蓋，又要客服蓋板重力對電機產生非線性扭矩，則必須採用伺服控制方法，電機有兩個控制要點：一、保證電機在不同扭矩情況下，揭蓋都是線性角度翻轉；2、電機控制蓋板扭矩是非線性，尤其在翻蓋過程中，如果用手加力揭蓋板，電機要跟隨手出力方向而改變運動力矩，這就叫自適應跟隨控制。要做到智能揭蓋馬桶，必須採用自適應伺服電機控制，才能達到馬桶揭蓋動作曲線要求，無論採用無刷直流電機還是伺服電機，只要能夠達到馬桶揭蓋動作力學要求，就能通過檢驗部門標準測試。

伺服電機是轉速和力矩隨動系統。伺服電機控制方法基本有兩種，一種是磁場定向控制（FOC），另一種是直接轉矩控制（DTC）。現在大多數高精度伺服控制器採用FOC控制，控制伺服電機程序不下有十幾種，程序演算法根據硬體三相逆變橋電路，選擇一種簡單的磁場定向控制數學模型叫矢量控制演算法，來控制電機蓋板力學運動曲線。這個數學模型是採用電流、轉速閉環控制，稱為克拉克變換-派克變換。隨動系統含意是根據蓋板角度變化產生扭矩不同而使電機出力隨著角度變化而變化，即隨動系統。

三、伸縮桿沖洗器改革探討

伸縮桿沖洗器有兩個功能，一是往返移動，二是切換冷熱水、前部清洗和後部清洗閥。對於伸縮桿第一個功能：往返移動，本文提出一種特殊電機應用——直線電機。伸縮桿用於不同人群往返運動規律不同，它與舒適度有關。目前智能馬桶伸縮桿運動速度達不到高速移動要求，如果採用直線電機，可以滿足要求，但是成本就上去了。

直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能而不需要任何中間轉換機構傳動裝置。具有起動推力大、傳動剛度高、動態響應快、定位精度高、行程長度不受限制等優點。特別是由於直線電機無離心力作用故直線移動速度可以不受限制。而且其加速度非常大，最高可達10g（1g=9.8ms2），能實現起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間准停，機械摩擦損耗幾乎為零，所以故障少，免維修，因而工作安全可靠、壽命長，用於伸縮桿驅動是取代電機旋轉方式變為直線運動，可以電機轉速降低下來，簡化齒輪傳動結構。

因此，只有在高速精密加工機床進給系統中採用直線電機直接驅動方式，才能獲得所需高進給速度和進給加速度。但在機床進給系統中採用直線電機直接驅動方式也會帶來新的矛盾和問題，主要表現為：發熱，隔磁及防護，負載干擾及應用於垂直進給機構時自鎖與重力加速度等問題。

直線電機工作原理與伺服電機相似。它也有直流、交流、步進、永磁、電磁和同步等多種類型。從其結構來講，它又有動圈式，動鐵式，平板型和圓筒型等形式，直線電機是近10年來，由於高速、精密機床進給系統需要，使得直線電機優越性充分體現出來，並受到高度重視，直線電機研究重新成為熱點領域。直線電機可以考慮用於智能馬桶伸縮桿沖洗器，控制方法與伺服電機控制方法類似，也是採用速度、扭矩閉環反饋隨動系統，請讀者參考專業論文。

四、智能馬桶蓋研究理論與方法

專業學科理論研究對智能理論與方法還沒有嚴格定義，原因在於描述離散事件一套理論還沒有比較成熟的實現方法付諸於實踐，雖然計算機做出了很大貢獻。大家熟知阿爾法智能機器人下圍棋就是一個典型人工智慧。什麼是智能馬桶？如何記錄人群如廁過程？如廁舒適度數學表達方式？大便粘稠度與沖洗方式有關，而在智能馬桶中記錄事件分析人群消化系統，給出醫生水平的專家判斷病理結論，指導人們生活方式改變，這才是智能馬桶。

研究離散事件數學工具目前首選是模糊數學，模糊數學是上世紀末新興起來的一種數學分支，典型應用例子是上世紀70年代日本製造電飯煲和洗衣機採用了模糊數學來控制洗衣和煮飯，模糊數學是描述模糊事件的數學。因為，研究事件關係越來越複雜，對系統判斷和推理精度也越來越高。為了精確描述複雜事件對象，各類數學分支不斷產生和發展。迄今為止，處理現實對象數學模型可分為三大類：一類是確定性數學模型；這類模型背景對象具有確定性或固定性，對象間具有必然關係。二類是隨機性數學模型；這類模型背景對象具有或然性或隨機性。三類是模糊性數學模型；這類模型背景對象及其關係均具有模糊性。前兩種模型共同特點是所描述事件本身含義是確定的，他們賴以存在的基石是集合論。它滿足互補律就是這種非此即彼清晰概念的抽象。

數學模型所描述事件本身含義是不確定的。所以，用模糊數學去推理不確定性事件恰好解決馬桶記錄人群如廁過程，大便粘稠度與沖洗方式和專家診斷系統，對事件複雜性可以用模糊推理、隸屬函數表達式來表達複雜事件內在關係，模糊數學有幾個定理，例如：F模式識別、F集貼近度，F關係與聚類分析，模糊語言和模糊推理，模糊控制方法等定理，模式識別在幾何圖形識別、手寫文字識別均有介紹，在各種專家系統中都採用了模糊集合，所以，智能馬桶蓋理論與方法首選是模糊數學作為研究工具。

智能馬桶有了描述事件的數學工具，也就是確定表達如廁過程的數學模型，如何實現這個智能馬桶，擺在我們目前的事情是安裝感測器，如果能夠使用圖像感測器則是最好不過，但是牽涉到隱私和法律，則不能採用攝像頭，只能用其他感測器推理方法判斷大便粘稠度，辦法總是在困難中產生，機會留給有準備的人們。

今年春節剛過，萬物復甦，國家質檢總局率先在台州市舉辦《全國智能馬桶產品質量攻堅計劃》啟動儀式，採用「政產學研檢」五個方面力量來攻克智能馬桶質量，小小馬桶大動作，可見我國政府採用如此陣容把馬桶產品聲譽從日本國奪取過來。相信在台州市政府和各路群英協助下，定會做好中國智造馬桶。

參考資料：

1、鍾漢如等編著 《現代機械裝備控制工程》清華大學出版社，2009.7 第一版

2、鍾漢如編著 《注射機控制系統》化學工業出版社，2008.7 第二版

3、J.G&G.R著劉星成.湯庸譯 《專家系統原理與編程》機械工業出版社，2000.5

4、楊倫標等編著 《模糊數學-原理及應用》華南理工大學出版社，2002 第二版

作者介紹 鍾漢如

現任職華南理工大學機械與汽車工程學院教授，專業方向是自動控制，計算機控制，伺服電機控制。

責任編輯|小馬哥