文|华南理工大学教授 钟汉如

摘要：智能马桶盖是研究人群如厕舒适度感官的马桶科学。用模糊数学理论研究马桶如厕过程，在如厕中记录消化事件过程，将感官、思维、行为、记录如厕舒适度感官自适应智能马桶。带有专家系统识别消化疾病诊断功能，给出医生专家水平的判断病理报告，指导人们生活方式改变。采用高精度伺服电机和磁场定向控制（FOC）的伺服控制器智能马桶盖。

关键词：智能马桶盖 模糊数学 人体舒适度 伺服电机 伸缩杆冲洗器

中国资料分类号：TP 39

一、智能马桶盖定位

智能理论还没有严格定义，智能方法有很多。目前有些产品都冠以智能噱头，鉴于学术严谨性，为了澄清智能理论与方法。什么叫智能（intelligence）？从感觉到记忆到思维这一过程，称为“智慧”，智慧的结果就产生了行为和感官，将行为和感官表达过程称为“能力”，两者合称“智能”，将感官、思维、行为、去记录、回忆整个过程称为智能过程，它是智力和能力的表现。

从目前智能马桶产品，从功能来看，还称不上智能，智能马桶是带有自学习、自适应、如厕专家系统功能，马桶冲洗基本功能是为人在如厕服务的一种舒适工具，适应人群中各类不同需求服务方式，人群中有男性、女性、大人、小孩，不同的人在如厕后冲洗需求不同。目前智能马桶功能属于自动如厕马桶。给马桶一个高品位设定，称为智能马桶，要做到智能马桶功能，必须配备如下功能：自动识别人群、如厕服务舒适度自学习、自适应，在马桶盖中增加大数据、云计算、嵌入式互联网+功能，增加各类传感器对人群不同种类如厕信息采集，将人群如厕感官、思维、行为、去记录，给出人体消化系统疾病结论。马桶功能分为高中低，按功能分为：1、基本如厕自动冲洗系统；2、将感官、思维、行为、记录如厕舒适度感官自适应智能马桶；3、带有专家系统识别消化疾病诊断功能。

高大上智能马桶是我们人类生活追求目标，要做到高级智能马桶，涵盖学科理论有：人体舒适度感官科学、机械传动结构、嵌入式计算机科学、自动控制理论、电机学、电子技术及功率变频技术、流体力学、高分子塑料成型技术、工业造型美工学。其中人体舒适度感官科学是马桶研究对象。一个小小马桶，牵涉到学科门类之多，光是电机就有6个，还有温水加热器、伸缩杆冲洗器、水流恒压器、热风清洗器、马桶盖板揭盖机构等功能。

二、马桶揭盖动作力学性能分析

马桶揭盖有两个电机，分别用于马桶盖板和坐便盖板揭盖和闭合动作。这两个盖板在揭盖和闭合过程中产生扭矩随着揭盖角度不同而扭矩是非线性力矩变化。角度越小，电机扭矩越大。超过垂直90度后，马桶盖给电机反力矩。智能马桶采用无刷直流电机和单片机组成控制器，目前这种控制方法难以做到电机扭矩非线性力矩控制。控制马桶盖电机在揭盖动作按照线性角度揭盖，又要客服盖板重力对电机产生非线性扭矩，则必须采用伺服控制方法，电机有两个控制要点：一、保证电机在不同扭矩情况下，揭盖都是线性角度翻转；2、电机控制盖板扭矩是非线性，尤其在翻盖过程中，如果用手加力揭盖板，电机要跟随手出力方向而改变运动力矩，这就叫自适应跟随控制。要做到智能揭盖马桶，必须采用自适应伺服电机控制，才能达到马桶揭盖动作曲线要求，无论采用无刷直流电机还是伺服电机，只要能够达到马桶揭盖动作力学要求，就能通过检验部门标准测试。

伺服电机是转速和力矩随动系统。伺服电机控制方法基本有两种，一种是磁场定向控制（FOC），另一种是直接转矩控制（DTC）。现在大多数高精度伺服控制器采用FOC控制，控制伺服电机程序不下有十几种，程序算法根据硬件三相逆变桥电路，选择一种简单的磁场定向控制数学模型叫矢量控制算法，来控制电机盖板力学运动曲线。这个数学模型是采用电流、转速闭环控制，称为克拉克变换-派克变换。随动系统含意是根据盖板角度变化产生扭矩不同而使电机出力随着角度变化而变化，即随动系统。

三、伸缩杆冲洗器改革探讨

伸缩杆冲洗器有两个功能，一是往返移动，二是切换冷热水、前部清洗和后部清洗阀。对于伸缩杆第一个功能：往返移动，本文提出一种特殊电机应用——直线电机。伸缩杆用于不同人群往返运动规律不同，它与舒适度有关。目前智能马桶伸缩杆运动速度达不到高速移动要求，如果采用直线电机，可以满足要求，但是成本就上去了。

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构传动装置。具有起动推力大、传动刚度高、动态响应快、定位精度高、行程长度不受限制等优点。特别是由于直线电机无离心力作用故直线移动速度可以不受限制。而且其加速度非常大，最高可达10g（1g=9.8ms2），能实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工作安全可靠、寿命长，用于伸缩杆驱动是取代电机旋转方式变为直线运动，可以电机转速降低下来，简化齿轮传动结构。

因此，只有在高速精密加工机床进给系统中采用直线电机直接驱动方式，才能获得所需高进给速度和进给加速度。但在机床进给系统中采用直线电机直接驱动方式也会带来新的矛盾和问题，主要表现为：发热，隔磁及防护，负载干扰及应用于垂直进给机构时自锁与重力加速度等问题。

直线电机工作原理与伺服电机相似。它也有直流、交流、步进、永磁、电磁和同步等多种类型。从其结构来讲，它又有动圈式，动铁式，平板型和圆筒型等形式，直线电机是近10年来，由于高速、精密机床进给系统需要，使得直线电机优越性充分体现出来，并受到高度重视，直线电机研究重新成为热点领域。直线电机可以考虑用于智能马桶伸缩杆冲洗器，控制方法与伺服电机控制方法类似，也是采用速度、扭矩闭环反馈随动系统，请读者参考专业论文。

四、智能马桶盖研究理论与方法

专业学科理论研究对智能理论与方法还没有严格定义，原因在于描述离散事件一套理论还没有比较成熟的实现方法付诸于实践，虽然计算机做出了很大贡献。大家熟知阿尔法智能机器人下围棋就是一个典型人工智能。什么是智能马桶？如何记录人群如厕过程？如厕舒适度数学表达方式？大便粘稠度与冲洗方式有关，而在智能马桶中记录事件分析人群消化系统，给出医生水平的专家判断病理结论，指导人们生活方式改变，这才是智能马桶。

研究离散事件数学工具目前首选是模糊数学，模糊数学是上世纪末新兴起来的一种数学分支，典型应用例子是上世纪70年代日本制造电饭煲和洗衣机采用了模糊数学来控制洗衣和煮饭，模糊数学是描述模糊事件的数学。因为，研究事件关系越来越复杂，对系统判断和推理精度也越来越高。为了精确描述复杂事件对象，各类数学分支不断产生和发展。迄今为止，处理现实对象数学模型可分为三大类：一类是确定性数学模型；这类模型背景对象具有确定性或固定性，对象间具有必然关系。二类是随机性数学模型；这类模型背景对象具有或然性或随机性。三类是模糊性数学模型；这类模型背景对象及其关系均具有模糊性。前两种模型共同特点是所描述事件本身含义是确定的，他们赖以存在的基石是集合论。它满足互补律就是这种非此即彼清晰概念的抽象。

数学模型所描述事件本身含义是不确定的。所以，用模糊数学去推理不确定性事件恰好解决马桶记录人群如厕过程，大便粘稠度与冲洗方式和专家诊断系统，对事件复杂性可以用模糊推理、隶属函数表达式来表达复杂事件内在关系，模糊数学有几个定理，例如：F模式识别、F集贴近度，F关系与聚类分析，模糊语言和模糊推理，模糊控制方法等定理，模式识别在几何图形识别、手写文字识别均有介绍，在各种专家系统中都采用了模糊集合，所以，智能马桶盖理论与方法首选是模糊数学作为研究工具。

智能马桶有了描述事件的数学工具，也就是确定表达如厕过程的数学模型，如何实现这个智能马桶，摆在我们目前的事情是安装传感器，如果能够使用图像传感器则是最好不过，但是牵涉到隐私和法律，则不能采用摄像头，只能用其他传感器推理方法判断大便粘稠度，办法总是在困难中产生，机会留给有准备的人们。

今年春节刚过，万物复苏，国家质检总局率先在台州市举办《全国智能马桶产品质量攻坚计划》启动仪式，采用“政产学研检”五个方面力量来攻克智能马桶质量，小小马桶大动作，可见我国政府采用如此阵容把马桶产品声誉从日本国夺取过来。相信在台州市政府和各路群英协助下，定会做好中国智造马桶。

作者介绍  

钟汉如，现任职华南理工大学机械与汽车工程学院教授，专业方向是自动控制，计算机控制，伺服电机控制。

（责任编辑/龙一）