Please wait a minute...
工程设计学报
工程设计学报  2023, Vol. 30 Issue (5): 531-544    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.062
机械设计理论与方法     
基于功能表面驱动与可拓工具的产品人机工程问题确定方法研究
白仲航1,2,3(),艾琳璟1,2,3()
1.河北工业大学 建筑与艺术设计学院，天津 300132
2.河北工业大学 国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心，天津 300401
3.河北工业大学 河北省工业设计创新与应用研究中心，天津 300132
Research on product ergonomics problem determination method based on functional surface drive and extension tools
Zhonghang BAI1,2,3(),Linjing AI1,2,3()
1.School of Architecture and Art Design, Hebei University of Technology, Tianjin 300132, China
2.National Engineering Research Center for Technological Innovation Method and Tool, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China
3.Hebei Industrial Design Innovation and Application Research Center, Hebei University of Technology, Tianjin 300132, China
 全文: PDF(3766 KB)   HTML
摘要：

为了准确地确定产品人机工程问题，以提升人机交互性能，运用TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatc，发明问题解决理论）提出了基于功能表面驱动与可拓工具的冲突区域确定方法。首先，利用功能表面改进功能过程模型，识别人机工程问题的初始问题功能元，并结合可拓表达和相关分析完成初始问题功能元的转换及最终问题功能元的确定。然后，利用功能表面改进功能关系模型，识别产品的初始冲突区域，并结合可拓表达、相关分析、蕴含分析和优度评价完成初始冲突区域的转换及最终冲突区域的确定。最后，利用标准解对冲突区域中的不良作用进行求解，并通过优度评价完成方案的评价和筛选。通过割草机改进设计实例验证了所提出方法的可行性。研究表明，该方法有助于交互式产品冲突区域的确定，提高了其人机工程问题的解决效率。
关键词： 交互式产品;  TRIZ;  可拓学;  冲突区域;  功能表面;  功能模型;  割草机    
Abstract:

In order to accurately determine the ergonomics problems of products and improve the human-computer interaction performance, a conflict zone determination method based on functional surface drive and extension tools is proposed by using TRIZ (Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatc). Firstly, the functional process model was improved by the functional surface to identify the initial problem functional elements of the ergonomics problems, and the transformation of the initial problem functional elements and the determination of the final problem functional elements were completed by combining the extension expression and correlation analysis. Then, the functional relationship model was improved by the functional surface to identify the initial conflict zone of the product, and the transformation of the initial conflict zone and the determination of the final conflict zone were completed by combining the extension expression, correlation analysis, implication analysis and superiority evaluation. Finally, the standard solution was used to solve the adverse effects in the conflict zone, and the evaluation and screening of the scheme were completed through the superiority evaluation. The feasibility of the proposed method was verified by an example of improved design of lawn mower. The research shows that this method is helpful for the determination of conflict zones in interactive products and can improve the efficiency of solving ergonomics problems.
Key words: interactive product    TRIZ    extenics    conflict zone    functional surface    functional model    lawn mower
收稿日期: 2023-02-08 出版日期: 2023-11-03
CLC:  TH 122  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52242508);河北省自然科学基金资助项目(G2021202008);河北省研究生创新资助项目(CXZZSS2023031)
作者简介: 白仲航（1978—），男，河北承德人，教授，博士，从事创新设计与工业设计研究，E-mail: baizhonghang@ hebut.edu.cn，https://orcid.org/0000-0001-6655-3730|艾琳璟（1996—），女，河北唐山人，硕士生，从事创新设计与工业设计研究，E-mail: aimeiyuan81@163.com，https://orcid.org/0000-0002-6529-6995
服务　　
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
RSS
作者相关文章　　
白仲航
艾琳璟

引用本文:

白仲航,艾琳璟. 基于功能表面驱动与可拓工具的产品人机工程问题确定方法研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(5): 531-544.

Zhonghang BAI,Linjing AI. Research on product ergonomics problem determination method based on functional surface drive and extension tools[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(5): 531-544.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.062    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I5/531

图1  基于功能表面的产品功能传递链
图2  功能表面与功能模型之间的联系
图3  基于功能表面的功能过程模型
图4  基于功能表面的功能关系模型
图5  人机工程问题冲突区域确定与不良作用求解过程
图6  电动割草机
图7  电动割草机总功能
图8  电动割草机功能树
图9  基于功能表面的电动割草机功能过程模型
图10  电动割草机问题功能元相关分析网
备选问题功能元选项问题产生可能性可控性及舒适度
1.割草/树枝刀头不好用，通过更换刀头即可解决，出现问题可能性低控制容易
2.移动手柄、割草/树枝人承受整机的重量，同时控制高度和角度，导致切割出现问题的可能性高不易控制，舒适度低
3.调节转矩调节转矩按钮出现故障，更换调节按钮可解决，出现问题可能性低控制容易
4.调节挡位、调节转矩人控制不好调节转矩的按钮，可锁定调整好的速度，出现问题可能性低控制容易，舒适度一般
5.调节挡位、调节转矩和移动手柄、割草/树枝人同时控制转矩按钮和手柄，并且需要调整高度和角度，不良的人机交互顺序引起切割草/树枝出现问题的可能性高不易控制，舒适度低
6.调整刀头角度按压机头旋转按钮出现故障，可通过更换按钮解决，出现问题可能性低控制容易
7.按压机头旋转按钮、调整刀头角度人需要在按住旋转按钮的同时调节刀头角度，但切割过程中调节次数少，出现问题可能性低控制容易，舒适度一般
表1  电动割草机的备选问题功能元
图11  基于功能表面的电动割草机功能关系模型
图12  电动割草机初始冲突区域的因果蕴含分析图
关键问题切割效率舒适度可控性性能提升度
B46446
B55475
B67685
B98978
表2  电动割草机关键问题衡量指标的量值
图13  操作者与电动割草机手柄之间的物质-场模型
设计方案切割效率舒适度可控性性能提升度
Z18679
Z26657
Z35486
Z47568
表3  电动割草机各设计方案衡量指标的量值
图14  改进后的电动割草机
图15  改进前后电动割草机的舒适度对比
图16  改进前后电动割草机的作业姿势对比
1 FELIPE M， GABRIEL E， DAVID T. Ergonomics as a tool to improve the sustainability of the workforce［J］. Work， 2017， 57（3）： 339-350.
2 杨玲，李洋， MARCEL B.面向用户体验的交互式产品设计方法及其应用［J］.制造业自动化，2018，40（8）：35-38. doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2018.08.010
YANG L， LI Y， MARCEL B. User experience-orientated interactive product design method and its application［J］. Manufacturing Automation， 2018， 40（8）： 35-38.
doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2018.08.010
3 易军，汪默.基于实体交互的智能产品设计方法［J］.包装工程，2018，39（2）：107-112.
YI J， WANG M. Smart product design approach based on tangible interaction［J］. Packaging Engineering， 2018， 39（2）： 107-112.
4 JEONG G， SELF J. Mode-of-use innovation in interactive product development［J］. Archives of Design Research， 2017， 30（1）： 41-59.
5 DARANI S Z， KAEDI M. Improving the interactive genetic algorithm for customer-centric product design by automatically scoring the unfavorable designs［J］. Human-centric Computing & Information Sciences， 2017， 7： 38.
6 DING Y， GUO F， ZHANG X F， et al. Using event related potentials to identify a user’s behavioural intention aroused by product form design［J］. Applied Ergonomics， 2016， 55： 117-123.
7 HOVANEC M. Digital factory as a prerequisite for successful application in the area of ergonomics and human factor［J］. Theoretical Issues in Ergonomics Science， 2016， 18（1）： 35-45.
8 白仲航，宋现显，李美，等.基于虚拟仿真与TRIZ的产品人机工程问题解决方法研究［J］.工程设计学报，2020，27（5）：541-551. doi：10.3785/j.issn.1006-754X.2020.00.079
BAI Z H， SONG X X， LI M， et al. Research on solving method of product ergonomics problem based on virtual simulation and TRIZ［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2020， 27（5）： 541-551.
doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2020.00.079
9 张换高，付剑剑，高胜生，等.基于功能关系模型和过程模型的冲突区域确定方法研究［J］.机电工程，2019，36（11）：1140-1146. doi：10.3969/j.issn.1001-4551.2019.11.004
ZHANG H G， FU J J， GAO S S， et al. Conflict zone determination based on functional relation model and process model［J］. Journal of Mechanical & Electrical Engineering， 2019， 36（11）： 1140-1146.
doi: 10.3969/j.issn.1001-4551.2019.11.004
10 周有城.基于扩展功能模型的智能产品概念结构设计［D］.天津：河北工业大学，2020：30-42.
ZHOU Y C. Concept structure design of intelligent product based on the extended function model［D］. Tianjin： Hebei University of Technology， 2020： 30-42.
11 崔伟伟，张爱国，翟进进，等.根原因与故障树相结合的冲突解决方法与应用［J］.机械设计，2020，37（10）：27-34.
CUI W W， ZHANG A G， ZHAI J J， et al. Method of conflict resolution and its application based on the combination of root cause and fault tree［J］. Journal of Machine Design， 2020， 37（10）： 27-34.
12 牛晓伟.困难功能元的发现与求解方法研究及其在勒紧打结器设计中的应用［D］.天津：河北工业大学，2018：15-58.
NIU X W. Identification and solving method of difficult function elements and its application for tightening knotter design ［D］. Tianjin： Hebei University of Technology， 2018： 15-58.
13 付敏，李萌，李荣峰，等.机械产品流功能模型构建与流进化路径研究［J］.计算机集成制造系统，2023，29（4）：1194-1204.
FU M， LI M， LI R F， et al. Construction of mechanical product flow function model and flow evolution path［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems， 2023， 29（4）： 1194-1204.
14 谭若诗，张建辉，杨欣霖，等.基于裁剪的流程问题解决［J］.机械设计与研究，2017，33（3）：110-115，125.
TAN R S， ZHANG J H， YANG X L， et al. Trimming-based process problem solving［J］. Machine Design & Research， 2017， 33（3）： 110-115， 125.
15 杨金勇.面向生长型设计的制造信息模型［J］.中国机械工程，2014，25（8）：1065-1070. doi：10.3969/j.issn.1004-132X.2014.08.014
YANG J Y. Manufacturing information model for growth design［J］. China Mechanical Engineering， 2014， 25（8）： 1065-1070.
doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2014.08.014
16 杨金勇.概念设计过程中产品功能的广义定位表达［J］.机械设计，2014，31（6）：6-12.
YANG J Y. Generalized positioning expression of product function in conceptual design process［J］. Journal of Machine Design， 2014， 31（6）： 6-12.
17 杨波，高常青，王兴祖，等.基于单元模型的产品结构概念设计［J］.计算机集成制造系统，2014，20（3）：471-485.
YANG B， GAO C Q， WANG X Z， et al. Cell based product structure conceptual design［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems， 2014， 20（3）： 471-485.
18 杨得玉，徐志刚，沈卫东，等.基于功构映射的拆卸设备设计方法［J］.中国机械工程，2019，30（11）：1276-1286. doi：10.3969/j.issn.1004-132X.2019.11.003
YANG D Y， XU Z G， SHEN W D， et al. Dismantling equipment design method based on function to structure mapping［J］. China Mechanical Engineering， 2019， 30（11）： 1276-1286.
doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2019.11.003
19 杨春燕，蔡文.可拓学［M］.北京：科学出版社，2014：10-136.
YANG C Y， CAI W. Extenics［M］. Beijing： Science Press， 2014： 10-136.
20 刘晓敏，李娇蓉，陈亮，等.融合可拓学与多层次知识建模的仿生原型获取［J］.机械工程学报，2019，55（21）：150-160.
LIU X M， LI J R， CHEN L， et al. Bionic prototype acquisition incorporating extension and multi-level knowledge modeling［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2019， 55（21）： 150-160.
21 李仔浩，杨春燕.基于逆向设计的产品可拓创意生成方法［J］.机械设计，2019，36（12）：127-133.
LI Z H， YANG C Y. Product extension creative generation method based on reverse design［J］. Journal of Machine Design， 2019， 36（12）： 127-133.
22 白仲航，王雯，周云漠，等.集成可拓学工具的裁剪创新方法研究［J/OL］.计算机集成制造系统：1-16（2022-05-17）［2023-02-08］..
BAI Z H， WANG W， ZHOU Y M， et al. Trimming innovation method integrated with extenics tools［J/OL］. Computer Integrated Manufacturing Systems： 1-16（2022-05-17）［2023-02-08］. .
23 高常青，杨波，吕杰，等.基于组件单元模型的冲突消除方法［J］.机械设计，2014，31（7）：1-9，50.
GAO C Q， YANG B， LÜ J， et al. Methodology of conflict solving based on component unit［J］. Journal of Machine Design， 2014， 31（7）： 1-9， 50.
24 杨金勇，黄克正，霍志璞.基于功能表面的生长型设计理论［J］.机械工程学报，2008，44（4）：29-35. doi：10.3321/j.issn:0577-6686.2008.04.005
YANG J Y， HUANG K Z， HUO Z P. Function surface-based growth design theory［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2008， 44（4）： 29-35.
doi: 10.3321/j.issn:0577-6686.2008.04.005
25 吕冰，陈梦佳，李泽群，等.基于功能流模型的青贮机械模块化设计［J］.机械设计，2018，35（8）：116-120.
LÜ B， CHEN M J， LI Z Q， et al. Modular design of silage machinery based on functional flow model［J］. Journal of Machine Design， 2018， 35（8）： 116-120.
26 WU C L， ZHOU Y C， PESSÔA M V P， et al. Conceptual digital twin modeling based on an integrated five-dimensional framework and TRIZ function model［J］. Journal of Manufacturing Systems， 2021， 58（Part B）： 79-93.
27 于菲，刘芳，檀润华，等.TRIZ辅助多层次裁剪方法集构建［J］.机械工程学报，2015，51（21）：156-164. doi：10.3901/jme.2015.21.156
YU F， LIU F， TAN R H， et al. Construction of multi-level trimming method set based on TRIZ［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2015， 51（21）： 156-164.
doi: 10.3901/jme.2015.21.156
[1] 杨世香, 李文强. 焚烧灰处理装备密封结构的创新设计[J]. 工程设计学报, 2021, 28(6): 679-686.
[2] 张璞, 王峻峰, 高一聪, 张雪健. 集成AD和TRIZ的箱式电梯防疫功能创新设计[J]. 工程设计学报, 2021, 28(3): 305-311.
[3] 白仲航, 宋现显, 李美, 张鹏. 基于虚拟仿真与TRIZ的产品人机工程问题解决方法研究[J]. 工程设计学报, 2020, 27(5): 541-551.
[4] 余波, 赵武, 陈领, 高明忠, 何志强, 万浩. 深部岩层原位保真取心主动保温系统创新设计[J]. 工程设计学报, 2020, 27(4): 407-415.
[5] 鲁玉军, 沈佳锋, 王春青. 基于TRIZ的专利群规避方法研究与应用[J]. 工程设计学报, 2020, 27(1): 27-35.
[6] 周结华, 代冀阳, 周继强, 张孝勇. 面向大型机场草坪的割草机器人路径规划及轨迹跟踪控制研究[J]. 工程设计学报, 2019, 26(2): 146-152.
[7] 王永奉, 范顺成, 刘更谦, 张小俊, 路光达. 一类具有弧形移动副的3-RPS并联机构研究[J]. 工程设计学报, 2017, 24(6): 717-724.
[8] 金颖磊, 潘伟杰, 吕健, 刘征宏. 基于可拓语义分析的文化创意产品设计方法研究[J]. 工程设计学报, 2017, 24(1): 27-33.
[9] 饶宾期, 万延见, 梁喜凤, 卢锡龙, 赵子恺. 基于ARIZ的污泥深度脱水装置创新设计[J]. 工程设计学报, 2017, 24(1): 34-39.
[10] 石卫刚, 杨伯军, 于菲, 李祚国, 张二甲. 基于技术进化趋势的裁剪方法研究[J]. 工程设计学报, 2016, 23(4): 301-308.
[11] 李帅军, 贺华波, 邓益民. 基于功能主题链和功能本体的创新组合设计初探[J]. 工程设计学报, 2016, 23(2): 124-129,135.
[12] 李祥松. TRIZ理论在掘进机截割头设计中的应用[J]. 工程设计学报, 2015, 22(3): 219-223.
[13] 贾 媛，刘晓敏，陈钰婷. 基于TRIZ和仿生技术的产品创新集成模型及其应用[J]. 工程设计学报, 2014, 21(6): 522-528.
[14] 龚健文, 李彦, 李文强. 支持产品创新的专利知识库系统构建及应用[J]. 工程设计学报, 2013, 20(4): 265-270.
[15] 许波, 檀润华, 孟照建, 刘丽峰. 基于冲突解决理论的失效分析方法（AFD-1）模板研究[J]. 工程设计学报, 2013, 20(2): 85-88.