面向人機協同的機械產品創新設計研究

甘媛媛

（河源技師學院機電制造系，廣東 河源 517002）

人工智能從1956年開始以后幾起幾落，出現了幾次浪潮，2006年至今已經是人工智能第3次浪潮了。多個國家已將人工智能提升為國家戰略，出臺了相關政策和規劃，力爭搶占科技的制高點。目前我國已經步入了工業信息化的時代，人機協同成為了第3次人工智能浪潮中的一個重要方面，隨著全球制造業逐步向物聯制造的轉型，如何實現產面向人機協同的機械產品創新設計值得我們進行深入的研究。

1 面向人機協同的機械產品創新設計可拓模型

（1）機械產品創新設計機理。機械產品創新設計的實現核心在于機械產品創新概念的產生，這決定了產品的預設的功能、形態，也影響著實際地產品開發、設計、生產以及營銷，可以說產品創新概念決定著一件產品設計的創新的50%。從認知上來講，人類創新概念的產生主要通過“知覺+行動”——將非概念的材料轉換為命題概念，以及“推理”——從已有概念出發形成新的概念，兩條路徑產生。因此通過結合工程領域的概念設計過程，從概念產生的兩大認知路徑，運用認知心理學的相關知識，構造機械產品創新設計的機理。該機理揭示了機械產品創新設計過程中創新概念產生的本質，為確定影響設計結果、調動設計資源以及進行設計行為提供了依據。機械產品創新設計機理如圖1所示。

整個設計機理從設計任務入手，對其進行分析后提煉出具體要解決的設計問題，然后再對設計問題進行分析。在厘清問題后形成評價標準以及綜合運用創新設計策略，對問題從“知覺+行動”以及“推理”兩條認知路徑進行研究，然后生成創新概念。在創新概念的的指導下形成創新的設計方案，在結合原問題的評價標準對于設計方案進行評價，最后實施設計方案。

（2）面向人機協同的機械產品創新設計的可拓模型。基于機械產品創新設計機理提出了在人機協同智能背景下，利用互聯網信息技術、人工智能技術以及大數據運算技術，面向人機協同的機械產品創新設計的可拓模型，如圖2。

圖2

在此機理中，人機系統信息加工系統作為產品創新設計過程中的心理與運算過程。根據信息加工理論，元認知監控系統統領了整個創新活動，并負責主要的分析活動，在“知覺+行動”以及“推理”兩條路徑中產生信息，形成感覺的刺激，再分析從刺激進行注意和辨別，形成對刺激意義的理解，然后形成短時記憶，再對短時記憶進行存儲并進行加工處理，形成長時記憶并在需要的時候進行長時記憶的調取。該系統確定人機智能協同應遵循的原則，為影響創新設計的可控因素尋找利用機器智能實現的方法，幫助設計者利用計算機技術實現面向人機系統的機械產品創新設計。

2 面向人機協同的機械產品創新設計策略

（1）基于用戶體驗進行產品創新。在人機協同的背景下，用戶體驗感受將成為檢驗一個產品設計是否合理的最有效的方法。根據市場調研的情況證明，在用戶體驗上做到合理的人文關懷甚至完美的產品，相較于只看種紛繁蕪雜的功能性產品，更受用戶的喜愛。諾曼在《情感化設計》中提出了設計的三個層次：本能層次、行為層次、反思層次。本能層次是人機協同的前提，發生在用戶與機器交互之前，在這一階段用戶通過視覺和其他感官直接的對產品進行感知。本能層次使用戶對產品產生直觀的判斷，快速地決定產品是優質或是劣質；行為層次發生在本能層次與反思層次之間，用戶在對產品進行初步的判斷后進行簡單的管理，人機協同的機械產品創新設計主要就是要解決這種層次的認知活動。這一階段可以人為有意識地處理對產品的認知；反思層次是在經過了本能層次與行為層次后最上層的層次，是用戶自主地有意識地對已有的經驗進行總結與反思的過程，必須要通過對記憶進行抽取編碼重組才能完成。

（2）創新產品需要遵循普適化與自然性、智能化與可移動化原則。在人機協同制造系統中，計算機在后臺運行，而用戶在前臺操作，要滿足用戶在本能層次、行為層次以及反思層次的產品體驗，需要建立一個符合使用者心理與行為習慣的自然智能的交互界面，以此滿足使用者獲取資源和進行操作的需要。在這種情況下的人機交互方式，不再是鼠標和鍵盤簡單的操作模式，而需要對人機協同產品進行優化，形成一種更智能的操作方法，更具普適化與自然性的交互界面。機械產品創新設計的用戶范圍十分廣泛，其使用者從經營管理的決策者到實際生產的一線操作員工，而其涉獵的行業范圍也十分廣泛，從產品生產的制造業到生活服務業。要滿足這些專業背景不同和受教育程度差異巨大的用戶的需求，就要求使用的交互界面更具有普遍適應性；更加智能化和可移動化。面向人機協同的機械產品創新設計是建立在物聯網基礎上的、基于知識的智能化系統。在這個系統中，要實現深度的人機協同，就要滿足終端的用戶無論在何時何地都可以通過互聯網、物聯網技術與計算機進行交互，保障用戶能夠隨時隨地地通過各種自然、智能的機械產品來實現協同工作。

（3）運用可拓模型進行創新產品概念設計。機械產品創新的核心在于創新概念的產生，可拓模型很好地融合機械產品創新設計機理，面向用戶需求進行創新概念的開發。可拓模型實際是解決當前現有產品與用戶需求之間的矛盾。在人機協同背景下人與機器產品互動不協調之間的矛盾，此時的不協調問題表示為P=G·L（M），其中G表示用戶的需要，L（M）表示現有機器的產品集。機械產品的創新設計是解決這個矛盾問題最有效直接的做法，一旦產生新的產品，能更好地實現人機協同、滿足用戶，可以迅速地占領市場。這個過程表述為以用戶的需要作為出發點，對其進行分析、拓展和變換，產生新產品創意。最后通過對生成的創意進行評價，得出最優的新產品創意。

3 結語

機械產品的創新設計都是以產品的創新概念設計為起點，而隨著人工智能的高速發展，人機協同這一技術是產品概念設計中必須考慮的重要因素。要實現深入的人機協同，需要創造出將人與計算機全面耦合的系統。根據這一原則，基于機械產品創新設計機理，提出了在人機協同智能背景下，利用互聯網信息技術、人工智能技術以及大數據運算技術，面向人機協同的機械產品創新設計的可拓模型。而實現面向人機協同的創新產品設計就要更多地考慮用戶體驗、遵循普適化與自然性、智能化與可移動化原則，并充分地運用可拓模型。