基于現代工業設計理念的農機裝備創新設計方法分析及應用

程超然　張玉成　王云飛

摘要：隨著國家鄉村振興戰略實施和制造業的快速發展，市場和用戶都對農機裝備設計提出更高的要求。通過引入現代工業設計理念的創新方法，對滿足特色農機裝備市場需求和農機裝備的創新設計有著重要作用。文章從概念、仿生、綠色和人機四個不同視角來分析和研究農機裝備的創新設計方法，并以超級拖拉機Ⅰ號為例論證了現代工業設計理念在農機裝備創新設計中的應用。

關鍵詞：工業設計;農機裝備;創新設計;超級拖拉機Ⅰ號

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）08-0064-02

近年來，我國農業機械裝備的研制和產業發展取得了長足進步，我國農機裝備的生產規模躍居世界首位，但農機產業存在“低端產品過剩、高端產品不足、產品同質化嚴重、具備國際競爭力和品牌影響力的大型企業集團嚴重缺乏”等問題，其主要的原因之一是農機裝備企業缺乏創新性的設計體系，設計觀念和思路依然停留在傳統農機裝備的研制上，嚴重制約了我國農機裝備創新的發展。基于目前我國農機裝備發展的現狀，引入現代工業設計理念的創新方法對農機裝備的創新設計進行分析和研究則顯得尤為重要，運用工業設計的理念和方法能夠提供有效的手段，增強產品的衍生功能并提升產品的品質，可使農機裝備更好地獲得用戶和市場的認可。

1工業設計及其現代發展

工業設計作為一門新興的綜合型和交叉學科，涵蓋了心理學、社會學、美學、人機工程學、機械構造、攝影、色彩學等不同方面的知識，而現代工業設計是將美學和科學技術這兩個方面理論進行了深度融合，在產品設計上既能滿足用戶的審美需求又能在技術上實現功能性的需要，通過美學和科學技術的結合為實現產品的創新設計提供了更多的可能性。

工業設計具有很強的時代性，現代工業設計主要通過結構、工藝優化、材料、形態和色彩的有機結合對產品進行創新和品質提升，隨著計算機技術和信息技術的發展，現代工業設計又涵蓋了人機交互設計、信息產品設計、用戶體驗與產品創新設計等，更大程度上增加工業設計對產品創新設計的可能性。我國多數傳統農機裝備企業對現代工業設計理念的認知僅停留在外觀造型設計上，簡單的認為工業設計等于外觀設計，而目前我國現代工業設計已發展到了全產業鏈設計創新服務這一層面，從產品的策劃、設計、生產加工再到市場每個環節都能看到現代工業設計的身影，充分將設計融合到人——產品——環境的系統中以實現產品系統的整體設計創新。

2基于現代工業設計理念的農機裝備創新設計方法分析

企業對農機裝備的創新大多從機械設計原理、結構、造型進行創新設計，創新角度單一或者片面，不能從產品整體系統的進行創新設計。

2.1概念創新設計方法分析

概念設計是從分析用戶需求到生成概念產品的一系列有序的、可組織的、有目標的設計活動，它表現為一個由粗到精、模糊到清晰、抽象到具體的不斷演化的過程。概念創新設計處于產品研發流程中的初始位置，也是產品開發過程中最為關鍵和核心的環節，概念的創新性通常是基于解決產品的設計痛點或市場的銷售痛點進行構思，設計師通過頭腦風暴、跨界集成融合、功能形式的借用和反推需求本質等方法進行概念創新設計，如凱斯推出的全球第一臺大馬力、無駕駛室的無人駕駛概念拖拉機，重新構想未來時代的無人駕駛拖拉機，通過功能形式借用和跨界元素融合的方式巧妙地增加產品的創新性，以獲得產品設計的創新和開拓產品在市場上新的賣點。概念創新與否在很大程度上決定了最終產品的賣點、性能、價格及市場反響等等，在整個產品開發流程中，概念設計階段實際投入的費用通常只占產品開發總成本的5%，但它卻可以決定產品總成本的70%。概念創新性可決定一個產品開發的成功與否，所以將概念創新設計方法合理的運用在農機裝備設計中是非常實用的。

2.2仿生創新設計方法分析

仿生是現代工業設計理論中一個重要創新設計方法，它是把自然界中萬事萬物的“形”“色”“音”“功能”“結構”等作為研究對象，通過對特征原理的模擬、分析、提煉等手段有選擇地應用在創新設計過程中，也可解釋成有深度思考的“跨界”和“借用”，同時結合已成熟的研究成果，以達到產品創新設計的目的，為產品創新設計提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途徑。仿生創新形式大概分為形態仿生、功能仿生、結構仿生、機理仿生、界面仿生五類，應用仿生學設計的產品涵蓋了小到家用生活用品大到飛機和郵輪等，如華南農業大學邵耀堅教授利用仿生學原理設計的水稻工廠化育秧拔苗機械手，可解決拔秧、拋植的有序栽植難題。仿生設計可使農機裝備在設計和開發中從自然界里獲取靈感，往往達到意想不到的創新效果。

2.3綠色創新設計方法分析

綠色設計也常被稱為生態設計、可持續設計或者生命周期設計等，常用的設計方法有模塊化設計、循環設計、極簡設計等，其主要核心是通過創新設計手段來尋找和采用盡可能合理和優化的結構和方案，使得資源消耗和環境負影響降到最低。綠色設計的原則為“3R”，即Reduce、Reuse、Recycle，減少環境污染、減小能源消耗，產品和零部件的回收再生循環或者重新利用。在農機裝備的創新設計中，通過高技術手段轉化、材料選擇、零部件的可拆卸性、可回收性、結構裝備、產品的生產制造成本實現創新設計。綠色創新設計可在很大程度上提高農機裝備的創新水平，是一種實現產品創新的重要方法。

2.4人機創新設計方法分析

人機是通過優化人——機器——環境三者之間的相互關系和合理匹配以達到產品操作安全、可靠、高效、舒適的要求，它涵蓋了人機界面、作業器具、作業空間、作業環境及人機系統等多個方面的創新設計。通過系統地人機工程創新設計，可實現產品由粗獷到精致的品質提升和建立良好的用戶體驗，提高產品的人性化設計，縮短用戶和產品的情感距離，生活中多數的產品都直接或間接的進行了人機工程設計，如航空航天產品的駕駛室、汽車內飾、高鐵座椅等相關設備都進行了人機工程的創新設計，滿足了人類的人性化需求。在農機裝備領域人機設計中，常涉及的有駕駛室作業空間及視野、座椅、顯示設備（儀表）、操作裝置等與人與直接關系的設計方向，隨著計算機信息技術和智能化的發展，又涵蓋了人機交互設計和用戶體驗設計等，進一步提高了市場對農機裝備創新設計的要求。

3基于現代工業設計理念的農機裝備創新設計方法應用

國家農機裝備創新中心以市場為導向，努力通過提高農機裝備的創新設計將農民雙手從農田里解放出來，從現代工業設計理念的概念、仿生、綠色和人機四個不同角度重新定義新型農機裝備創新設計的方向，自主研發的國內首臺無人機駕駛新能源拖拉機-超級拖拉機Ⅰ號，如圖1，集成了無人駕駛系統、動力電池系統、智能控制系統、中置電機及驅動系統、智能網聯系統等核心系統進行創新設計，進而實現整車自主作業、自動避障、路徑規劃、故障診斷及處理、機具控制、能量管理等功能，并實現恒耕深、恒牽引力等智能識別與控制功能，超級拖拉機Ⅰ號首次在武漢國際農機展上一經亮相便引起行業內外和央視在內多家媒體的強烈關注，并取得良好的創新示范效果。

在概念創新設計方面，超級拖拉機開發流程的概念階段，就對超級拖拉機的功能實現形式和工作場景的創新定義，不再針對傳統拖拉機的工作形式進行簡單復制，而是針對能夠實現無人駕駛作業和信息數據管理的農場，集成現代信息技術和顛覆傳統的農機作業模式，為未來農機裝備創新提供了新的思路。

在仿生創新設計方面，超級拖拉機Ⅰ號整車形態充分采用仿生元素進行創新設計，打破傳統拖拉機的造型形態和工作場景，采用流線型仿生設計理念，搭配科技動感的鯊式呼吸燈設計元素，使得外觀造型霸氣的拖拉機顯示出科技感和時代感，在整體造型上一改往日傳統拖拉機給人粗獷和笨重的形象，仿生設計的整車形態易于讓用戶接近和體驗不同的創新設計。

在綠色創新設計方面，超級拖拉機I號整機采用綠色新能源動力電池系統設計，通過電驅動底盤設計實現整車的電池動力驅動、換擋、轉向及提升，擯棄傳統柴油動力系統，從而可減少能源的消耗和環境污染，實現節能減排的目標，符合現代農機裝備的發展趨勢。

在人機創新設計方面，超級拖拉機Ⅰ號的設計采用人機交互設計和人機工程設計，車身上的激光雷達、毫米波雷達、工業相機、GNSS天線傳輸數據至控制基站，由基站數據處理之后傳輸至用戶終端，用戶可通過終端查看機器的工作情況。車身的急停按鈕、鑰匙開關、充電端口及車門按鍵通過人機工程設計，可實現用戶更為安全、方便、高效的操作，終端設備的人機界面通過圖形界面設計和人機交互設計，能夠讓用戶更為有效的方式實現人與機器的對話，實現人機交互效率最大化。

4結語

市場激烈的競爭和用戶的渴望需求，促使企業需要加強對農機裝備的創新設計，把現代工業設計理念中的創新設計方法融入到農機裝備的研發流程中，可有利于企業開拓眼界和提高創新意識，進一步增強我國農機裝備的創新設計。