遙控車概念設計形態學圖表法應用研究

羅天慧 姜可

摘要：探索工業設計如何參與復雜結構玩具的設計過程，幫助達成更優設計結果。以某玩具遙控車的底盤設計為例，對形態學圖表法進行實踐，結合底盤的設計特點，補充方法的步驟。調整和完善了形態學圖表法的步驟，幫助梳理復雜結構玩具的設計過程。能夠簡化設計問題，產生更多差異性備選方案。得出了美觀、具有創新性的設計方案。形態學圖表法調整后，可以適用于遙控車底盤的概念設計過程，指導部件選取、構架設計等步驟，得到具有創新性的設計結果。

關鍵詞：工業設計 玩具車構架設計 形態學圖表法 概念設計

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）05-0024-04

引言

玩具車輛設計通常是按照真車的外形進行仿制，設計要求主要集中在車體外觀。而底盤包裹在外殼下，對該部分的設計需求較少。但在部分設計案例中，玩具車需要通過對玩具車的底盤進行創新設計，拓展玩法、增強趣味性，就產生了對底盤部分的設計需求。而底盤部分設計僅考慮外觀因素難以達到設計目標，因此工業設計需要使用合理的工程設計知識與方法作為指導，在保障設計合理性的同時達到美觀的效果。

一、概念設計

概念設計是在確定目標任務之后，尋求解決方案的過程。概念設計具有發散特征和創新性，是一個求解可能存在的各種方案并最終確定綜合最優方案的過程。通常是通過抽象化，擬定功能結構，尋求適當的作用原理及其組合等，得出求解方案[2]。

弗倫奇（French，1999）曾提出一種設計模型，梳理了工程設計的基礎流程，如圖1所示。其中矩形表示設計行為或設計階段，圓形表示設計輸出。

在該模型中，概念設計是基于問題的描述，給出多種解決方案的階段。本文中玩具遙控車底盤的概念設計指：確定產品功能特性等指標后，部件的選取、底盤構架的設計及外觀優化過程。

概念設計階段決定了整體方案的創新及美觀程度，概念設計方案是評估及優化的前提，對后續設計起著重要作用。且在概念設計階段產生的設計缺陷，細節設計階段較難彌補，可能導致概念設計過程反復，影響產品開發周期。本玩具車設計案例中，希望進行玩法創新。就產生了通過對底盤結構的創新設計需求。所以為了達到較為滿意的設計結果，避免設計步驟重復，需要使用合理方法，增加備選方案的數量。在概念設計階段提多個出具有創新性、差異性的方案進行比較和優選[3]。

二、形態學圖表法

形態學圖表法又稱“形態綜合法”、“形態矩陣法”或“棋盤格法”，是形態分析法的一支，在20世紀40年代由美國加州理工學院FritzZwicky提出，被廣泛地應用在設計工程、制造工程、工業工程、人機工程及建筑設計等各領域，后得到多位學者的修改及補充[4]

形態分析法的目標在于搜集問題所有理論上可能解，以參數分解和問題構建為基礎，是一種引導構造性發明的非定量建模方法，適用于概念設計階段。通過系統化分析將所有能構成解決方案的元素、組件或次級解決方案以圖表的形式羅列出來，搜集產品或設備形態上的所有理論可能解，實現從文字描述到具體形態的轉化。然后通過排除不合理方案完成從具體形態到合理形態的轉化。這使設計過程更加直觀、有條理，可以在較短時間內產生較多備選方案，并促進產生更多具有創新性的組合方式。根據Nigel Cross的表述，形態學圖表法的使用包括四個步驟[5]，如圖2所示。

（1）列出產品關鍵特征或功能。即先經過分析，將產品分解為多個相互獨立的處于同一等級的功能（2）針對產品的每個特征或功能列出可能的實現方法或結構解。（3）繪制圖表，呈現所有可能的次級方案。對各功能的實現方式進行排列組合生成大量備選方案。（4）確定可行的次級解決方案，去除不具可行性或存在沖突的方案。

三、設計背景與調研

（一）設計背景

目前市面上的遙控玩具車主要有兩大類，第一類是車模類玩具，通常是廠家根據轎車、跑車、越野、SUV等按比例縮小后生產制造。有較大市場占比，但缺乏新意。第二類是自主研發的玩具遙控車。為了不同的使用體驗，在玩法和外觀上進行創新設計，是玩具遙控車設計創新的新方向問。

該遙控玩具車定位為：可適應不同玩法、場景的創新型遙控玩具車。由于對遙控車玩法和使用場景影響最大的是底盤部分，想要增強趣味性和可玩性，只對外觀進行變動不足以完成目標，因此需要考慮不同的玩法、場景下的特點，針對底盤部分進行重點設計改進。

（二）遙控車調研

通過對玩具遙控車的調研發現，現有玩法主要有兩種。第一種是競速玩法，第二種為越野玩法。

在競速玩法中，場地多為平坦賽道（如圖3所示），有一定的急轉區域，對遙控車的性能需求為：提速快、良好的平穩性。通常該場景下的遙控車底盤通常較低，以降低重心，減小風阻，保障快速行駛時的平穩性，防止急轉時飛出賽道。

在越野玩法中，場地多為不平坦或顛簸的路面（如圖4所示），有一定坡度、尺寸不同的障礙或臺階。對遙控車的需求為：較好的爬坡能力、良好的通過性和較好的緩沖減震性能。通常該場景下的遙控車設計特點為：1.輪胎偏大，摩擦力強。2.驅動電機有較強的驅動力。3.底盤較高，可以較好通過一些凹凸路面，防止托底、損傷底盤部件。4.懸架有較強緩沖減震性能，在通過較大障礙物或顛簸路面時保持平穩的姿態。

（三）設計需求梳理

由上可知，兩種玩法對應的路面場景不同，設計也有較大區別。主要矛盾點在于底盤的通過性和重心高度。障礙物較多或不平路面上，需要較高的底盤提供較好通過性。而在平坦彎道上需要更低的底盤降低重心和風阻，達到更好的穩定性。依照定位，該遙控車可以適應競速和越野兩種玩法。因此考慮為玩具遙控車設計可調姿的底盤，通過底盤姿態調整實現不同場景匹配。

同時為了進一步豐富遙控車的玩法，提升趣味性和可玩性。考慮對底盤進行模塊化設計，即把每個輪胎及其相連結構設置為一個獨立模塊，底盤由四個相同模塊組成。玩家可自由組合不同車身和底盤模塊，探索多種玩法，滿足個性化需求，同時方便維修。

四、遙控車底盤設計形態學圖表法的應用

由于底盤部分涉及的部件較多，結構方案對外觀影響較大，設計過程要同時考慮合理性和外觀兩個方面。如果在概念設計階段使用形態學圖表法，產生多種結構方案，配合草圖展現方案外觀進行篩選，可以更快產生多種創新性方案，提高設計效率。本次底盤概念設計過程主要劃分為部件選取、構架設計、方案細化三大部分。

（一）部件選取

首先依據產品定位尋找滿足需求的部件方案。按照形態學圖表法，需要先找出可以實現各功能的結構方案，再對各結構方案進行組合。

1.列出產品關鍵特征或功能，針對每個特征或功能列出可能的實現方法。根據設計背景分析可得，遙控車的車架需要具備的特征有：姿態調整功能、較好的平穩性、較強的動力、靈活的轉向。將功能特征對應到結構部件上，該車架分為五個部分：驅動結構、轉向結構、調姿結構、懸掛結構和車架。

搜索在類似或相關產品中可以滿足這些功能的組件機構，作為可能的功能實現方案。驅動方式可選四輪驅動或兩輪驅動，轉向可選擇前輪轉向或四輪轉向。為滿足平穩性和姿態調整功能，可選擇獨立懸架，并在懸架上添加調姿機構。因此懸掛需拆解成幾個部分進行方案選擇。車架可以選擇非承載式車身情況下的車架形式或承載式車身情況下的副車架形式。

2.將上一步分析得出的功能實現方案繪制成圖表，并根據設計目標進行篩選（見表1，涂色部分表示所選結構解），為了提升可靠性，縮短研發周期，無特殊需求的部分應盡量采用成品件，現有方案無法完全達到要求的部分進行特殊設計。

在越野場景中，有可能出現部分輪胎卡住或懸空的情況，相較于兩輪驅動，四輪驅動更能在復雜地形中自由穿行，因此選擇四輪驅動、四輪轉向。這兩部分的現有方案已經較為成熟，不需要特殊設計。為了在越野和競速兩種模式中相互切換，需要實現底盤姿態的調整，因此考慮在懸架基礎上添加調姿機構，故懸架部分需要進行特殊設計。車架部分作為支撐部分，其具體形式需要根據其他部件的構架方式進行調整，故該部分設計在最后進行。

對表中的解決方案進行組合，可以產生兩種設計方向。

方向一：四輪驅動、四輪轉向、橫臂式獨立懸掛+調姿、邊梁式車架。方向二：四輪驅動、四輪轉向、橫臂式獨立懸掛+調姿、承載式車+副車架。

（二）構架設計

構架設計階段的重點是尋找合適的空間布局，在實現功能需求的基礎上達到美觀效果。形態學圖表法對該部分的描述較為粗略，需要通過設計實踐進一步細化。由于部件的排布直接影響車架整體外觀，本次設計先對外觀風格進行定位，再進行具體構架設計。

1.確定外觀設計風格。為達到姿態調整目的，底盤部分機械結構暴露在外，因此整體外觀設計考慮高技術設計風格。從設計角度出發，當較多復雜結構需要外露時，可以采用整齊有序的排布，隱藏部分部件，可以減少外觀細節變化，增強造型整體性，降低外觀對視覺的壓力，提升整體美觀度[8][9]。因此采用緊湊的排布方式，減小支撐件體積，美化視覺效果。

2.進行構架設計。由于底盤各局部結構之間的關系較為復雜，這一階段很難建立詳細的結構模型，為了簡化問題，快速厘清設計思路。可先提取底盤中的主要結構[10][11]，確定各部件、型材的相對位置。得到初步排布方案后再結合細節進行優化，步驟如下。

（1）將各結構中對空間排布影響最大的核心部件提取出來，抽象為簡單幾何體，進行空間排布嘗試。本案例中共六個核心部件：傳動系統的電機、轉向系統的電機、彈簧、調姿模塊、減震器、懸架的導向機構。其中調姿模塊、彈簧和導向機構位置強相關，三者可選其一先進行定位。本次設計先選取傳動電機、轉向電機及調姿模塊三部分進行排布。

本次設計采取了較緊湊的排布方式，可以減少支撐件體積，增強整體性;利用部件之間的前后位置關系形成遮擋，避免所有部件直接暴露在外，造成視覺雜亂;各部件排布方向盡量相同，增強視覺的統一性;排布示意見圖5-7。

（2）在核心部件排布方案的基礎上，添加傳動桿及連接部分。通過傳動電機的位置可得出車輪大致位置，然后在車輪與電機之間添加傳動系統、橫臂等部件。

（3）添加支撐結構并調整布局中存在干涉的部件。本案例中，支撐結構為車架部分。前兩步中已經完成了驅動結構、轉向結構、調姿結構和懸架的大致空間排布方案。這一步需要根據部件受力情況設計車架結構，調整存在干涉的部件位置。

結合部件選取時產生的兩種設計方向及剛得出的三種排布方案，可得出表2中六種構架方案。

（三）方案細化

構架設計完成后形成了多種備選方案，該設計階段的重點是確定最終方案及方案細化，呈現設計效果。

1.對備選方案進行篩選，確定深入設計方案。經過計算評估，其中1b、2b方案通過性較差，1a、1c方案調姿結構占用體積較大，結構排布較為松散，視覺效果較為笨重。在2a、2c三種方案中2a外觀效果更好，因此選擇2a方案進一步細化設計方案。

2.對結構方案進行外觀設計及調整。相較于車身外觀，底盤部分設計更多的是對車輛功能的體現，因此對外觀進行考量時更傾向于體現其“技術美”和“功能美”。方案如圖8、9所示。

從整體造型來看，在競速模式下底盤整體為一字型，視覺上給人平衡、穩重的觀感。在越野模式下，橫臂向下傾斜一定的角度，可以在提高底盤通過性的基礎上，給整體增加視覺張力，體現車輛底盤的力

量感。在細節方面，車架中部的部件相互平行排布，減少了支撐件的體積，在使車架更輕量化的基礎上可以簡化部件細節，使造型更具一致性。統一使用平直線條，有傾角的線條盡量使用相同傾斜角度，例如橫臂部分和車架前臉部分。在色彩方面，整體車架采用金屬色或灰黑色，橫臂部分涂裝為黃色，色彩整體統一同時具備一定變化，避免單調乏味的視覺感受。

（四）方法總結

通過設計實踐發現，形態學圖表法在概念設計過程中存在以下不足：（1）部件選取過程中，形態學圖表法的目標是擴大產品搜索范圍，隨著產品功能的復雜度的增加，當部分功能存在較多對應方案，會產生爆炸數量的組合方案，造成方案有效率較低[12]。需要根據產品特征增加限制條件對方案進行約束。（2）在創新概念設計中，部分特殊的功能需求難以用現有部件庫中的組件實現，需要對現有實現方式進行修改。而形態學圖表法是一種基于功能分解結構重組的方法，其矩陣中元素多為已有解，無法滿足重新設計的要求，需要增加相應步驟。（3）構架設計部分，形態學圖表法的流程較為概括，進一步細化可以更好指導設計過程。

本文結合玩具車底盤設計的案例對形態學圖表法進行實踐和調整，使之適用于具有較為復雜結構的創新型玩具的設計特點，完成了概念設計。相較于經典形態學圖表法的設計流程，本設計根據重型車底盤的設計特點對其流程做出了以下完善，如表3所示。加粗文字為完善及增加的部分。

區別在于：

（1）整體流程上的變化：在繪制圖表階段加入約束條件，對實現方式進行篩選收斂，在具體構架設計部分采取發散方式產生不同構架方案，通過實現方式和構架方案的排列組合形成多種備選方案。設計過程由原先發散一收斂的過程變為發散一收斂一發散一》收斂的過程（如圖10所示），既可以避免該類復雜產品方案的爆炸式增長，減少篩選負擔，也可以保障方案的差異性和創新性。

（2）增加新的步驟：針對概念設計中功能創新的特點，在繪制圖表后添加步驟，沒有成熟實現方法的功能結構需要特殊設計，本設計中需特殊設計部分是懸架及車架兩部分，這兩部分的設計取決于其他零件的布局，所以在篩選過程中先確定懸架及車架的類型，具體形式根據產品構架決定。

（3）細化對外觀設計有影響的步驟：提出了一種構架排布新思路。即將部件抽象簡化，挑選出其中對布局影響較大的部件先進行空間排布，再根據核心部件的相對位置添加其他部件。嘗試不同排布方式，并通過草圖直觀體現，有助于產生創新性、美觀的構架方案。

結語

本次實踐探索工業設計如何參與玩具遙控車底盤的設計過程，將形態學圖表法應用于概念設計階段，得出了具有創新性、美觀的方案。配合結構設計，提供了良好的概念設計方案，降低了設計過程反復的可能性，可以縮短設計周期，提升設計效率。同時針對形態學圖表法進行補充和調整，提升了設計效率。

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