基于可拓創(chuàng)新方法的個性化產(chǎn)品設(shè)計研究

李千靜，成思源，楊雪榮，陳斌

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006）

隨著社會經(jīng)濟與生活水平的提高，用戶需求逐漸向多樣化與個性化的方向發(fā)展，同時用戶購買產(chǎn)品時越來越考慮產(chǎn)品是否舒適與是否滿足其個性化需求。這迫使企業(yè)為保證其市場競爭力而對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行改進，從而縮短設(shè)計周期，并滿足不斷變化的用戶需求[1]。需求是用戶對產(chǎn)品整體的訴求，也是產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計的依據(jù)，與產(chǎn)品的功能之間存在一定的內(nèi)在關(guān)系，需求映射出功能，功能則能滿足需求[2]。滿足個性化需求能有效提高用戶對產(chǎn)品的滿意度，因此，利用個性化需求指導(dǎo)已有產(chǎn)品的改進是個性化設(shè)計中的關(guān)鍵一步。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對個性化產(chǎn)品設(shè)計進行了研究。朱上上等[3]以客戶的基本需求與感性需求為中心，針對產(chǎn)品造型設(shè)計提出一種基于可拓設(shè)計的產(chǎn)品個性化定制方法；熊先青等[4]基于“標準柜體+非標柜體”單元組合設(shè)計的方法，對衣柜的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范化進行了研究；趙燕偉等[5]為設(shè)計出符合用戶個性化需求的個性化鞋類產(chǎn)品，提出了一種基于可拓變換的個性化定制方法來解決鞋類產(chǎn)品的矛盾問題；徐永昌等[6]基于足楦設(shè)計標準，對掃描足部模型所得的鞋楦3D草圖進行變形修改，實現(xiàn)了鞋楦的個性化；Zheng等[7]在各種供應(yīng)商與適應(yīng)性接口分布式集成的基礎(chǔ)上，提出了一種基于適應(yīng)性開放架構(gòu)產(chǎn)品平臺的個性化產(chǎn)品配置系統(tǒng)的概念框架；曹木麗等[8]在KANO模型和馬斯洛需求層次理論的基礎(chǔ)上提出了分層實現(xiàn)個性化需求的方法，并將其應(yīng)用于智能養(yǎng)生壺的交互設(shè)計中。以上研究推動了個性化設(shè)計在各行各業(yè)的研究，但主要側(cè)重于產(chǎn)品整體的全新設(shè)計，未能針對個性化需求的改進設(shè)計提出行之有效的方法。

可拓創(chuàng)新方法用形式化的基元模型來表達事、物、關(guān)系和問題，用拓展分析方法來找出創(chuàng)新的途徑，用可拓變換方法來獲取新的產(chǎn)品創(chuàng)意[9]。本文以可拓創(chuàng)新方法中的事元理論為基礎(chǔ)，通過分析產(chǎn)品功能與個性化需求的關(guān)系進行產(chǎn)品再設(shè)計研究。對已有產(chǎn)品進行功能分析建立功能樹模型和產(chǎn)品功能事元模型，再提煉獲取的目標產(chǎn)品的個性化需求所包含的核心需求功能，建立需求事元模型；分析產(chǎn)品功能事元與需求功能事元中支配對象的量值以及動作的關(guān)系，得出需求功能與產(chǎn)品功能之間的關(guān)系；根據(jù)分析的結(jié)果對功能事元進行拓展分析，通過可拓變換得出新的功能創(chuàng)意；將功能映射為具體結(jié)構(gòu)，以得出滿足個性化需求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并進行設(shè)計方案評價。本文以一種體外股骨頸前傾角導(dǎo)向器的設(shè)計為例驗證該方法的可行性。

1 個性化產(chǎn)品設(shè)計流程

基于可拓創(chuàng)新方法的個性化產(chǎn)品設(shè)計研究方法，通過分析用戶個性化需求與現(xiàn)有產(chǎn)品功能間的關(guān)系，找出滿足產(chǎn)品個性化需求的功能創(chuàng)意，并在新功能創(chuàng)意的基礎(chǔ)上得出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。基于可拓創(chuàng)新方法的個性化產(chǎn)品設(shè)計流程主要分為：產(chǎn)品分析、個性化需求分析、功能創(chuàng)意的生成、方案求解與評價4個階段，如圖1所示。

圖1 基于可拓創(chuàng)新方法的個性化產(chǎn)品設(shè)計流程Fig.1 Personalized product design process based on extension innovation method

1）產(chǎn)品分析：選定需要實現(xiàn)個性化的目標產(chǎn)品后，對產(chǎn)品進行功能分析建立功能樹模型，并依據(jù)功能樹模型和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系建立產(chǎn)品功能事元模型。

2）個性化需求分析：獲取用戶關(guān)于目標產(chǎn)品的個性化需求后，分析個性化需求的本質(zhì)與核心，提煉出所包含的需求功能，并建立需求功能事元模型，便于其與產(chǎn)品功能事元進行對比。

3）功能創(chuàng)意的生成：完成上述兩步之后，對上述兩種功能事元進行匹配對比，區(qū)分出需求功能事元與產(chǎn)品功能事元的關(guān)系，對功能事元進行拓展分析，生成可能滿足用戶需求的功能事元集，然后根據(jù)實際情況進行可拓變換，最后通過可拓變換得出產(chǎn)品的新功能創(chuàng)意。

4）方案求解與評價：得出新的功能創(chuàng)意后，將功能映射為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)得出產(chǎn)品的設(shè)計方案。利用功能實現(xiàn)求解方法找出實現(xiàn)功能的原理知識，并整理成具體的設(shè)計方案，最后對該方案進行評價。

2 具體設(shè)計步驟

2.1 產(chǎn)品的功能建模

2.1.1 產(chǎn)品功能分析

在產(chǎn)品再設(shè)計中，功能創(chuàng)新是產(chǎn)品創(chuàng)新的基礎(chǔ)，如何在原有的設(shè)計基礎(chǔ)上挖掘出需要改進的新功能是產(chǎn)品再設(shè)計成功的關(guān)鍵。功能被認為是設(shè)計所需的動作或效果的抽象化描述[10]，功能一般用“動詞+名詞”的形式表達，動詞為一個主動動詞，表示產(chǎn)品所完成的一個操作，名詞表示被操作對象[11]。產(chǎn)品或系統(tǒng)的總功能是由產(chǎn)品或系統(tǒng)內(nèi)部的各分功能有機組成的，因此深入挖掘產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所包含的知識原理，可將產(chǎn)品的總功能分解為執(zhí)行不同操作的分功能，而分功能也可分解為下一級的子功能，一直可以分解到易于實現(xiàn)的具體的功能元[12]，功能樹模型如圖2所示。在定義功能時，為避免不同設(shè)計人員對相同的功能使用不同的功能詞匯，而影響到功能信息的理解與共享，有些學(xué)者開始歸納總結(jié)某個領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計的規(guī)范化表達的功能詞匯，從而提出了功能本體知識庫的概念[13]，將功能詞匯按不同的層次關(guān)系進行劃分，部分功能本體知識庫如表1所示。這些詞匯是獨立于特定環(huán)境和應(yīng)用領(lǐng)域的，具有通用性與可重用性，這一特點為產(chǎn)品的再創(chuàng)新設(shè)計提供了準確、規(guī)范的知識表述與設(shè)計依據(jù)[13]。

圖2 功能樹模型Fig.2 Function tree model

表1 功能本體知識庫Tab.1 Functional ontology knowledge base

2.1.2 事元模型

在可拓學(xué)中，產(chǎn)品功能可由事元模型的三要素形式化地表達出來，本文主要是依據(jù)用戶個性化需求中的功能需求和產(chǎn)品功能開展的，因此可將用戶的功能需求以及產(chǎn)品功能表達為事元模型。功能的一般式“動詞+名詞”可與事元模型三要素中的“動作”和“支配對象”的“量值”相對應(yīng)，該事元模型稱之為功能事元。事元可以記為A，其三要素aO、Ca和aV依次為動作、動作的特征以及特征的量值，基本表達式為[9]：

2.2 需求分析與功能對比

用戶真正需要的并非是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品內(nèi)在包含的功能[11]，卡諾模型（KANO模型）[14]將用戶需求劃分為基本需求、期望需求、興奮需求、無差異需求與反向需求五種。能極大提高用戶對產(chǎn)品滿意度的個性化需求，應(yīng)屬于KANO模型中非必須實現(xiàn)的期望需求或興奮需求。由公理設(shè)計理論[15]可知，用戶需求是基于用戶域提出的，而產(chǎn)品功能則是立足于功能域的，因此需求不直接等同于功能，但對需求的本質(zhì)與核心加以提煉，相應(yīng)的需求功能可用于指導(dǎo)產(chǎn)品進行開發(fā)設(shè)計，為產(chǎn)品創(chuàng)新指明方向，縮短設(shè)計周期，提升用戶的滿意度。提煉需求功能時，其核心應(yīng)符合功能的一般表達式，并將其表達成需求功能事元Ani。

在按照需求功能進行產(chǎn)品設(shè)計之前，需將需求功能事元與產(chǎn)品功能事元進行匹配對比，分析出需求功能與產(chǎn)品功能之間的關(guān)系。功能匹配對比的流程如圖3所示，首先，分析兩功能事元的支配對象的量值aV是否相同，如果相同則進入第二步，判斷兩功能事元的動作aO在功能本體知識庫中是否為同主類，若為同主類則判斷兩功能事元為相關(guān)功能，則以需求功能事元指導(dǎo)產(chǎn)品功能事元進行拓展分析與可拓變換，實現(xiàn)功能變更；如果兩判斷中的一個為否，則將該需求功能事元判斷為新功能，進行功能添加。

圖3 需求功能事元與產(chǎn)品功能事元的功能對比Fig.3 Function comparison between demand function event element and product function event element

新需求功能事元Ani只表達出產(chǎn)品應(yīng)能執(zhí)行某個動作或某個動作具備的某種特征，但該功能事元沒有與確定的產(chǎn)品（包含工具）建立起關(guān)系，因此，為了將其與產(chǎn)品建立起關(guān)系，需在功能事元Ani的原有特征以及量值的基礎(chǔ)之上賦予“工具”“效果”“位置”“施動對象”“接受對象”和“程度”等特征，得到可被產(chǎn)品識別的功能事元Afi，具體的映射方法如下：

2.3 可拓創(chuàng)新方法

2.3.1 拓展分析方法

拓展分析方法是可拓創(chuàng)新方法中創(chuàng)意生成的依據(jù)，本文主要用的是發(fā)散分析方法和蘊含分析方法。發(fā)散分析方法是指對事元模型中的三要素進行發(fā)散，得到多個相對應(yīng)的事元，表現(xiàn)了事物的發(fā)散性，發(fā)散分析通常表現(xiàn)為一種樹狀結(jié)構(gòu)：

在個性化需求功能事元的指導(dǎo)下對功能事元進行發(fā)散分析，能拓展出更多可能符合需求的功能創(chuàng)意，為產(chǎn)品創(chuàng)新提供更多的可能。根據(jù)專業(yè)領(lǐng)域知識，運用蘊含分析不僅能將不易實現(xiàn)的上位功能事元轉(zhuǎn)化為易于實現(xiàn)的下位功能事元，還能強制建立或刪除功能間的蘊含關(guān)系。在事元模型中常見的蘊含關(guān)系是因果蘊含，其表現(xiàn)為某一功能的實現(xiàn)會導(dǎo)致另一功能的實現(xiàn)[16]，這與功能樹模型中子功能的實現(xiàn)可致使分功能實現(xiàn)相同。因此，依據(jù)個性化需求對功能事元進行蘊含分析不僅能分析出功能間的關(guān)系，還能找到功能實現(xiàn)的方法。蘊含分析中的與蘊含的表達形式為：

2.3.2 可拓變換及其運算

可拓變換可將原有的產(chǎn)品功能事元變換為拓展所得的功能事元，從而獲得新功能創(chuàng)意，是創(chuàng)意生成的工具[17]。可拓變換的基本公式是TR= {R1,R2,…,Rn}，其中T= {OT,v,c} 表示發(fā)生的變換類型，OT表示實施的基本變換名稱OT∈{置 換，增刪，擴縮，分解,復(fù)制}。五種基本變換的公式如下：

增刪變換：TR=R±Ri；

擴縮變換：TR=αR，0 ＜α＜ 1或α＞1；

分解變換：TR= {R1+R2+…+Rn}；

復(fù)制變換：TR={R,R* }。

可拓變換的運算方法主要包括積變換、與變換、或變換和逆變換四種[9]，變換的運算可將基本變換的結(jié)果進行組合運算得到復(fù)雜變換，從而得出滿足產(chǎn)品設(shè)計的功能組合。

2.4 功能實現(xiàn)求解與評價

功能是通過產(chǎn)品的物理結(jié)構(gòu)相互作用實現(xiàn)的，通常同一功能有多種實現(xiàn)的工作原理和物理結(jié)構(gòu)，而尋找實現(xiàn)功能技術(shù)載體是求解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)過程中關(guān)鍵的一步，目前常用的查找方法為：直覺法、調(diào)查分析法、設(shè)計目錄法和功能導(dǎo)向搜索FOS[18]，在功能求解過程中，這四種方法均能有效指導(dǎo)設(shè)計人員查找設(shè)計方案。查找出功能的實現(xiàn)原理形成結(jié)構(gòu)方案后，還需要對該方案進行評價，分析該產(chǎn)品是否滿足用戶的個性化需求，如果滿足則保留設(shè)計方案，如果不滿足則重新進行功能事元的匹配對比。

3 案例分析

股骨頸骨折是臨床上常見的髖部骨折，目前治療的主要方法是沿著股骨頸軸線方向植入內(nèi)置物，因此準確定位股骨頸軸線是關(guān)鍵一步，而手術(shù)中通常是通過置入定位導(dǎo)針的方式確定軸線位置的。

假定氣體壓縮是基于理想氣體的熱力學(xué)確定的,并且該過程是絕熱的,則階段k中的流體體積可以近似地通過以下等式獲得，即

3.1 產(chǎn)品分析與需求分析

許多學(xué)者就準確置入克氏針導(dǎo)針進行了研究，其中湯世斌等[19]基于股骨頸軸線平行于股骨頸前側(cè)中部、基底部和股骨近端前側(cè)面形成的平面這一解剖基礎(chǔ)，借助數(shù)學(xué)幾何中的“平行線”原理導(dǎo)出股骨頸軸線，從而設(shè)計出體外股骨頸軸線導(dǎo)向器，如圖4所示。該導(dǎo)向器與醫(yī)生徒手植入相比具有一定的可靠性，但仍不能準確定位股骨頸軸線，其可靠性有待提高。

圖4 在模型上使用體外股骨頸前傾角導(dǎo)向器的實物照[19]Fig.4 A physical image of external guide of femoral neck anteversion on a model[19]

分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可知：沿股骨頸軸線方向插入兩個等長的導(dǎo)出針，在導(dǎo)出針上端固定一平行于股骨頸軸線的引導(dǎo)桿，引導(dǎo)桿遠端固定一垂直于股骨頸軸線的L型直角滑桿，克氏針導(dǎo)針經(jīng)L型直角滑桿的底端直角植入股骨頸內(nèi)。經(jīng)功能分析可知，該產(chǎn)品的總功能為植入導(dǎo)針，分功能為定位軸線、引導(dǎo)導(dǎo)針和固定導(dǎo)向器，其功能樹模型如圖5所示。

圖5 體外股骨頸前傾角導(dǎo)向器功能分解樹Fig.5 Functional decomposition tree of external guide of femoral neck anteversion

根據(jù)該裝置的功能樹模型對各功能建立功能事元，其中功能事元如下：

在股骨頸骨折的治療手術(shù)中，根據(jù)患者的實際參數(shù)置入導(dǎo)針是成功治療的關(guān)鍵。結(jié)合醫(yī)生與患者的需求得出該裝置的個性化需求如下：

1）定位軸線的定位部件應(yīng)與股骨干表面相貼合，從而保證能正確標記出股骨頸軸線在股骨干上的位置，提高定位的準確性。

2）在植入導(dǎo)針前，該裝置能將導(dǎo)針暫時鎖固于體外，以便配合影像技術(shù)檢查導(dǎo)針是否與軸線共線，以此保證進針角度與患者的頸干角、前傾角相適應(yīng)，避免重復(fù)進針。

3）用于固定導(dǎo)向器的固定部件應(yīng)能依據(jù)人體參數(shù)實現(xiàn)調(diào)節(jié)，確保安裝的有效性。

分析上述個性化需求可知，其中包含的需求功能為：定位軸線、鎖固導(dǎo)針、調(diào)節(jié)固定尺寸，根據(jù)個性化需求建立如下事元模型：

3.2 功能創(chuàng)意的生成

將上述三個需求功能事元與產(chǎn)品功能事元進行匹配對比，可知需求功能事元 1nA與產(chǎn)品功能事元1A的支配對象量值均為“軸線”，且兩者的動作“定位”在功能本體知識庫中同屬于“支撐”一類，兩功能事元是相關(guān)功能，因此，以 1nA為依據(jù)指導(dǎo)1A進行拓展分析與可拓變換；分析可知需求功能事元An2雖與產(chǎn)品功能事元2A的支配對象量值相同，但兩者的動作在功能本體知識庫中屬于不同主類，因此An2為產(chǎn)品的新功能，將其添加到產(chǎn)品中；同理可知，需求功能事元An3同為新功能。

3.2.1 拓展分析

依據(jù)個性化需求功能匹配對比的結(jié)果對功能事元進行拓展分析，以便得到更多可能滿足個性化需求的方法與途徑。以需求功能事元 1nA為依據(jù)對相關(guān)功能事元1A進行發(fā)散分析，并根據(jù)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識對發(fā)散所得的功能事元集進行蘊含分析，得出可行的功能實現(xiàn)方法，具體分析過程如下：

其中：

其中，待設(shè)計部件1D、D11′、D12′、D11′、D12′均為實現(xiàn)定位軸線這一功能的部件。

依據(jù)功能匹配對比可知，需求功能事元An2為新功能，因此將其作為新功能添加到產(chǎn)品中，將其映射為功能事元并進行發(fā)散分析：

An2=(鎖固，支配對象，導(dǎo)針)

其中，待設(shè)計部件Df1為實現(xiàn)功能事元Af1的部件。

同理，將需求功能事元An3映射為功能事元Af2，如下所示：

An3=(調(diào)節(jié)，支配對象，固定尺寸)

其中，待設(shè)計部件Df2為實現(xiàn)功能事元Af2的部件。

由專業(yè)知識可知，功能事元Af2的加入會導(dǎo)致固定導(dǎo)向器的工具發(fā)生變化，也會導(dǎo)致固定導(dǎo)向器這一功能的實現(xiàn)方式發(fā)生變化，分析可知新功能事元Af2與產(chǎn)品功能“固定導(dǎo)向器”應(yīng)有以下蘊含關(guān)系：

其中，待設(shè)計部件 3D、Df3為實現(xiàn)功能事元3A′這一功能的部件，a為待確定的固定方式。

3.2.2 可拓變換及其運算

基于上述拓展分析，運用可拓變換與可拓變換的運算獲取可滿足個性化需求的新創(chuàng)意。依據(jù)個性化需求，對功能事元1A進行如下變換：

將2A與A′f1進行組合可得如下變換：

其中，待設(shè)計部件 2D為實現(xiàn)功能事元2A′的部件。對功能事元3A進行如下變換：

3.3 最終設(shè)計方案

通過以上可拓變換結(jié)果可知，實現(xiàn)功能事元1A′的定位部件1D不僅要與股骨干表面相貼合并標識出股骨頸軸線位置，且應(yīng)指示出股骨軸線的方向，因此可經(jīng)CT掃描、逆向建模工具反求出股骨干表面參數(shù)以及股骨頸軸線特征，借助逆向工程設(shè)計與3D打印設(shè)計出與股骨干表面相貼合的定位塊以及沿軸線方向延伸的軸向指示塊；引導(dǎo)部件 2D對克氏針導(dǎo)針應(yīng)具有引導(dǎo)和鎖緊功能，以便于在植入導(dǎo)針前配合影像技術(shù)校核導(dǎo)針方向，采用導(dǎo)向套與松緊螺母組合的方式實現(xiàn)功能事元2A′；功能事元3A′要求固定部件 3D在尺寸可調(diào)的同時，能實現(xiàn)自鎖或帶有可限制移動的鎖定部件，由于在一定條件下蝸桿傳動會產(chǎn)生自鎖，所以引入蝸桿齒條傳動機構(gòu)實現(xiàn)尺寸的調(diào)整和固定部件的自鎖。將上述功能實現(xiàn)方式進行組合得到新產(chǎn)品的物理結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖6 股骨頸軸線導(dǎo)向器新結(jié)構(gòu)模型Fig.6 A new structural model of the axial guide of the femoral neck

該設(shè)計方案結(jié)構(gòu)簡單，利用逆向工程設(shè)計與3D打印技術(shù)有效地提高了導(dǎo)向器定位軸線的準確性，同時利用松緊螺母實現(xiàn)了體外校核導(dǎo)針的目的，蝸桿作為調(diào)節(jié)固定尺寸的主要部件，增加了安裝的穩(wěn)定性和可靠性，最終得到的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型能滿足用戶的個性化需求。

4 結(jié)語

本文提出的基于可拓創(chuàng)新方法的個性化產(chǎn)品設(shè)計方法，將產(chǎn)品的核心功能轉(zhuǎn)化為更加直觀的形式化的事元模型，依據(jù)用戶的個性化需求與產(chǎn)品功能之間的關(guān)系，指導(dǎo)功能事元進行拓展分析與可拓變換，獲得滿足用戶個性化需求的新產(chǎn)品功能創(chuàng)意，并依據(jù)功能創(chuàng)意設(shè)計出新方案。該方法通過形式化的事元模型將個性化需求融入產(chǎn)品的再設(shè)計中，增加了設(shè)計的可操作性，同時為個性化功能事元模型的拓展分析與可拓變換指明了方向，有利于找出功能創(chuàng)新的突破口，為產(chǎn)品針對個性化需求的再設(shè)計提供了新的思路。