基于功能表面驅(qū)動(dòng)與可拓工具的產(chǎn)品人機(jī)工程問題確定方法研究

白仲航， 艾琳璟

（1. 河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 天津 300132；2. 河北工業(yè)大學(xué) 國家技術(shù)創(chuàng)新方法與實(shí)施工具工程技術(shù)研究中心， 天津 300401；3. 河北工業(yè)大學(xué) 河北省工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新與應(yīng)用研究中心， 天津 300132）

隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)陉P(guān)注產(chǎn)品功能的同時(shí)更加注重用戶體驗(yàn)。傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)只注重功能、質(zhì)量和成本等基本屬性，忽略了人機(jī)性能，導(dǎo)致產(chǎn)品在舒適性、可控性等方面存在不足[1]。因此，準(zhǔn)確識(shí)別產(chǎn)品的人機(jī)工程問題，提升產(chǎn)品的人機(jī)性能具有重要意義。

對(duì)于人機(jī)工程問題的確定，常用的方法有4種。第1種是問卷調(diào)查法，即直接通過問卷結(jié)果總結(jié)產(chǎn)品的人機(jī)工程問題。第2種是實(shí)驗(yàn)法。楊玲等[2-3]通過對(duì)交互式產(chǎn)品過去的交互方式與未來的交互情景進(jìn)行比較，提出了一種VIP（vision in product，產(chǎn)品視覺）設(shè)計(jì)方法，用于改進(jìn)產(chǎn)品交互中的問題。第3種是數(shù)學(xué)法。Jeong等[4]提出了產(chǎn)品交互風(fēng)格分類法及產(chǎn)品體驗(yàn)評(píng)估法，解決了交互式產(chǎn)品使用模式的設(shè)計(jì)和評(píng)估問題；Darani等[5-6]提出了一種改進(jìn)的交互式遺傳算法，通過將用戶需求融入交互式產(chǎn)品設(shè)計(jì)，減輕了用戶使用產(chǎn)品時(shí)的疲勞程度。第4種是虛擬仿真法。Hovanec等[7-8]通過在仿真環(huán)境中利用虛擬人對(duì)產(chǎn)品的安全性和可靠性進(jìn)行分析，確定了產(chǎn)品的人機(jī)工程問題，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品人機(jī)性能的不斷優(yōu)化。綜上，國內(nèi)外已有研究主要通過圖像分析、數(shù)學(xué)模型或虛擬仿真等方法來確定人機(jī)工程問題，缺乏對(duì)人機(jī)工程問題與產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一體化系統(tǒng)研究，導(dǎo)致人機(jī)工程問題識(shí)別不全面以及準(zhǔn)確性低。

沖突區(qū)域是指功能模型中與問題相關(guān)的區(qū)域[9]。功能模型將產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)一體化研究，可以明確問題發(fā)生的具體空間位置，進(jìn)而有效地確定正確的問題[10]。目前，沖突區(qū)域診斷方法主要有3種。第1種是基于因果鏈或因果樹的診斷方法[11]，即先通過建立功能關(guān)系模型來確定沖突區(qū)域，再建立因果鏈或因果樹來確定沖突。第2種是基于層次型功能模型的沖突區(qū)域診斷方法，即利用功能結(jié)構(gòu)中流和功能的作用關(guān)系來確定沖突區(qū)域。牛曉偉等[12-13]通過分析功能元的約束類型，完善了物質(zhì)流、能量流和信息流的進(jìn)化路徑，解決了功能模型識(shí)別流的問題，提升了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。第3種是基于關(guān)系型功能模型的沖突區(qū)域診斷方法，即先利用功能關(guān)系模型確定初始沖突區(qū)域，再通過識(shí)別根原因來確定最終沖突區(qū)域。張換高等[9,14]利用功能過程模型表達(dá)與時(shí)間/順序有關(guān)的信息，并提出了一種從問題功能到問題結(jié)構(gòu)的沖突區(qū)域確定方法，解決了沖突區(qū)域分析不全面的問題。在實(shí)際應(yīng)用中，3種沖突區(qū)域診斷方法往往結(jié)合使用。然而，功能模型雖可以確定產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)、流程等對(duì)應(yīng)的沖突區(qū)域，但未涉及人機(jī)之間的作用關(guān)系，缺乏對(duì)人機(jī)沖突區(qū)域的識(shí)別。

功能表面是組成機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的最小抽象物質(zhì)單元，其不僅可以表達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表面的功能特征，也可以形式化表達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的幾何特征[15]。楊金勇[16]基于功能表面的定位功能，提出了一種可以廣義定位表達(dá)產(chǎn)品功能的模型，解決了功能結(jié)構(gòu)之間直接映射導(dǎo)致的病態(tài)性等問題；楊波等[17-18]將功能表面擴(kuò)展并重新關(guān)聯(lián)，以構(gòu)成新的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)骨架，從而完成產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。拓展研究人與產(chǎn)品的接觸功能表面有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)人機(jī)工程問題中交互功能和內(nèi)部交互結(jié)構(gòu)的一體化分析。功能表面既是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)之間的“橋梁”，又是人與產(chǎn)品之間的“橋梁”，拓展研究人與產(chǎn)品、產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的功能表面有助于解決功能模型中人機(jī)沖突區(qū)域的識(shí)別問題。

功能表面雖能解決人機(jī)沖突區(qū)域識(shí)別問題，但僅靠功能表面和功能模型得不到產(chǎn)品的不良功能、結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)關(guān)系，即無法有效完成人機(jī)工程問題沖突區(qū)域的確定。可拓學(xué)[19]以形式化的方式描述客觀世界中的事、物及其關(guān)系，利用拓展、變換等來研究事物的創(chuàng)新規(guī)律。劉曉敏等[20-21]基于可拓基元理論及形式化的描述方法，完成了產(chǎn)品與生物的多層次拓展以及仿生原型的獲取，解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中創(chuàng)意矛盾的問題；白仲航等[22]提出了一種集成可拓工具的裁剪創(chuàng)新方法，運(yùn)用基元來表達(dá)被裁剪元件的有用功能，解決了裁剪后尋找代替資源的隨機(jī)性問題。由此可知，可拓工具和其他創(chuàng)新方法的融合可以針對(duì)性地解決某類矛盾問題[19]。

基于此，本文首先引入功能表面作為連接人與產(chǎn)品的“橋梁”，通過廣義定位原理等改進(jìn)功能模型，以識(shí)別交互式產(chǎn)品內(nèi)部沖突區(qū)域和人機(jī)沖突區(qū)域；然后通過可拓表達(dá)、相關(guān)分析、蘊(yùn)含分析及優(yōu)度評(píng)價(jià)等進(jìn)行輔助分析，以確定有效的人機(jī)沖突區(qū)域和產(chǎn)品內(nèi)部沖突區(qū)域；最后利用標(biāo)準(zhǔn)解對(duì)不良作用進(jìn)行求解，并運(yùn)用優(yōu)度評(píng)價(jià)對(duì)求解方案進(jìn)行篩選，以解決人機(jī)工程問題和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1 功能表面、功能模型與可拓工具

1.1 功能表面

功能表面是產(chǎn)品功能與結(jié)構(gòu)的信息載體[23]，其映射方式為功能—功能表面—結(jié)構(gòu)。功能表面可表示為：

其中：FS表示功能表面；M表示表面名稱；T表示表面幾何類型；F表示表面功能特征；G表示表面幾何特征[24]。

根據(jù)定位對(duì)象的不同，將功能表面分為定位表面和使定表面。依據(jù)廣義定位原理，功能表面的傳遞鏈從原動(dòng)件的使定表面開始，傳遞到執(zhí)行件的使定表面后結(jié)束[25]，傳遞過程如圖1所示。

圖1 基于功能表面的產(chǎn)品功能傳遞鏈Fig.1 Product function transfer chain based on functional surfaces

1.2 功能模型

TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatc，發(fā)明問題解決理論）中的功能模型分為2種：功能過程模型和功能關(guān)系模型。功能過程模型是指功能元按照產(chǎn)品的能量流、物質(zhì)流及信息流的輸入和輸出進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，最終形成一個(gè)有向網(wǎng)絡(luò)圖的過程[9]。它不僅能描述產(chǎn)品系統(tǒng)中流的轉(zhuǎn)換過程，還能描述各分功能之間的關(guān)系，可為確定問題功能元提供理論基礎(chǔ)[25-26]。功能關(guān)系模型是由系統(tǒng)邊界內(nèi)的元件、制品、超系統(tǒng)及其作用關(guān)系組成的功能網(wǎng)絡(luò)[27]，它建立在元件分析、相互作用和功能分析的基礎(chǔ)上，用于表示問題功能元中各元件之間的作用關(guān)系。2種功能模型充分考慮了功能實(shí)現(xiàn)的過程和元件間的作用關(guān)系，對(duì)沖突區(qū)域的識(shí)別具有至關(guān)重要的作用。

1.3 可拓工具

可拓表達(dá)是指將事與物、特征及相應(yīng)量值以三元組的形式表達(dá)[19]。相關(guān)分析是指通過定量化分析基元間的邏輯關(guān)系來表達(dá)事物間的相關(guān)關(guān)系和作用機(jī)理。蘊(yùn)含分析是指以基元形式表達(dá)和分析事、物及其關(guān)系的蘊(yùn)含性。蘊(yùn)含系包含上位基元和下位基元，2種基元具有“與”或者“或”的關(guān)系。在蘊(yùn)含系中解決矛盾問題的路徑是找到易實(shí)現(xiàn)的下位基元。優(yōu)度評(píng)價(jià)是可拓學(xué)中評(píng)價(jià)和篩選事物的基本方法[28]。該方法先建立與評(píng)價(jià)對(duì)象相關(guān)的多指標(biāo)參數(shù)，再利用關(guān)聯(lián)函數(shù)定量化描述事物，最后以客觀數(shù)據(jù)來表示評(píng)定結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象綜合水平的客觀了解。

2 基于功能表面的功能模型及其可拓表達(dá)

2.1 功能表面與功能模型之間的聯(lián)系

在功能過程模型中，每個(gè)功能元對(duì)流的轉(zhuǎn)換都需要功能關(guān)系模型中對(duì)應(yīng)元件及場(chǎng)的作用來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)功能元的作用對(duì)象為物質(zhì)流時(shí)，功能元直接對(duì)應(yīng)功能關(guān)系模型中的元件（物質(zhì)）；當(dāng)功能元的作用對(duì)象為能量流或信息流時(shí)，功能關(guān)系模型中的元件會(huì)作為功能載體來轉(zhuǎn)換能量流或信息流。

結(jié)合功能過程模型與功能關(guān)系模型可以表達(dá)產(chǎn)品功能與各元件之間的相互作用關(guān)系，但無法表達(dá)人機(jī)交互作用關(guān)系。而功能表面既可以表示元件與元件之間的作用表面，又可以表示人與產(chǎn)品的實(shí)際接觸表面。利用功能表面可以精確定位人與產(chǎn)品以及元件之間的作用表面。功能表面與功能模型之間的聯(lián)系如圖2所示。

圖2 功能表面與功能模型之間的聯(lián)系Fig.2 Connection between functional surfaces and functional models

由圖2可知，功能過程模型包含人的功能元NA、產(chǎn)品功能元N1、功能表面以及流之間的轉(zhuǎn)換；功能關(guān)系模型包含實(shí)現(xiàn)人的功能元NA的操作部位NA1、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能元N1的所有元件、人與產(chǎn)品的實(shí)際接觸表面Na1和Na2以及元件間作用表面Nb1和Nc1。當(dāng)功能過程模型中的作用對(duì)象為物質(zhì)流時(shí)，人的功能元NA、產(chǎn)品功能元N1和功能表面直接對(duì)應(yīng)功能關(guān)系模型中的操作部位NA1、所有元件和所有功能表面；當(dāng)功能過程模型中的作用對(duì)象為能量流或信息流時(shí)，以功能關(guān)系模型中的操作部位NA1、所有元件及功能表面作為功能載體，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量流或信息流的轉(zhuǎn)換。

2.2 基于功能表面的功能過程模型及其可拓表達(dá)

功能過程模型描述了產(chǎn)品功能元及其流轉(zhuǎn)換的關(guān)系，通過對(duì)比實(shí)際輸出流和期望輸出流的差異來確定問題功能元。為確定人機(jī)工程問題中的問題功能元，在功能過程模型中的產(chǎn)品功能元的基礎(chǔ)上加入人的功能元，并用功能表面連接人的功能元與產(chǎn)品功能元，構(gòu)建基于功能表面的功能過程模型，如圖3所示。其中，人的功能元、產(chǎn)品功能元及功能表面構(gòu)成人機(jī)功能元。基于功能表面的功能過程模型分為人機(jī)交互部分（由人機(jī)功能元構(gòu)成）和產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)（由產(chǎn)品功能元構(gòu)成）兩部分，這2個(gè)部分具有串聯(lián)或并聯(lián)的關(guān)系。通過構(gòu)建改進(jìn)的功能過程模型，可以表達(dá)傳統(tǒng)功能過程模型未涉及的人機(jī)交互部分，進(jìn)而確定人機(jī)工程問題中的問題功能元及問題功能元的類型。

圖3 基于功能表面的功能過程模型Fig.3 Functional process model based on functional surfaces

在基于功能表面的功能過程模型中，問題功能元采用基元理論中的事元表達(dá)。通過對(duì)功能元的可拓化分析，確定備選問題功能元和問題輸出流，從而為最終問題功能元的分析和確定奠定基礎(chǔ)。問題功能元A可表示為：

式中：Oa為功能元中的動(dòng)作；can為動(dòng)作特征；van為動(dòng)作特征量值。

2.3 基于功能表面的功能關(guān)系模型及其可拓表達(dá)

針對(duì)傳統(tǒng)的功能關(guān)系模型無法表示人機(jī)功能元對(duì)應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)及操作部位的問題，將操作部位作為系統(tǒng)中的元件加入功能關(guān)系模型。為更好地確定人機(jī)工程問題的沖突區(qū)域，將元件間的作用關(guān)系精確到元件功能表面間的作用關(guān)系，構(gòu)建基于功能表面的功能關(guān)系模型，如圖4所示。其中，功能表面信息包含表面的名稱、幾何類型、功能特征及幾何特征。通過構(gòu)建基于功能表面的功能關(guān)系模型，分析人與產(chǎn)品和產(chǎn)品內(nèi)部之間的不良作用關(guān)系。

利用改進(jìn)的功能關(guān)系模型進(jìn)行分析，確定初始沖突區(qū)域。初始沖突區(qū)域中的問題元件P用基元理論中的物元表達(dá)，不良作用D用事元表達(dá)，可分別表示為：

其中：Op為元件；cpn為元件特征；vpn為元件特征量值；Od為作用；cdn為作用特征；vdn為作用特征量值。

3 人機(jī)工程問題沖突區(qū)域的確定與不良作用的求解過程

3.1 基于相關(guān)分析的問題功能元確定過程

1.基于改進(jìn)功能過程模型的初始問題功能元的確定。

利用改進(jìn)的功能過程模型來確定人機(jī)工程問題的初始問題功能元，具體步驟如下。

1）構(gòu)建產(chǎn)品系統(tǒng)的總功能模型，以確定系統(tǒng)總功能。

2）建立基于功能表面的功能過程模型。將人機(jī)工程問題的總功能分解到功能元，然后按照功能元與能量流、物質(zhì)流、信息流的輸入和輸出關(guān)系，建立基于功能表面的功能過程模型。

3）確定初始問題功能元。通過分析改進(jìn)功能過程模型中每個(gè)功能元的實(shí)際輸出流與期望輸出流的差異，將存在差異的功能元視為初始問題功能元。

2.基于可拓表達(dá)的備選問題功能元的確定。

對(duì)初始問題功能元進(jìn)行可拓表達(dá)，進(jìn)而確定備選問題功能元和問題輸入流，步驟如下。

1）初始問題功能元的可拓表達(dá)。利用事元表達(dá)初始問題功能元，并分析初始問題功能元的原理、結(jié)構(gòu)以及與人的作用關(guān)系。備選問題功能元產(chǎn)生的原因包括：①問題功能元輸入流的屬性問題；②原理解中功能元實(shí)際執(zhí)行流轉(zhuǎn)換的能力不足或出現(xiàn)有害輸出流；③人機(jī)功能元對(duì)應(yīng)的原理解不符合人機(jī)交互設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；④人為誤操作。

2）確定備選問題功能元和問題輸入流。若問題輸出流是原理、結(jié)構(gòu)等因素導(dǎo)致的，則確定該功能元為備選問題功能元；若問題輸出流是輸入流導(dǎo)致的，則在改進(jìn)功能過程模型中轉(zhuǎn)換到上一個(gè)功能元，并判斷轉(zhuǎn)換后的功能元是原理、結(jié)構(gòu)問題還是輸入流問題；若問題輸入流是超系統(tǒng)輸入的，則停止轉(zhuǎn)換問題功能元。

3.基于相關(guān)分析的最終問題功能元的確定。

由于備選問題功能元之間存在復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，不能直接有效地確定最終問題功能元，因此須先分析備選問題功能元的相關(guān)關(guān)系，再確定最終問題功能元，步驟如下。

1）構(gòu)建備選問題功能元的相關(guān)分析網(wǎng)。通過相關(guān)分析得到備選問題功能元的相關(guān)關(guān)系，確定備選問題功能元選項(xiàng)。

2）確定最終問題功能元。從產(chǎn)品本體、人機(jī)交互以及人本體三方面分析所有備選問題功能元選項(xiàng)，并結(jié)合問題表象選擇發(fā)生可能性最大、不易控制且舒適度低的功能元為最終問題功能元。

3.2 基于功能表面和蘊(yùn)含分析的沖突區(qū)域確定過程

1.基于改進(jìn)功能關(guān)系模型的初始沖突區(qū)域的確定。

利用改進(jìn)的功能關(guān)系模型來確定最終問題功能元的初始沖突區(qū)域，步驟如下。

1）構(gòu)建基于功能表面的功能關(guān)系模型。

2）根據(jù)產(chǎn)品問題功能元和人機(jī)問題功能元的表象，確定初始沖突區(qū)域。若最終問題功能元僅為人的功能元，則默認(rèn)是人為誤操作，不屬于研究范圍。

2.基于蘊(yùn)含分析和優(yōu)度評(píng)價(jià)的最終沖突區(qū)域的確定。

由于沖突區(qū)域的產(chǎn)生原因存在復(fù)雜的因果關(guān)系，須先對(duì)初始沖突區(qū)域進(jìn)行可拓表達(dá)，再運(yùn)用蘊(yùn)含分析確定最終沖突區(qū)域，具體步驟如下。

1）沖突區(qū)域的可拓表達(dá)。采用物元、事元分別表達(dá)初始沖突區(qū)域中的問題元件和不良作用，分析初始沖突區(qū)域是否涉及其他元件并判斷是否需要轉(zhuǎn)換沖突區(qū)域。若轉(zhuǎn)換了沖突區(qū)域，則須重新對(duì)轉(zhuǎn)換的沖突區(qū)域進(jìn)行可拓表達(dá)。

2）確定備選根原因。通過構(gòu)建蘊(yùn)含分析圖，確定備選根原因。

3）確定最終沖突區(qū)域。利用優(yōu)度評(píng)價(jià)分析備選根原因的優(yōu)先級(jí)，基于優(yōu)度值大小確定最關(guān)鍵的問題，即最終沖突區(qū)域。最終沖突區(qū)域的衡量指標(biāo)根據(jù)備選根原因?qū)θ说挠绊懗潭群彤a(chǎn)品性能提升程度來選擇。

3.3 人機(jī)工程問題的不良作用求解

人機(jī)工程問題的沖突區(qū)域可能是產(chǎn)品內(nèi)部的沖突區(qū)域，也可能是人機(jī)沖突區(qū)域。利用標(biāo)準(zhǔn)解對(duì)人機(jī)工程問題的沖突進(jìn)行求解，具體步驟如下。

1）將最終沖突區(qū)域轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)-場(chǎng)模型，分析其物質(zhì)與場(chǎng)的作用關(guān)系，判斷不良作用類型。3種不良作用類型分別為不完整作用、非充分作用以及有害作用。

2）利用標(biāo)準(zhǔn)解對(duì)不良作用進(jìn)行求解。不完整作用采用1.1類標(biāo)準(zhǔn)解求解；非充分作用采用1類或2類標(biāo)準(zhǔn)解求解；有害作用采用1.2類標(biāo)準(zhǔn)解求解。

3）得到初始解后，利用3類/5類標(biāo)準(zhǔn)解來改進(jìn)和完善設(shè)計(jì)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)度評(píng)價(jià)，得到最終的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

人機(jī)工程問題的沖突區(qū)域確定與不良作用求解過程如圖5所示。

4 應(yīng)用實(shí)例

電動(dòng)割草機(jī)是一種用于割除灌木、雜草和收割莊稼的便攜式農(nóng)業(yè)機(jī)械。據(jù)調(diào)研，用戶在使用電動(dòng)割草機(jī)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)上肢疲勞、腰部疼痛等問題。現(xiàn)采用基于功能表面驅(qū)動(dòng)與可拓工具的沖突區(qū)域確定方法對(duì)電動(dòng)割草機(jī)的人機(jī)工程問題進(jìn)行分析和解決。電動(dòng)割草機(jī)實(shí)物如圖6所示。

圖6 電動(dòng)割草機(jī)Fig.6 Electric lawn mower

4.1 問題功能元的確定

1）確定割草機(jī)的總功能，如圖7所示。

圖7 電動(dòng)割草機(jī)總功能Fig.7 Overall function of electric lawn mower

2）建立基于功能表面的功能過程模型。先將割草機(jī)總功能分解到功能元，并建立其功能樹，如圖8所示。隨后，基于割草機(jī)的功能元，先分析割草機(jī)的人機(jī)交互作用以得到人的功能元，再建立基于功能表面的割草機(jī)功能過程模型，如圖9所示。在割草機(jī)工作過程中，用戶先按壓機(jī)頭旋轉(zhuǎn)按鈕以調(diào)整刀頭的角度，再打開開關(guān)，同時(shí)握住手柄、輔助手柄以及調(diào)速按鍵，最后移動(dòng)手柄以切割雜草/樹枝。

圖8 電動(dòng)割草機(jī)功能樹Fig.8 Functional tree of electric lawn mower

圖9 基于功能表面的電動(dòng)割草機(jī)功能過程模型Fig.9 Functional process model of electric lawn mower based on functional surfaces

3）確定初始問題功能元。當(dāng)割草機(jī)工作一段時(shí)間后，可能會(huì)出現(xiàn)草坪/樹枝修剪不整齊，操作者上肢、腰部疲勞等問題。確定“割好的草坪/樹枝”為問題輸出流，即“移動(dòng)手柄、割草/樹枝”人機(jī)功能元出現(xiàn)了問題，由此確定該人機(jī)功能元為初始問題功能元。

4）對(duì)“移動(dòng)手柄、割草/樹枝”人機(jī)功能元進(jìn)行可拓分析，分析其實(shí)現(xiàn)原理、結(jié)構(gòu)以及與人的作用關(guān)系，并對(duì)其進(jìn)行可拓表達(dá)，可表示為：

由初始問題功能元的可拓表達(dá)式可知：①“移動(dòng)手柄”功能元出現(xiàn)問題，屬于人為失誤；②執(zhí)行“割草/樹枝”功能元的機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問題，將其列為備選問題功能元選項(xiàng)1；③“移動(dòng)手柄、割草/樹枝”人機(jī)功能元出現(xiàn)問題，屬于產(chǎn)品機(jī)構(gòu)不滿足人機(jī)交互要求問題，將其列為備選問題功能元選項(xiàng)2。

5）確定備選問題功能元、問題輸入流。若“移動(dòng)手柄、割草/樹枝”人機(jī)功能元的輸入流為問題輸入流，則問題功能元轉(zhuǎn)換到其上一個(gè)功能元，即“調(diào)節(jié)擋位、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩”人機(jī)功能元以及“按壓機(jī)頭旋轉(zhuǎn)按鈕、調(diào)整刀頭角度”人機(jī)功能元。對(duì)轉(zhuǎn)換的問題功能元進(jìn)行可拓表達(dá)，表示為：

構(gòu)建上述備選問題功能元的相關(guān)分析網(wǎng)，以分析備選問題功能元的相關(guān)性，并結(jié)合問題功能元的可拓表達(dá)，確定備選問題功能元選項(xiàng)。割草機(jī)備選問題功能元的相關(guān)分析網(wǎng)如圖10所示。

圖10 電動(dòng)割草機(jī)問題功能元相關(guān)分析網(wǎng)Fig.10 Correlation analysis network for problem function elements of electric lawn mower

由備選問題功能元的可拓表達(dá)和相關(guān)分析可知：①“調(diào)節(jié)擋位”功能元出現(xiàn)問題，屬于人為誤操作；②“調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩”功能元對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問題，將其列為備選問題功能元選項(xiàng)3；③“調(diào)節(jié)擋位、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩”人機(jī)功能元出現(xiàn)問題，屬于產(chǎn)品機(jī)構(gòu)不滿足人機(jī)交互要求問題，將其列為備選問題功能元選項(xiàng)4；④“調(diào)節(jié)擋位、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩”人機(jī)功能元以及“移動(dòng)手柄、割草/樹枝”人機(jī)功能元為串聯(lián)關(guān)系，操作者既要調(diào)節(jié)擋位，又要移動(dòng)手柄，產(chǎn)品使用不滿足人機(jī)交互順序，將其列為備選問題功能元選項(xiàng)5；⑤“按壓機(jī)頭旋轉(zhuǎn)按鈕”功能元出現(xiàn)問題，導(dǎo)致機(jī)頭角度沒調(diào)節(jié)好，屬于人為誤操作；⑥“調(diào)整刀頭角度”功能元對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問題，將其列為備選問題功能元選項(xiàng)6；⑦“按壓機(jī)頭旋轉(zhuǎn)按鈕、調(diào)整刀頭角度”人機(jī)功能元出現(xiàn)問題，屬于產(chǎn)品機(jī)構(gòu)不滿足人機(jī)交互要求問題，將其列為備選問題功能元選項(xiàng)7；⑧“按壓機(jī)頭旋轉(zhuǎn)按鈕、調(diào)整刀頭角度”人機(jī)功能元以及“移動(dòng)手柄、割草/樹枝”人機(jī)功能元為串聯(lián)關(guān)系，但兩者不是同時(shí)進(jìn)行，相互影響小，不作為備選問題功能元選項(xiàng)。

6）確定最終問題功能元。根據(jù)上述分析結(jié)果，匯總割草機(jī)的所有備選問題功能元選項(xiàng)，如表1所示。

表1 電動(dòng)割草機(jī)的備選問題功能元Table 1 Alternate problem function elements of electric lawn mower

通過分析割草機(jī)備選問題功能元的產(chǎn)生可能性、可控性以及人機(jī)交互的舒適度，結(jié)合問題表象判斷備選問題功能元選項(xiàng)2和5是導(dǎo)致人體疲勞以及切割效率低的主要問題功能元，由此確定最終問題功能元為“移動(dòng)手柄、割草/樹枝”人機(jī)功能元以及“調(diào)節(jié)擋位、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩”人機(jī)功能元。

4.2 沖突區(qū)域的確定

確定的最終問題功能元為“移動(dòng)手柄、割草/樹枝”人機(jī)功能元以及“調(diào)節(jié)擋位、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩”人機(jī)功能元。基于上述問題功能元，建立基于功能表面的割草機(jī)功能關(guān)系模型，如圖11所示。

圖11 基于功能表面的電動(dòng)割草機(jī)功能關(guān)系模型Fig.11 Functional relationship model of electric lawn mower based on functional surfaces

利用所構(gòu)建的割草機(jī)功能關(guān)系模型，初步確定初始沖突區(qū)域：刀頭與雜草/樹枝之間的不良作用、手與手柄之間的不良作用。對(duì)初始沖突區(qū)域中的元件和不良作用進(jìn)行可拓表達(dá)，分別表示為：

通過對(duì)初始沖突區(qū)域的可拓分析，得到?jīng)_突區(qū)域涉及以下問題：1）刀頭材料、角度以及幾何形狀等導(dǎo)致容易卷草；2）雜草自身較為柔軟，切割后容易倒在刀頭上，影響后續(xù)切割；3）伸縮桿較長(zhǎng)，不易控制整機(jī)高度和角度；4）人手要承受整機(jī)重量；5）操作動(dòng)作不易控制力度；6）受到割草機(jī)作業(yè)時(shí)振動(dòng)的影響。基于上述分析，構(gòu)建割草機(jī)初始沖突區(qū)域的因果蘊(yùn)含分析圖，如圖12所示。圖中：B=（刀頭，切割效率，低）；B1=（刀頭，結(jié)構(gòu)，易卷草）；B2=（草，受力，易倒）；B3=（刀頭，高度和角度，不易控制）；B4=（刀頭，形狀，易卷草）；B5=（刀頭，角度，易傾斜）；B6=（伸縮桿，長(zhǎng)度，過長(zhǎng)）；B7=（刀頭，受力，不均）；B8=（手，施力，過度）；B9=（手柄、輔助手柄，承受重量，過大）。

圖12 電動(dòng)割草機(jī)初始沖突區(qū)域的因果蘊(yùn)含分析圖Fig.12 Causal containment analysis diagram of initial conflict zones of electric lawn mower

經(jīng)過因果蘊(yùn)含分析可知，造成割草效率低的關(guān)鍵問題為B2、B4、B5、B6、B9，采用優(yōu)度評(píng)價(jià)法對(duì)上述5個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行評(píng)價(jià)，篩選出最關(guān)鍵的問題。

1）確定衡量指標(biāo)。根據(jù)割草機(jī)的使用情況和專家建議，得到4個(gè)最具代表性的指標(biāo)。設(shè)衡量指標(biāo)集J={J1,J2,J3,J4}={切割效率，舒適度，可控性，性能提升度}。

2）確定權(quán)重系數(shù)。采用德爾菲法評(píng)價(jià)割草機(jī)設(shè)計(jì)方案的衡量指標(biāo)。確定4個(gè)衡量指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)分別為：α1=0.4，α2=0.3，α3=0.1，α4=0.2。

3）首次評(píng)價(jià)。首次評(píng)價(jià)的目的是去除不滿足必要條件的對(duì)象。由于雜草的屬性不屬于人機(jī)工程問題研究范圍，且不滿足可控性的要求，因此將問題B2排除。

4）建立關(guān)聯(lián)函數(shù)并計(jì)算關(guān)聯(lián)度。假定割草機(jī)的切割效率、舒適度、可控性和性能提升度對(duì)應(yīng)的量值區(qū)間均為[0, 10]，量值越大，說明衡量指標(biāo)的特征越明顯。通過分析得到4個(gè)關(guān)鍵問題的衡量指標(biāo)的量值，如表2所示。

表2 電動(dòng)割草機(jī)關(guān)鍵問題衡量指標(biāo)的量值Table 2 Measurement indicator values of key problems for electric lawn mower

根據(jù)關(guān)聯(lián)度Ki=(Ki(B1),Ki(B2), …,Ki(Bm))(i=1, 2, …,l)，可得關(guān)鍵問題B4、B5、B6、B9關(guān)于各衡量指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度分別為：K1=(6, 5, 7, 8)，K2=(4, 4, 6, 9)，K3=(4, 7, 8, 7)，K4=(6, 5, 5, 8)。

5)計(jì)算關(guān)鍵問題的優(yōu)度。由C(Bj)=(α1,α2, …,αl)(K1(B1),K2(B2), …,Ki(Bj))T(i=1, 2, …,l;j=1, 2, …,m)可得：C(B4)=0.63，C(B5)=0.59，C(B6)=0.77，C(B9)=1.00。

優(yōu)度越大，說明問題越關(guān)鍵。由此確定最關(guān)鍵的問題為B9，即最終沖突區(qū)域在人手與手柄、輔助手柄之間。

4.3 不良作用的求解

通過分析可知，割草機(jī)的割草效率低，有時(shí)甚至出現(xiàn)無法割到草的最終沖突區(qū)域確定在人手與手柄、輔助手柄之間。操作者通過2個(gè)手柄控制刀頭的切割高度和角度，將沖突區(qū)域轉(zhuǎn)化為物質(zhì)-場(chǎng)模型，得到操作者與手柄、輔助手柄之間的非充分交互作用，如圖13所示。

圖13 操作者與電動(dòng)割草機(jī)手柄之間的物質(zhì)-場(chǎng)模型Fig.13 Matter-field model between operator and electric lawn mower handle

若要解決操作者對(duì)割草機(jī)手柄的非充分交互作用，可以選擇1類或2類標(biāo)準(zhǔn)解進(jìn)行求解。例如1.1.3標(biāo)準(zhǔn)解法3：在手柄不變的情況下，可以在刀頭或伸縮桿上設(shè)置1個(gè)可調(diào)節(jié)支架，在支撐割草機(jī)重量的同時(shí)可以控制切割高度，使得操作者只通過手柄即可控制切割角度，從而實(shí)現(xiàn)有效的交互作用。2.1.2標(biāo)準(zhǔn)解法15：在不添加新元件的基礎(chǔ)上，利用人力和驅(qū)動(dòng)力共同控制割草機(jī)的移動(dòng)速度和范圍。

在運(yùn)用1類、2類標(biāo)準(zhǔn)解對(duì)不良作用進(jìn)行求解后，利用3類標(biāo)準(zhǔn)解完善上述方案。根據(jù)3.1.1標(biāo)準(zhǔn)解法37，共得到4種可解決手與手柄之間不良交互問題的設(shè)計(jì)方案。方案Z1：在伸縮桿上添加可拆卸的支架和輔助輪，支架高度可調(diào)，割草機(jī)刀頭設(shè)置成可左右旋轉(zhuǎn)的刀頭，將輔助手柄設(shè)計(jì)為三面可抓握的手柄。方案Z2：在伸縮桿兩側(cè)添加雙輔助輪，在伸縮桿中添加電動(dòng)裝置，以人力和電力共同驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)切割高度。方案Z3：在刀頭下方添加輔助輪，加大調(diào)速開關(guān)的手握面積，同時(shí)設(shè)置雙鎖定開關(guān)，便于用戶調(diào)速和鎖定。方案Z4：在輔助手柄和手柄上同時(shí)加裝減振裝置，刀頭兩側(cè)添加可拆卸輔助輪。

應(yīng)用優(yōu)度評(píng)價(jià)法對(duì)上述4種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，以篩選最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

1）確定衡量指標(biāo)。同樣，根據(jù)割草機(jī)的使用情況和專家建議，設(shè)衡量指標(biāo)集J={J1,J2,J3,J4}={切割效率，舒適度，可控性，性能提升度}。

2）確定權(quán)重系數(shù)。采用德爾菲法評(píng)價(jià)割草機(jī)各設(shè)計(jì)方案的衡量指標(biāo)。確定4個(gè)衡量指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)分別為：α1=0.4，α2=0.3，α3=0.1，α4=0.2。

3）首次評(píng)價(jià)。割草機(jī)的切割效率是必要條件，上述4種方案均滿足此條件。

4）建立關(guān)聯(lián)函數(shù)并計(jì)算關(guān)聯(lián)度。假定割草機(jī)的切割效率、舒適度、可控性和性能提升度對(duì)應(yīng)的量值區(qū)間為[0, 10]，量值越大，說明衡量指標(biāo)的特征越明顯。通過分析得到4個(gè)方案的衡量指標(biāo)的量值，如表3所示。

表3 電動(dòng)割草機(jī)各設(shè)計(jì)方案衡量指標(biāo)的量值Table 3 Measurement indicator values of each designscheme for electric lawn mower

由關(guān)聯(lián)度Ki=(Ki(Z1),Ki(Z2), …,Ki(Zm))(i=1, 2, …,l)可知，設(shè)計(jì)方案Z1、Z2、Z3、Z4關(guān)于各衡量指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度為：K1=(8, 6, 5, 7)，K2=(6, 6, 4, 5)，K3=(7, 5, 8, 6)，K4=(9, 7, 6, 8)。

5)計(jì)算各設(shè)計(jì)方案的優(yōu)度。由C(Zj)=(α1,α2, …,αl)(K1(Z1),K2(Z2), …,Ki(Zj))T(i=1, 2, …,l;j=1, 2, …,m)可得：C(Z1)=0.98，C(Z2)= 0.84，C(Z3)=0.70，C(Z4)=0.90。

優(yōu)度越大，割草機(jī)的切割效率越高且用戶體驗(yàn)越好，最終確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案為Z1，如圖14所示。

圖14 改進(jìn)后的電動(dòng)割草機(jī)Fig.14 Improved electric lawn mower

4.4 方案評(píng)價(jià)

1）舒適度評(píng)價(jià)。

利用虛擬仿真軟件Jack中的Comfort Assessment分析工具對(duì)改進(jìn)前后電動(dòng)割草機(jī)的使用舒適度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖15所示。同時(shí)，利用OWPA工具對(duì)電動(dòng)割草機(jī)的作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖16所示。

圖15 改進(jìn)前后電動(dòng)割草機(jī)的舒適度對(duì)比Fig.15 Comparison of comfort of electric lawn mower before and after improvement

圖16 改進(jìn)前后電動(dòng)割草機(jī)的作業(yè)姿勢(shì)對(duì)比Fig.16 Comparison of working posture of electric lawn mower before and after improvement

通過對(duì)改進(jìn)前后的電動(dòng)割草機(jī)進(jìn)行虛擬仿真對(duì)比分析可知，由于加入了可拆卸輔助輪，操作者可以單手控制手柄進(jìn)行推進(jìn)式割草，無需承受割草機(jī)的重量，且還能有效控制切割高度，舒適度明顯提升，且作業(yè)姿勢(shì)也更加符合人機(jī)交互要求。

2）切割效率評(píng)價(jià)。

改進(jìn)前電動(dòng)割草機(jī)的整機(jī)質(zhì)量約為2.35 kg，在操作過程中人手不僅要承受整機(jī)重量，還要控制切割高度和角度，時(shí)間越久切割效率越低。加裝可拆卸輔助輪后，操作者在進(jìn)行推進(jìn)式切割的同時(shí)可三面抓握輔助手柄，有助于推進(jìn)式切割和移動(dòng)式切割交替進(jìn)行，單位時(shí)間內(nèi)切割面積增大且切割速度加快，效率明顯提高。

3）可控性評(píng)價(jià)。

改進(jìn)前，電動(dòng)割草機(jī)的機(jī)身長(zhǎng)度為90～120 cm，操作者不易控制刀頭的高度和角度，切割平整度較低。改進(jìn)后，加裝的輔助輪有助于控制切割高度和平整度，可旋轉(zhuǎn)刀頭利于切割樹枝，三面可抓握的輔助手柄適用于不同操作姿勢(shì)，可控性顯著提高。

4）性能提升評(píng)價(jià)。

改進(jìn)前，電動(dòng)割草機(jī)的輔助手柄不利于橫向發(fā)力，切割效率隨時(shí)間不斷下降，切割平整度極差，刀頭不適用于垂直切割。改進(jìn)后，刀頭可實(shí)現(xiàn)4個(gè)方向上的角度調(diào)節(jié)，適用于多種切割方式；同時(shí)，改進(jìn)的手柄和輔助輪提升了切割效率、平整度和穩(wěn)定性，有效提高了產(chǎn)品的人機(jī)交互性能。

5 結(jié) 論

1）以人機(jī)交互為主要研究出發(fā)點(diǎn)，采用功能表面和可拓工具研究人機(jī)工程問題的沖突區(qū)域。一方面，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品沖突區(qū)域確定方法，所提出的方法增加了人機(jī)交互沖突區(qū)域的研究；另一方面，相比于虛擬仿真、圖像分析等方法，所提出的方法更加全面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人機(jī)交互和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的一體化研究。

2）在功能過程模型和功能關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，利用功能表面驅(qū)動(dòng)，對(duì)問題功能元進(jìn)行可拓表達(dá)及相關(guān)分析，使得最終問題功能元的確定更加具有方向性和邏輯性。通過功能表面構(gòu)建人機(jī)功能關(guān)系模型，并利用蘊(yùn)含分析確定最終的沖突區(qū)域，提高了最終沖突區(qū)域確定的精確性。

3）將可拓學(xué)工具中的優(yōu)度評(píng)價(jià)、相關(guān)分析和因果蘊(yùn)含分析等融合到基于功能表面的人機(jī)沖突區(qū)域確定過程中，提高了形式化程度，且易于算法化，為TRIZ、可拓學(xué)和功能表面的融合提供了新思路。

4）相關(guān)研究還有待開展，以進(jìn)一步推進(jìn)交互式產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。如：本文將沖突區(qū)域轉(zhuǎn)換為物質(zhì)-場(chǎng)模型，主要考慮傳統(tǒng)的場(chǎng)對(duì)人的作用，而缺少對(duì)廣義場(chǎng)中其他場(chǎng)對(duì)人的作用關(guān)系的研究；人機(jī)工程問題優(yōu)度評(píng)價(jià)指標(biāo)的深入研究等。