基于參數化思維的個性化定制產品設計研究

吳瑜 鄭其羽 李慶楠

摘要：針對日益增長的個性化定制需求對產品設計提出的挑戰，探索將參數化思維應用于個性化定制產品設計的流程和方法。首先，分析了傳統設計與參數化設計的特點，調研了個性化定制產品設計的需求，分析了將參數化思維應用與產品個性化定制設計的可行性，其次，提出了將參數化思維應用于個性化定制產品設計的流程和方法。最后，以個性化定制方向盤設計為例，應用得到的設計流程和方法進行方案設計。用戶對最終設計方案反饋良好。提出個性化定制產品設計流程與方法得到了較好驗證。將參數化思維應用于個性化定制產品設計能夠較好地彌補傳統設計流程和方法的缺陷，所提出的設計方法可以為將參數化思維應用于個性化定制產品設計提供一定的指導依據。

關鍵詞：參數化設計 參數化思維 個性化定制 方向盤設計 產品設計

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2023）21-0119-04

Abstract：In view of the challenges posed by the increasing demand for personalized product design，explore the process and method of applying parametric thinking to personalized product design. Firstly，the characteristics of traditional design and parametric design are analyzed，the needs of personalized customized product design are investigated，the feasibility of applying parametric thinking and product personalized design is analyzed，and secondly，the process and method of applying parametric thinking to personalized customized product design are proposed. Finally，taking the personalized steering wheel design as an example，the obtained design process and method are applied to the scheme design.User feedback on the final design is good. The design process and method of personalized customized products were well verified. The application of parametric thinking to personalized customized product design can better make up for the shortcomings of traditional design processes and methods，and the proposed design method can provide a certain guiding basis for applying parametric thinking to personalized customized product design.

Keywords：Parametric design Parametric thinking Personalized customization Steering wheel design Product design

引言

隨著體驗經濟時代的到來，用戶對待產品的需求不再僅僅停留在功能的改良優化層面[1]，產品的多樣化、定制化需求應運而生。定制化產品要求針對不同用戶提供不同的參數、尺寸、外觀、甚至功能，這對傳統的設計模式提出了新的挑戰。參數化設計的發展使原來不可能實現的復雜結構與形式得以呈現，為個性化定制產品設計提供了新的思路和可能性。[2，3]個性化定制涉及到大量的個性化數據，參數化的思維正適合對其進行管理和應用。而現階段個性化定制和參數化思維模式之間的對應關系尚不明確，應用方法與流程尚不完善。因此，本研究旨在總結和歸納出一套將參數化思維應用于個性化產品定制的設計流程和方法，為設計和生產提供參考。

一、參數化設計概述

（一）參數化設計概念

參數化設計在實際的應用分為兩種，一種是應用參數化工具替代傳統計算機輔助設計工具，使產品外觀具有參數化形態；另一種是運用參數化的思維，將參數化的理念應用于整個設計流程之中。一般情況下，參數化設計指代一種設計思維方式，而不是運用某種軟件或者某種建模技術[4]。

參數化思維把參數化應用于設計的全過程，指導設計師以參數化的思維處理設計問題，挖掘設計的多種可能性。設計師通過將個人思維進行梳理，再對設計相關數據進行參數化處理并建立起聯系，使設計師在設計全過程中將重心放在產品的整體邏輯構建和創新推理上 [5]。應用參數化思維的設計流程是將設計的步驟轉化為可視的、“可編程的”邏輯單元，并建立起關聯和約束，設計流程中的每一步應該是基于參數、環環相扣的。

（二）參數化設計特點

1.數據驅動的設計方式

傳統的產品設計流程中，推動設計進行的一般為設計師的主觀判斷，因此，設計的風格和質量容易受到設計師的主觀審美，設計經驗等因素的影響。參數化設計一般是由數據（參數）驅動的，設計全程以重要參數為基，將需求轉化為邏輯單元，并構建參數化模型。基于參數化思維的設計更多關注問題和需求本身，受到設計師的主觀判斷和經驗的影響較小。

2.非線性的設計流程

傳統的設計流程一般是線性的，其中根據不同的需求，在不同階段會進行方案的評審，若評審未達標則需返回上一步甚至推倒重來，是一種自上而下的設計流程[6]。參數化設計的設計流程是非線性的，往往在設計初期就完成了設計主體的構建和推敲。由于參數化設計將不同的需求轉化為參數化邏輯單元，而不同的模塊之間具有相互關聯或約束的邏輯關系。因此在后期修改時，只需要修改對應的位置，整體就會自適應地進行變化，大大提升了設計的效率和容錯率[7]。

3.合乎邏輯的設計形態

設計的形態一般由客觀需求推導而出，但在傳統設計中，設計形態不可避免地受到設計師主觀審美的影響。參數化設計的產品形態往往更加聚焦與產品功能和需求本身，參數化設計具備強大工具可以完成如拓撲優化、隨機采樣、仿真模擬、多目標優化等靠設計師人力難以完成的工作，因此，參數化設計的形態往往呈現出數理邏輯性、富有律動感、非線性等特點。

二、參數化思維應用于個性化定制產品設計的可行性研究

（一）個性化定制產品需求調研

由于參數化設計數據驅動的特性，因此，本文主要選取個性定制產品中需要與人體進行接觸的，可以提取并利用到人體相關參數，造型本身具備功能性的個性定制化產品進行研究。

筆者選取了7位有意向購買或正在使用個性化定制產品的用戶進行深度訪談，通過設置問答環節，半結構式訪談環節，收集并整理歸納得到了個性化定制用戶對個性化定制產品的需求和期望，結果見表1。

（二）產品的個性化定制需求

1.個性化尺寸需求

得益于人機工學的發展，目前絕大多數的產品的尺寸設計都可以覆蓋全人群的人體數據，讓大部分人都可以進行使用。但是覆蓋性廣的前提是犧牲了舒適性和針對性，特別是對于對人體部位具有支撐作用的產品來說，由于不同個體的人體尺寸參數不一樣，因此應用了人機工學的尺寸設計有時反而會讓產品原本的功能弱化甚至失效。

2.產品的個性化功能結構需求

除了更加個性化的尺寸和造型需求，個性化定制產品的功能性、舒適性往往還與個體用戶的使用習慣息息相關。目前，市面上有許多應用了人機工學的，用于規范或引導用戶建立更加正確的使用習慣，但由于個體用戶本身的使用習慣和身體尺寸參數差異，設定好的產品形態規范和引導方式往往難以起到應有的效果。

3.產品的快速修改和調整需求

對于個性化定制產品來說，同一概念的產品進行適應性、針對性的調整和修改較為困難，修改尺寸和造型意味著模型需重新構建。因此需要一種能夠在設計后期通過修改相關參數，即可完成相應設計更改的方法。

（三）參數化思維應用于產品個性化定制設計的可行性分析

明確了目前的個性化定制需求后，可以發現參數化設計的思維方式和設計手段，都可以較好地滿足產品個性化定制設計的需求。針對個性化尺寸需求，可以通過采集人體相關數據的方式并應用與后續設計的方式滿足；針對產品的個性化功能結構需求，參數化設計手段可以通過不同的算法，對原型的結構，形態進行修改以滿足設計需求；針對產品的快速修改和調整需求，由于參數化思維要求設計初期構建邏輯關聯模型，因此，在后期調整和修改上，只需要修改部分腳本或參數，即可快速生成相應的模型，滿足其需求。綜上所述，將參數化思維應用于產品個性化定制設計可以較好的滿足其設計需求，具有較大的可行性。

三、基于參數化思維的個性化定制產品設計流程與方法

（一）基于參數化思維的個性化定制產品的設計流程

對于基于參數化思維的個性化定制產品來說，需要大量的個體參數參與到整個設計流程之中，因此區別于傳統的設計和一般的參數化設計流程，應用參數化思維的個性化定制設計流程需要合理地對參數進行部署和規劃，因此將設計流程按照參數為線索，分為3個階段：參數的選定、參數的采集和轉化、參數的應用3個部分。基于參數化思維的個性化定制產品的設計流程如圖1。

1.參數的選定階段

本階段的首要目的是確定后續設計中所需參數的種類和性質，為此首先需要對個性化定之前的產品特征進行提取和確定，以對產品本身有一個明確的認知，確定產品基本的功能、結構、造型。其次需要采集個體用戶的需求，以明確個性化的設計方向。結合以上內容，確定關鍵的設計指標。并以合理的方式構建邏輯關聯模型，將產品特征、用戶需求和關鍵指標等要素進行關聯。在完成模型的構建后，即可得到目前缺失的，需要采集的參數，為下一階段的采集與轉化提供方向。

2.參數的采集與轉化階段

本階段主要對個體差異化參數進行采集和轉化，首先需要判斷缺失的參數是否有相關的參數可以進行替代或補充。確定需要采集后，首先要明確采集方式，并進行采集。采集后的數據往往無法直接進行應用，因此需要采取合理的方式對數據進行轉化。最終得到可以輸入到模型中的參數形式，供后續使用。

3.參數的運用階段

本階段需要應用參數產出設計結果。首先將參數帶入到前期構建的模型中，即可獲得設計方案，通過一定的方式進行評估后，判斷是否滿足用戶需求和設計需求，若不滿足，則返回邏輯模型構建階段，對邏輯模型進行微調。調整后，再次判斷是否需要采集新的數據，若不需要可直接將原有數據帶入到模型中，并對得到的設計方案再次評估，直到滿足設計需求。

（二）基于參數化思維的個性化定制產品的設計方法

目前，關于參數化思維應用于個性化定制設計的方法目前研究尚不完善，本文主要針對其設計實施階段的邏輯關聯模型構建、個體差異化參數的采集和轉化兩個階段提出可供參考的設計方法。

1.個性化定制產品邏輯關聯模型構建方法

由于個性化定制產品造型本身具備功能性的特性，因此產品造型和功能往往隨著個體尺寸的變化而變化，這樣的變化在整體上符合個體人體對應部位的形態和尺寸，在局部上變化和個體用戶的使用習慣、息息相關。體現在設計中，基于參數化思維，可以將絕大部分該品類的個性定制化產品分解為形態變化層、功能結構層兩個部分。

形態變化層：由于個體之間人體參數的差異，個性化定制產品在形態上應進行相應的變化以適應用戶的各項身體參數。因此，首先構建邏輯模型，邏輯模型沒有確定的形態，輸入不同的參數都可以生成不同的形態。

功能結構層：對于個性化定制產品而言，個人的使用習慣會對產品的功能和結構提出差異化的要求。在個性化形態確定的情況下，可以通過改變產品的局部結構來適應不同個體的使用習慣。為了實現產品局部功能和結構性能的調整，首先需要將產品進行UV細分，將產品劃分成數量眾多的晶格結構，并設計一系列性能不同的晶格單元用于后續的填充。

在對產品進行以上兩個層級的轉化后，即可在相關軟件中以較為清晰的思路構建產品的形態與功能的邏輯模塊。并通過適當的方式完成不同邏輯模塊的關聯和約束，完成產品邏輯關聯模型的構建。

2.個體差異化參數的采集與轉化方法

（1）形態變化層參數采集和轉化方法

在參數采集的過程中，由于人體結構的復雜性、不同狀態下的差異性等因素，從而對個體參數的采集提出了較大的挑戰。而隨著逆向工程技術的發展，目前可以利用nerfstudio快速、準確、便捷地掃描三維實體，并提供較高質量的點云和mesh面重建模型，為個體相關部位參數的采集提供了一個較好的解決方案。

在進行采集時，設計師首先需要準備好用于采集數據的產品原型，并設定好用戶采集的狀態等變量，這是由于人體在不同的狀態下，所呈現的身體形態、肌肉狀態等都呈現出不同的傾向。如以放松的狀態依靠產品或以標準的坐姿依靠產品，兩種形態下就會采集到完全不同的參數。在布置完成后，即可對個體對應的部位進行掃描，通過一定的數據預處理，即可得到所需的點云或三角面模型。得到的模型由于計算機算力限制往往會有部分噪點，在通過部分三角面優化軟件如meshlab等工具的處理之后，就可以得到可用于參數化設計的人體部位模型。隨后可基于模型完成產品原型造型的修改和調整。

（2）功能結構層參數采集和轉化方法

功能結構層參數的采集和轉化，其實就是對于個體用戶使用習慣的采集和轉化，對于不同的產品來說，由于使用方式的不同，對應的使用習慣數據采集方式也會有較大的差異。對使用習慣參數進行采集，首先需要定義所需采集的內容以及采集規則。在定義采集所需參數時，需要根據產品的功能以及使用方式進行針對性的研究。如腰枕類的產品所需提取的就是用戶在一定規則下對腰枕施加的壓力分布、腰部姿態等；持握類產品就需要根據設計需求采集用戶持握產品時手部姿勢、壓力分布數據等。在定義采集規則時，需要規定用戶以一定的狀態完成一定的動作，這是由于習慣不是一個形態或動作可以描述的，因此需要記錄一段時間內用戶的行為和觸點的數據，并將其整理成為熱點圖、壓力分布圖[8，9]等可應用于后續設計的參數形式。

四、設計實踐

汽車是人們出行的重要代步工具之一，方向盤作為駕駛員在汽車駕駛過程中接觸時間最長、使用頻率最高的部件，其設計的好壞直接影響駕駛員的駕駛舒適度、操作便捷性以及駕駛安全性。隨著體驗經濟時代的到來，用戶對待產品的需求不再僅僅停留在功能的改良優化層面，方向盤的設計被寄予更多個性化期待。因此，本研究以方向盤為設計對象，應用上述個性化定制產品設計流程，展開設計實踐。

（一）參數的選定階段

1.個性化定制方向盤的功能與需求分析

在設計初期階段，首先對用戶痛點進行了采集，主要可以涵蓋為以下幾點：（1）由于長時間握持方向盤導致的手部出汗，一方面會影響駕駛員的駕駛體驗，同時會形成一定的安全隱患。（2）在夏季或冬季，方向盤表面溫度會因為太陽的照射或季節溫度變得非常極端，影響駕駛員的正常持握。（3）方向盤的尺寸和直徑設計可供絕大部分人使用，但對于個體來說并不是最合適和舒適的，個性化定制用戶更希望得到絕佳的持握體驗。可以總結得到用戶希望定制化方向盤在能夠提升手部握持舒適度的基礎上，解決目前方向盤散熱性差的問題。

將痛點進行轉化后，可以得到幾個關鍵參數指標：（1）針對手部出汗，方向盤表面溫度的指標：透氣（散熱）性。（2）為方向盤穩定使用提供保障的基礎性能：支撐性。（3）方向盤與用戶的貼合程度，持握手感等的綜合指標：舒適性。

2.個性化定制方向盤的邏輯關聯模型構建

在進行方向盤的邏輯關聯模型構建時，考慮到對于不同的個體來說，方向盤輪緣不同位置的使用時間，使用意圖各不相同，因此輪緣的不同位置需要具備對應的功能、結構性。因此關聯模型的構建采用uv網格細分的方式，并通過將不同性能的晶格結構填充至uv網格內的形式，完成方向盤不同位置的個性化性能需求。在模型中，輸入源為形態變化層以及晶格結構，可變參數為uv細分疏密、晶格結構的桿件粗細和結果精確度。邏輯模型見圖2。

在完成邏輯關聯模型的構建后，即可得到需要采集的相關參數為：個體手部模型參數、個體使用習慣參數。

（二）參數的采集與轉化階段

1.方向盤個體形態參數采集與形態變化層模型構建

為了構建最符合個體用戶的定制方向盤尺寸和形態，首先要對用戶的個體尺寸進行采集，這里采用三維掃描重建的方式捕獲用戶手部模型，并在此基礎上，對方向盤輪緣的直徑，方向盤的局部形態進行變化。由于用戶雙手不同的持握習慣，因此方向盤模型最終呈現非對稱的樣式。手部掃描圖和形態變化層模型如圖3。

2.方向盤個體使用習慣參數采集和轉化

對于用戶習慣參數的采集，筆者首先記錄了用戶在實驗目標的情況下駕駛時使用方向盤的情況，之后，要求用戶在不同狀態下完成駕駛目標，并記錄用戶使 用方向盤的情況。將視頻數據整理轉化后，可以將方向盤功能結構層分為3個功能區：轉向區、握持區和支撐區。對于此用戶來說，轉向區只有在進行轉向時會觸及，觸及時需要施加適量的壓力，因此性能上要求透氣性和舒適性尚可，支撐性良好。持握區是用戶在方向盤上停留較久的區域，要求舒適性、透氣性較強，支撐性尚可。支撐區是支撐方向盤和增加方向盤配重等功能的區域，用戶一般不會觸及，對透氣性和舒適性沒有特定的要求，要求支撐性較強。功能分區如圖4。

（三）方案設計和評估階段

在完成個體數據的采集后，就可以根據轉化得到的性能需求，進行晶格結構的篩選，篩選出性能合適的若干晶格結構后，將其填充至對應區域中即可完成方案設計，產出了一系列初始方案。在完成設計方案后，進行了模擬驗證，手部模型與方向盤模型貼合度加好，性能符合設計預期。3D打印局部模型后，用戶使用反饋持握區域的舒適性有待提高，因此，重新返回邏輯模型設計階段，修改了單元模塊的設計，判斷不需要進行進一步的參數采集。重新填充并打印后，用戶對設計較為滿意，部分初始方案和最終方案如圖5。該結果表明，本研究提出的基于參數化思維的個性化定制產品設計流程和方法能夠較好地滿足個性化定制產品設計的需求，并在調整和修改方面具有較大優勢。

結論

在經濟水平不斷提高的背景下，人們越來越多地開始關注產品使用體驗，個性化產品定制需求亟待解決，而傳統設計方法和思維難以有效地應用到個性化定制產品之中，本文結合參數化思維，為個性化定制產品設計整理出了一套具有一定泛用性的設計流程和方法，并在乘用車方向盤上進行了設計實踐，驗證了流程和方法的可行性，為個性化定制產品的設計研究提供了新的思路。

基金項目：湖北省引進外國人才和智力項目（2022EJD033）；武漢理工大學優秀青年團隊（2023IVB084）

參考文獻

[1]梅濤，孫穎瑩，夏芒.汽車內飾參數化設計方法研究[J].設計，2022，35（10）：125-128.

[2]王兆豐. 參數化設計在概念汽車表皮中的應用研究[D].西南交通大學，2014.

[3]肖含月，李禹臻，張芷茉.3D打印技術在個性化定制產品中的應用研究——以手工口紅定制設計為例[J].設計，2018（13）：116-118.

[4]伍德伯里孫澄，姜宏國，殷青.參數化設計元素：Elements of parametric design[M].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[5]王妍，李卓.基于參數化設計的數據邏輯思維研究[J].設計，2019，32（15）：65-67.

[6]宋健.個性化需求下的產品參數化設計方法理論研究[J].家具與室內裝飾，2018（05）：18-19.

[7]鄧衛斌，王彤彤，葉航.基于參數化思維的產品創新設計方法[J].包裝工程，2022，43（08）：76-84.

[8]崔強. 參數化設計在工業產品設計中的應用研究[D].北京工業大學，2018.

[9]束曉永，李呈祥，孫文.基于參數化的騎行頭盔定制設計研究[J].設計，2022，35（04）：132-135.