基于Kano-FAST-E的鞋面壓合機優化設計

周紅宇，張林涵，劉津圻，姜雯馨，薛爽

【設計研討】

基于Kano-FAST-E的鞋面壓合機優化設計

周紅宇，張林涵，劉津圻，姜雯馨，薛爽

（湖北工業大學 工業設計學院，武漢 430068）

降低鞋面壓合機設備作業過程中的失誤率、優化人機交互體驗。基于Kano模型調研分析作業人員與企業經理對當前設備的使用感受及需求；利用FAST理論重新定義設備的功能區域并指導設計展開；基于人機工程學理論（E），對設計方案的功能布局和結構尺寸進行優化，提升人機操作效率；利用眼動試驗對改進前后的功能布局進行對比分析驗證，并借助李克特量表對設計方案進行用戶滿意度評價。完成鞋面壓合機的優化設計實踐，提升了設備的人機性能和用戶滿意度，有效提高了作業人員認讀效率、減少視覺疲勞和錯誤操作。改進后的鞋面壓合機賦予了工人更加安全、高效且人性化的操作模式，驗證了Kano-FAST-E的設計策略對該設備的人機優化設計具有指導意義，也為同類設備的開發實踐提供參考。

鞋面壓合機；Kano模型；FAST理論；人機工程；眼動試驗

壓合機（又稱壓力機、油壓機）是一種用途廣泛、生產效率高、利用加熱壓合的方式將材料加工貼合的設備。本研究中所描述的壓合機設備為制鞋工廠中用于加工鞋面的鞋面壓合機。壓合機工作頻率快，操作單一，作業人員重復地進行上料、下料工作，易導致疲勞、肢體勞損，從而增加事故風險導致意外傷害，使部分工人喪失工作能力[1]。在壓合機產品設計初期，因缺乏對員工作業時的安全考量和人性化考量，導致工人滿意度較低等問題[2]。同時，在設備使用和維護過程中，不恰當的操作、忽視操作細節會影響工作效率[3]。因此，需要通過對壓合機進行優化與改進設計，為作業人員提供更安全舒適的操作條件、提高操作效率。在壓合機的優化研究方面，張宇寶[4]改進了壓力機液壓過載裝置的機械結構，解決壓力機過載現象；張傳錦等[5]為縮短機器故障處理時間、提高生產效率提出了一種壓力機故障自診斷方法；謝峰等[6]對C型壓力機的機身結構進行分析，獲得重量最輕的壓力機機身結構。從上述文獻中可知，國內對壓合機的優化研究更多地注重機身結構、故障診斷等，缺乏對用戶需求的挖掘和重視，對技術人員操作安全性、便捷性和人機關系尺度等問題的研究比較欠缺。在鞋面壓合機產品的設計實踐過程中既需要重視用戶需求，也需要考量產品設計的可行性，因此本研究從工業設計角度出發，將用戶期望因素和環境設計約束轉化成具體設計要素，融合Kano模型與FAST理論進行用戶需求分析提取及設計需求求解，同時為充分考慮設計優化的可行性，引入人機工程學理論（Ergonomics）對設計方案進行尺寸修正后得到設計方案并驗證，最終完成鞋面壓合機的優化設計。

1 Kano-FAST-E方法綜述與流程構建

在設計研究中，Kano模型是可以通過定性、定量的方式為用戶需求進行分類和排序[7]。FAST理論通過邏輯結構關系圖將總功能需求逐層分解，有效實現設計目標[8]。人機工程學以人的生理、心理特性為依據，研究人、產品、環境之間的相互作用，使人機操作簡便省力、安全、舒適，達到最佳狀態。周祺等[9]提出了構建基于模糊Kano與情景FBS模型的創新設計方法，旨在解決情景化玩具創新性不足的問題；劉付勤等[10]提出了通過KJ-Kano-FAST設計方法來提高概念設計的完整性和準確性；劉小雯等[11]采用FAST理論和試驗法研究自閉癥兒童的基本騎行能力和行為特征；劉李明等[12]基于人機交互原理進行蠶蛹分揀機設計，在提高人機工效的同時，確保分揀員操作的安全性、舒適性。

由上述文獻可知，現有研究在應用Kano、FAST進行產品優化創新設計時，未能有效驗證設計要素的可行性、有效性及人機關系，不能真正覆蓋設計的全流程。針對上述缺陷，本研究將人機工程學理論融入Kano-FAST模型中，通過對關鍵用戶進行調研獲取目標用戶需求，利用Kano模型對關鍵需求統籌排序；建立黑箱模型，將模糊的用戶需求轉化為具體的產品功能描述，并構建完整的產品功能體系，輸出產品結構功能劃分圖；引入人機工程學原理優化各部件的布局及尺寸，提高人機操作效率，輸出完整的設計方案。完成設計后對功能區域進行眼動試驗對比驗證與用戶滿意度評價。將三種方法結合使用指導產品設計方案產出，從而提升設計過程的可行性與科學性，鞋面壓合機設計流程架構見圖1。

2 鞋面壓合機設計實例

2.1 鞋面壓合機結構分析

鞋面壓合機初始樣機如圖2所示，樣機為某制鞋企業鞋面加工生產線中的液壓式壓合設備。該樣機在高溫高壓條件下工作，對材料加熱、加壓，使其膠合成型，主要由機械系統、動力系統及控制系統組成，可以細分為液壓缸、立柱、數控面板、油箱、高壓泵、內置液壓站等結構。

2.2 基于Kano模型的壓合機關鍵需求獲取

2.2.1 用戶需求要素劃分

Kano模型通過獲取用戶滿意度對需求進行排序[13]。為獲取用戶需求集合，對壓合機現狀進行相關文獻研究、市場調研，總結分析后對某企業實際及企業經理進行現場訪談。以“使用設備過程中影響操作感受與工作效率的因素有哪些”為中心，對作業人員進行訪談并記錄。以“考量設備的市場競爭力”為中心，對企業經理進行訪談并記錄。整理分析兩類人員的問題描述，得到用戶需求描述集合如表1所示。

將現場訪談獲取的需求描述1-8利用KJ法進行整理和擴展，把原始的描述性語言轉化為功能性語言后得出若干具體需求，將需求分類歸納為功能要素1、安全性要素2、美學要素3，作為鞋面壓合機的一級用戶需求。4～18為二級用戶需求。構建的鞋面壓合機用戶需求指標體系見圖3。

表1 用戶需求描述集合

Tab.1 Collection of user need description

圖3 用戶需求指標體系

2.2.2 基于Kano模型的用戶需求權重分析

Kano模型通過二維非線性方法識別用戶需求所屬的類別[14]，本次問卷調研工作在該企業內部完成，問卷發放數量根據現場走訪的不同崗位人數而定。調研對象分別為該企業設備作業人員28名，企業經理及領導7名，技術工程師4名，相關產品專家4名，相關專業學生8名，共計51人。為檢驗問卷的合理性，結合相關論文與專家意見來擬定問卷。結合問卷結果與Kano評估表對用戶需求的屬性進行分析，對每項需求的Kano屬性進行區分。

為確定需求要素的屬性和權重，運用Better- Worse系數分析法[15]，通過式（1）～（2）確定用戶滿意度提升率T、滿意度下降率P，通過式（3）確定用戶需求要素的初始權重ω。

將每項需求要素獲得的、、、評價個數分別記為、、、。

計算第個需求要素對于用戶滿意度的上升率i：

計算第個需求要素對于用戶滿意度的下降率P：

計算第個需求要素的影響力權重ω：

由于無差異性需求（）、反向型需求（）對提升用戶滿意度無法產生影響，本文將主要從魅力型需求（）、期望型需求（）及必備型需求（）進行計算。將需求進行匯集并按照需求影響力順序排列，各需求優先級排序見表2。

2.3 基于FAST理論的系統功能建立

FSAT理論是一種自頂向下的功能分析系統技術方法[16]。在確定用戶需求要素后，先按照輸入—運行—輸出的模式將需求項轉化為功能項，進行分解與拓展后按照優先級排序并建立產品功能樹，最終得到完整的層級邏輯關系。

黑箱原理將設備運行的條件分為能量、物質、信息三個方面，并將關鍵需求高度抽象概括為設備運行時所需的技術問題，為鞋面壓合機創建一個輸入與輸出類型的模型。鞋面壓合機的運行需要電、手、結構部件、工件等要素進行相互傳遞和轉換。機器運行所需的能量轉換即電能轉換為動能；物質轉換即作業人員、結構零件、工件等要素轉換為加工完成后的材料；信息轉換即調研得到的問題通過模型轉換為所期望的功能。將Kano模型得到的用戶需求代入，通過黑箱模型轉化得出用戶所期望的功能和技術，如防止工人受傷的需求通過模型轉化為安全監測功能，見圖4。

表2 Kano需求屬性分析及影響力結果

Tab.2 Kano need attribute analysis and impact results

圖4 鞋面壓合機黑箱模型

根據黑箱模型得到的產品功能和技術需求展開功能分析。從需求目的出發，由左向右延伸確定下一級子功能，直至確定最終手段。通過表3的需求影響力來排序，根據重要程度對黑箱模型輸出的各功能技術進行排序、延展與劃分。

首先明確鞋面壓合機產品的總需求，通過子功能來實現上一級需求，如實現作業人員安全防護為總需求，對作業人員動作進行監測是實現總需求的手段，設置防夾預警是實現作業人員檢測這一需求的手段，建立紅外線對射系統又是實現防夾預警這一需求的手段，從左向右逐級分解，子功能為上一級的手段，上一級是子功能的目的，從上至下重要性遞減，見圖5。

2.4 結構布局設計考量

根據鞋面壓合機FAST功能樹，從人-機-環境的角度作為切入點展開優化設計，從而得到設備結構功能劃分圖（見圖6）。

1）安全考量：為提高工作人員安全意識，根據人眼視覺習慣增加警示面板區域；為防止作業人員上下料時手部受傷，工作臺面增加紅外線對射系統；在設備下方增加維修窗口，方便檢查維修。

2）提升人機操作效率：為提高工人識別效率，將雜亂的操作區域細化。按照人眼的閱讀邏輯和使用頻率分別設立學習面板、功能區域、數顯預設面板等功能分區，將學習與警示面板設于左側，功能區域與數顯面板設于右側；數顯預設功能使用頻率較低，將該功能設計為半回收模塊，回收后整體操作面板更清晰，減少誤觸率。

圖5 鞋面壓合機功能樹

圖6 結構區域對比圖

表3 初始樣機尺寸

Tab.3 Dimension of the initial prototype

3）保證人機交互的舒適性：散熱區域較高的溫度會燙傷皮膚，將樣機大面積的散熱區域改為底部散熱及背部散熱，同時可以保證多組聯排使用時設備能夠正常散熱。

2.5 鞋面壓合機的人機設計優化

人機工程學根據人體結構和技能特點統一考慮工作效率、安全、舒適等要素，以提升產品用戶體驗，使整個系統效率達到最優[17]。根據人機工程學理論，在壓合機優化設計時，應符合人體生理尺寸限制、人體感知與信息處理、人的心理與行為特征、人機的信息界面設計、作業崗位與空間設計等要求，使方案更符合人的視覺、行為邏輯，為工人提供安全舒適的作業環境[18]。經測量，初始樣機設備關鍵尺寸數值參考如表3所示。現場調研發現，作業方式以坐姿為主，作業人員的動作主要有設置溫度及壓力數值、放置工件、啟動設備、取出工件。

參考顏聲遠編著的《人機工程與產品設計》，本研究選用P50百分位男性和女性的身體數據作為產品尺寸設計的依據[19]。為了還原作業人員放松狀態下的姿勢，需要依情況增加衣褲修正量6 mm、增加或減去姿勢修正量44 mm。

對于數顯操作區域高度設置，取P50男女坐姿眼高平均數1 211 mm、1 121 mm分別增加衣褲修正量減去姿勢修正量，即1 083～1 173 mm為參考尺寸范圍。經測量數顯操作區域的高度不符合要求范圍。數顯操作區域及加工區域的深度取P50女性上肢前伸長平均數764 mm以內即可，經測量其尺寸在合理范圍內。

對于操作臺功能鍵高度設置，取P50男女坐姿肘高平均數633 mm、676 mm分別增加衣褲修正量減去姿勢修正量，增加小臂圍65 mm，即參考尺寸區間為660～703 mm，經測量操作臺功能鍵高度不符合最佳高度。操作臺功能鍵需雙手操作，以P50男女性坐姿兩肘間寬平均數為參考，增加衣褲修正量與姿勢修正量，即454～472 mm為長度范圍。經測量操作臺功能鍵符合最佳長度。為避免胸腹及肘部誤觸功能按鍵，操作面與水平夾角不超過15°[20]。經測量操作臺與水平夾角為47°，不符合最佳角度。此外，各功能鍵尺寸不能小于P50男女食指近位指關節寬平均數17～19 mm。

為防止作業人員腿部皮膚被熱風燙傷，確保腿部有足夠的活動空間，將舊設備大面積正面散熱改為底部及背部散熱。散熱孔的深度取P50男性坐姿臀膝距平均數554 mm，增加衣褲修正量和姿勢修正量，增加活動空間及防燙空間50 mm，即最佳尺寸為566 mm。經測量散熱孔深度不符合最佳標準。

結合人體生理尺寸、人體視覺特征和行為特征、作業崗位空間等要求，改進后的鞋面壓合機尺寸見表4。改進前后的鞋面壓合機尺寸對比見圖7。

表4 鞋面壓合機優化后尺寸

Tab.4 Dimension of upper pressing machine after optimization

圖7 鞋面壓合機尺寸對比（單位/mm）

2.6 鞋面壓合機設計方案

從用戶需求出發，通過Kano、FAST集成方法，獲取關鍵需求、調整設備初始結構布局。以人機工程學理論為基礎優化人機尺寸、提升交互體驗。綜上所述，鞋面壓合機設計人機優化細則如表5所示。

根據前期用戶需求分析、功能系統分析得出的結構區域劃分結果和人機標準約束，對鞋面壓合機設備進行設計方案輸出，優化設計方案見圖8。

表5 鞋面壓合機人機優化細則

圖8 鞋面壓合機設計方案

3 設計驗證

3.1 眼動試驗

相關研究發現，人的心理認知情況可通過分析眼動數據來研究[21]。通過記錄被試者的各項眼動指標來探究其認知流程、心理活動和操作習慣。該技術現已應用在產品可用性測試、網頁測試、動態分析、人機交互等多個領域[22]。

3.1.1 試驗準備與過程

試驗目的是測試設計方案的功能布局是否能夠提升信息識別效率、減輕認知負荷。試驗以鞋面壓合機功能區域為設計對象，分別模擬正常工作狀態下、緊急情況狀態下的各項眼動指標。

試驗設備為tobii pro x3-120屏幕式眼動儀。試驗樣本為某制鞋企業現有樣機正視圖（樣本1）、改進后的設計方案正視圖（樣本2），數顯面板打開時的正視圖（樣本3）。因設備尺寸較大，將數顯功能區域作為試驗重點，在顯示器中等比放大數顯區域圖片。試驗對象選取相關專業研究生與制鞋企業流水線員工共10名，男女比例1∶1。其中6名為研究生，4名為作業人員。試驗獲得8組有效數據，2組數據因記錄不全為無效數據。參與試驗的所有人員慣用手均為右手，且視力正常。

1）試驗開始前，試驗人員向被試者簡單介紹該設備的工作流程。

2）被試者保持坐姿并與顯示屏平視，進行眼動儀校準。

3）開始試驗1，模擬正常工作狀態，被試者觀察樣本1、2各30 min并記錄數據。

4）開始試驗2，向被試者講解設備工作步驟與應急機制，觀察樣本1～3各10 s后，模擬緊急狀況，被試者作出眼動反應、識別急停鍵（識別時間超過500 ms即找到急停鍵）記錄數據。

5）眼動儀自動記錄并保存所有試驗數據。完成后記錄被試者在試驗過程中的感受。

3.1.2 試驗數據處理及分析

1）分析試驗1得出的眼動指標數據與熱點圖。試驗1中8名被試者對樣本1、樣本2的評估指標數據如表6所示，6名以上被試者對樣本1的功能區域注視時間、注視點個數、總眼跳時間、眼跳次數、平均瞳孔直徑共5項指標的數據高于樣本2。由圖9可知，樣本1的注視熱點分散在功能區域各處，無法快速識別關鍵信息，識別困難大；樣本2的注視熱點較為集中在功能區域和急停鍵，次要功能學習面板區域較少。

表6 眼動指標數據

Tab.6 Eye tracking metric data

2）對比試驗2中樣本1～3掃視路徑圖，見圖10～12。將8名被試者樣本1的掃視路徑圖進行比較，發現6名以上被試者的掃視路徑如圖10所示，軌跡交叉隨意性較強、反復游離，無法第一時間識別急停鍵；6名以上被試者對樣本2的掃視路徑如圖11所示，掃視軌跡清晰明確，能夠快速捕捉急停鍵位置；6名以上被試者對樣本3的掃視路徑如圖12所示，軌跡交叉較少、眼跳距離縮短，數顯面板打開狀態下也能夠快速找到功能區域，經過短暫搜索后找到急停鍵。

綜上所述，試驗1結果表明現有樣機的信息識別難度大、效率低、搜索任務疲勞，設計方案識別難度小、效率高，可迅速捕捉關鍵功能鍵。試驗2結果表明設計方案的功能布局減少了搜索信息的反應時間，模擬緊急情況時被試者可以快速識別急停鍵，有效提升識別效率。

3.2 用戶滿意度評價

為驗證設計方案生產可行性，文文以5階Linker度量表進行設計方案驗證，首先設置專家評語等級與對應標準：={1,2,3,4,5}={很滿意、滿意、一般、較差、非常差}，計算分值設定分別為1、2、3、4、5分，5分代表很滿意，1分代表非常差。邀請最初用戶調研的51名企業負責人、設備作業人員及工業設計人員進行評價，依據圖3用戶需求指標體系中的各個需求指標進行評價。經過計算后該設計方案的平均得分為4.52分，處于滿意與非常滿意之間，表明設計方案具有可行性。

圖9 功能區域熱點圖對比

圖10 樣本1掃視路徑

Fig.10 Saccade path of Sample 1

圖11 樣本2掃視路徑

Fig.11 Saccade path of Sample 2

圖12 樣本3掃視路徑

4 結語

現有壓合機產品在設計初期以結構設計和結構優化為主，忽略了對用戶需求的重視，缺乏對安全性、人機交互、滿意度的考量，導致使用體驗較差。本研究針對這一問題進行分析，提出基于Kano-FAST與人機工程學理念相結合的產品設計策略。在設計初期分析量化用戶需求，設計中期優化功能結構布局，利用人機工程學理論對設備進行優化及修正，使方案更符合人的視覺邏輯、行為邏輯。經過眼動試驗及評價，證明設計方案有效提高功能面板的識別效率、減輕認知負荷，為作業人員提供了更安全高效的作業環境，優化人機交互體驗。后續研究會繼續進行跟蹤試驗，確保方案的科學性，同時及時地吸取專家和市場的反饋意見，將產品的裝配工藝、技術實現作為重點。

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Optimized Design of Upper Pressing Machine Based on Kano-FAST-E

ZHOU Hongyu, ZHANG Linhan, LIU Jinqi, JIANG Wenxin, XUE Shuang

(School of Industrial Design, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

The work aims to reduce the error rate in the operation process of the upper pressing machine and optimize the man-machine interaction experience. Based on the Kano model, the experience and needs of operators and enterprise managers in using the current equipment were analyzed. FAST theory was used to redefine the functional area of the equipment and guide the design development. Based on ergonomic theory (E), the functional layout and structural dimensions of the design scheme were optimized to improve the efficiency of man-machine operation. The eye tracking test was used to compare and verify the functional layout before and after improvement, and the user satisfaction evaluation of the design scheme was carried out with the help of Likert scale. The design practice of the upper pressing machine was completed, which improved the man-machine performance, effectively increased the reading efficiency of operators, and reduced visual fatigue and incorrect operation. The improved upper pressing machine gives workers a safer and more efficient and humanized operation mode, which verifies that the design strategy of Kano-FAST-E has guiding significance for the man-machine optimization design of the equipment, and also provides a reference for the development practice of similar equipment.

upper pressing machine; Kano model; FAST theory; ergonomics; eye tracking test

TB472

A

1001-3563(2024)08-0308-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.08.033

2023-12-22

國家重點研發計劃子課題資助項目（2018YFD0301303-4）；湖北省教育廳教學研究項目（2021309）；國家級大學生創新創業訓練計劃（202110500018）