基于FOGG模型的碼垛工作站造型設計研究

基金項目：本文系2024年上海教育委員會“人工智能促進科研范式改革、賦能學科躍升計劃”項目“AI賦能航空裝備工業設計研究及應用”（2024AI012）階段性研究成果。

碼垛工作站是一種用于自動化堆疊貨物的工業設備系統，其主要功能是將生產線上的單件或多件物品（如箱體、袋裝物、桶裝物等）按預設規則高效、精準地堆疊到托盤上，形成穩定、整齊的貨垛，以便后續存儲、運輸或裝卸。它由機械臂本體、車體、操作臺、示教器、自動輸送線裝置等部件組成。目前，碼垛工作站研究多集中于控制系統和運動姿態[，對造型設計方面的研究較為匱乏，不能滿足用戶對碼垛作業的需求。

一、相關理論概述

造型設計是一種綜合性的設計過程，旨在協調產品功能實現、人機交互體驗與工業美感之間的關系。其關鍵在于通過對形態結構與空間布局的合理規劃，提升設備在操作便捷性、安全性能及環境適應方面的整體表現。

FOGG 模型[2由斯坦福大學學者福格（B.J．Fogg）提出，指出個體行為的發生取決于動機（Motivation）、能力（Ability）和促發（Prompt）三大要素的同時滿足。具體而言，當用戶具有足夠的動機、具備完成行為的能力，并在適當時機受到有效的促發，目標行為才更容易發生。該模型在產品交互設計、用戶體驗優化等領域已得到廣泛應用，為設計者提供了系統化的用戶行為干預思路。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[3]是一種將定性問題轉化為定量分析的多準則決策方法。該方法通過構建層次結構模型和判斷矩陣，能夠系統性地分析各因素間的相對重要性權重。AHP方法的主要優勢在于其兼具理論嚴謹性與實踐靈活性，適用于復雜決策問題的結構化分析。

二、基于Fogg行為模型的碼垛工作站造型設計框架

基于上文研究理論和方法，團隊構建了碼垛工作站造型設計流程模型4，如下圖1所示。

（一）碼垛工作站用戶需求研究

本研究通過觀察作業流程并進行分析，結合對一線作業人員的深度訪談，系統采集其在操作過程中所面臨的用戶需求問題，為后續設計提供真實、可靠的用戶數據支持。

（二）基于FOGG模型處理用戶需求

團隊以FOGG為模型對收集到的用戶需求進行結構化處理，從動機激發、能力支持與促發機制三個維度出發，將用戶行為背后的心理與操作動因進行歸納與拆解，進而將其有效轉化為可操作的設計要素，為造型設計提供方向。

圖1碼垛工作站造型設計流程

表1各階段用戶行為及相關人體姿勢表

表2用戶訪談群體范圍

（三）基于AHP篩選設計要素

文章構建碼垛工作站造型設計層次結構模型，基于AHP對設計要素進行量化評估。通過專家打分形成判斷矩陣，計算各要素的權重值與一致性指標，從而科學地確定各設計要素的相對重要性，確保設計決策的客觀性與合理性。

（四）設計實踐

團隊基于AHP權重分析結果，聚焦高權重設計要素，優化造型方案設計。

三、基于FOGG行為模型的碼垛工作站造型設計

（一）碼垛工作站用戶需求研究

1.作業流程分析

團隊通過用戶行為觀察分析碼垛工作站用戶作業流程將流程分為作業準備、作業進行、作業完成三個階段[，各階段用戶行為和相關人體姿勢如表1。

（1）作業準備階段

作業人員先對碼垛工作站的整體設備進行外觀檢查，確保無誤后打開側面通斷開關，切換到ON檔；長按示教器電源開關，啟動機器人。在示教器上點擊啟動按鈕，機器人進行上電、上使能操作；激光雷達、雷達圖像等通過示教器顯示碼垛區域，再根據包裝箱的尺寸、重量、碼垛方式等要求，通過觸屏操作示教器，設置機器人的運動軌跡和操作參數。

圖2 用戶訪談

（2）作業進行階段

包裝箱通過輸送線依次輸送至碼垛區域。機器人通過視覺系統或傳感器識別包裝箱的位置和姿態，利用抓手準確抓取包裝箱。最后，按照預設的碼垛方式，將包裝箱放置在托盤上，碼垛期間通過車體上的實體按鍵對工作站進行操作，不斷重復抓取和放置動作，直到完成一條產線的碼垛任務。當碼垛工作站發生意外情況，迅速按壓急停按鈕，切斷電源，停止一切操作。

（3）作業完成階段

碼垛工作站開關切換到OFF檔，機器人去電去使能。如需更換產線，作業人員操作液壓叉車插起工作站底座移動。

綜上，作業準備階段，作業人員需頻繁操作示教器，易導致手臂及手掌處疲勞感加重；作業進行階段，作業人員觀察示教器，使用實體按鍵不方便，存在錯誤操作的可能作業完成階段，更換產線需額外叉車設備，增加環節時間和人力成本。

2.用戶訪談

首先，將本次用戶訪談的目標群體設定為碼垛工作站的作業人員、機器人行業專家、工程師以及相關專業研究生等，如表2。文章深入分析碼垛工作站作業人員的特征、行為模式、作業習慣以及他們對工作站造型設計的期望和需求，并歸納調研結果。

通過用戶訪談，如圖2所示，碼垛工作站存在的主要問題可以分為以下四點：

（1）工作站造型笨重，邊角尖銳，無法體現產品美感；車體與機械臂關聯性不強，體現不出一體感。

表3用戶需求總結

表4工作站用戶需求轉化

（2）機械臂距離作業人員較近，加大作業人員心理壓迫感。（3）車體操作臺高度過高，實體按鍵使用不舒適。（4）示教器操作步驟復雜，耗時長。

3.用戶需求總結

通過作業流程分析與用戶訪談的調研方式，提煉出碼垛工作站在造型設計中的用戶需求，如表3。

（二）基于FOGG行為模型處理用戶需求

碼垛工作站因安全性原則，在作業中多采用有線連接方式，對人機的交互性提出一定要求。工作站的作業人員以制造業群體居多，需提前經受上崗培訓，因此急需對該用戶群體的需求展開研究。文章基于FOGG模型，將作業流程分析及用戶訪談提取的碼垛工作站作業人員需求進行歸納與轉化[，如表4。

表5碼垛工作站造型設計要素框架

（三）基于AHP篩選設計要素

1.碼垛工作站造型設計要素框架

通過對碼垛工作站作業人員操作需求的轉化，依據FOGG行為模型中的能力、動機和觸發點三大影響因素，構建碼垛工作站造型設計要素三級評價指標框架[8，如表5。

首先，團隊將一級指標劃分為心理需求、識別度需求和操作方式需求三大類，其中識別度和操作方式屬于生理需求范疇。其次，以一級指標作為基礎框架，結合現有文獻研究成果和實際作業場景特征，根據上文所提取的設計要素構建二級指標體系，最終得出14項二級評價指標，以確保評估的全面性和準確性。團隊再基于該設計要素框架，運用AHP篩選設計要素并對其進行優先級排序，以確定關鍵設計要素，為后續方案設計提供決策依據。

2.構建判斷矩陣并計算相對權重

為保證數據的有效性，團隊邀請12名行業專家對各級指標進行評價，專家涵蓋碼垛工作站作業人員、設計師及工程師。

表6設計要素相對權重及重要性排序表

首先，專家需通過要素兩兩對比為各級指標評價打分。而后采用幾何平均法整合12名專家的打分數據，得出判斷矩陣 A 。再采用方根法對矩陣 A 進行歸一化處理，最終得出權重向量 W_i°

為檢驗判斷矩陣A的一致性，文章引入 C_I 一致性驗證指標，計算各判斷矩陣的最大特征根 λ_max ，以此驗證專家評價結果的一致性[10]。詳細計算過程參見式（1）—（3）。

3.設計要素重要性排序

碼垛工作站造型設計要素的相對權重 W^′_i 和重要性排序如表 6_°

經AHP計算， A_l （心理需求）最大特征根為6.282，R_I 值為1.25。基于數值計算一致性比率 C_R=0.045 A₂ （識別度）最大特征根為3.094， R_I 值為0.525， C_R 值結果為0.09； A₃ （操作方式）最大特征值為5.147， R_I 值為1.11，C_R 值結果為0.033。三者 C_R 值皆小于0.1閾值，檢驗通過。

在一級指標中， A₃ （操作方式）的權重最高，為0.6378，表明用戶在使用碼垛工作站時最注重操作過程中的便捷性與可控性。與心理需求與識別度相比，此因素在用戶決策中占據主導地位，體現出操作行為在工業設備交互體驗中的核心地位。

在二級指標中， A₃₂ 操作費力（0.2536）、 A₃₃ 誤操作（0.1133）及 A₃₄ 操作效率低（0.1587）的權重排序相對較高，說明用戶普遍注重操作省力、高效以及不易出錯。這表明在后續造型優化中，應重點圍繞人體工學、操作流程簡化與功能區域清晰化展開，降低操作負荷，提升使用效率與安全性，從而更有效地響應用戶的核心訴求。

四、設計實踐

根據上文中碼垛工作站造型設計評價指標權重分析的結論，團隊選出權重排名第一的 A₃₂ （操作費力）作為本次創新方案的主題。此外，排名第2、3的 A₃₄ （操作效率低）、A₃₃ （誤操作）2個指標權重較高，因而文章將圍繞上述三個指標開展碼垛工作站創新方案設計。

A₃₂ （操作費力）主要體現在操作臺高度的設計上，即考慮作業人員在站姿狀態下使肘部與操作臺盡量處于同一水平面，避免因操作臺過高或過低導致的抬肘和垂肘問題。根據人體尺寸百分位數據參考GB/T10000-2023《中國成年人人體尺寸》[12]，適當調整操作臺高度，提高作業人員使用舒適度。

A₃₄ （操作效率低）主要體現在更換產線方式的設計上，目前市場主流碼垛工作站更換產線方式為液壓叉車叉起工作站底部，使其移動，過程中需增設液壓叉車以及操作叉車人員。通過增加碼垛工作站移動部件的方式，在車體設計金屬握把、底部增加轉向輪，使其在更換產線時無需額外叉車，減少生產成本，提高作業效率。

A₃₃ （誤操作）主要體現在實體按鍵的形態及顏色的設計上，實體按鍵作為碼垛工作站重要的一部分，需要根據功能分類設計出不同形狀的按鍵，如圓形（啟動／停止）、菱形 （急停），便于戴手套操作時通過觸覺快速識別。關鍵按鍵（如急停）采用凸點或波紋紋理，提升盲操準確性。實體按鍵要傳達清晰的視覺或觸覺信息，以確保作業人員的操作能夠有條不紊地完成。根據分析結果提出設計方案如圖3所示。

在人機尺寸設計方面，為確保操作臺高度能夠適應不同性別及體型差異下的大多數用戶群體，團隊參考人體工程學中立姿肘高的人體測量數據。設計原則遵循I型產品尺寸的“雙限值”控制方法[13]，即在尺寸設計中同時設定上限與下限，以兼顧極端人群的使用舒適性與可達性。在操作過程中，應使操作者肘部與操作臺臺面保持近似水平，避免因高度過高或過低影響操作效率與舒適性。基于此，選取男性95百分位數與女性5百分位數[14]的立姿肘高數據作為設計尺寸的邊界條件，分別為 1121mm 與 895mm 。結合功能修正量 A_I 對尺寸進行補償修正， A_I 包括著裝修正（ 38mm ）、放松狀態下眼高修正（ -10mm ）以及前臂與手腕自然活動幅度修正，綜合取值為 42mm 。依據人體工程學中最小功能尺寸[15]的表達式：

G_l≤H_l95+A_l G_I≥J_Is+A_I

圖3碼垛工作站造型設計方案

圖4造型設計三視圖

圖5操作臺實體按鍵功能及排布

其中： G_I 為操作臺高度的最小功能尺寸； H₁₉₅ 為男性肘高的95百分位數（ ?1121mm， ； J_IS 為女性肘高的5百分位數（ ?895mm） ； A_I 為功能修正量（ 70mm 。將數值代入公式計算，得出操作臺高度的合理區間為：965mm?G_I?1191mm 。綜合考慮用戶的泛用性與操作舒適度，最終選取該區間的中值 1078mm 作為碼垛工作站操作臺的設計高度，如圖4所示。這一設計有效兼顧不同使用人群的肘高差異，提升人機協調性與工作體驗。同時，團隊將實體按鍵劃分出單獨區域，根據按鍵功能設計不同的按鍵顏色，如圖5所示，減少使用過程中的誤操作行為。

整體造型方面，以機械臂圓潤的造型以及紅、銀的配色為基礎，對車體進行再設計，提高車體與機械臂的一體性，并在車體和機械臂增加企業標識，加強產品辨識度。

在功能方面，通過增加一體化把手以及車體底部移動輪組的方式，以便換產線流程，提高效率，節約成本。此外，增加車體燈帶，以不同燈帶顏色顯示工作站運行狀態。

五、結語

文章以FOGG模型為理論基礎，圍繞碼垛工作站的造型設計展開研究。深入挖掘影響用戶操作效率與交互體驗的關鍵因素，并據此提出了優化后的造型設計方案，為該理論在工業產品造型領域的應用探索提供了新的思路。但仍存在一定局限性，如樣本調研數量有限、實際驗證環節有待進一步完善等。未來可進一步拓展模型參數在不同場景下的適配性分析，結合更多實用案例，不斷深化FOGG模型在智能裝備設計中的系統化應用。

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作者簡介：

衛緯，上海工程技術大學藝術設計學院碩士研究生。研究方向：產品造型藝術及應用實踐、高端智能裝備設計

徐江華，上海工程技術大學藝術設計學院教授。研究方向：高端航空裝備設計與飛機客艙舒適性設計

實習編輯：張艷艷