基于用户需求导向模型的绿篱机设计.pdf
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1、2023Dec.JOURNALOF MACHINEDESIGN2023年12 月No.12Vol.40第40 卷第12 期机设计械基于用户需求导向模型的绿篱机设计*孙宁娜,刘栋,张健瑞(江苏大学艺术学院,江苏镇江212013)摘要:为提升绿篱机设计过程中需求获取、功能定义、设计实施和方案评价的准确性,提出一种用户需求导向模型,指导绿篱机产品设计。通过访谈法和观察法获取用户需求,采用层次分析法(AnalyticHierarchyProcess,A H P)计算各需求权重;结合案例分析法和专利研究法获取绿禽机设计需求;通过质量功能展开(QualityFunctionDeployment,QFD)质
2、量屋明确重点设计需求;基于公理化设计(AxiomaticDesign,AD)获取绿篱机设计参数,根据设计参数设计了一种符合用户功能、使用、造型和安全需求的绿禽机,并采用模糊综合评价法(FuzzyComprehensiveEvaluation,FCE)验证设计方案的合理性。结果表明:用户需求导向模型可有效指导绿禽机创新设计,更好地满足用户需求,为未来绿禽修剪设备的研发提供新思路关键词:产品设计;用户需求导向模型;绿篱机;设计需求中图分类号:TB472文献标识码:A文章编号:10 0 1-2 354(2 0 2 3)12-0 17 0-0 7Design of hedge trimmer base
3、d on user requirement oriented modelSUN Ningna,LIU Dong,ZHANG Jianrui(School of Art,Jiangsu University,Zhenjiang 212013)Abstract:To improve the accuracy of requirement acquisition,function definition,design implementation and schemeevaluation in the hedge trimmer design process,a user requirement or
4、iented model was proposed to guide the product design ofhedge trimmer.The user requirements were obtained through interview and observation methods.The weight of each requirementwas calculated using Analytic Hierarchy Process.Hedge trimmer design requirements were determined in combination with case
5、analysis method and patent research method.The key design requirements were clarified using Quality Function Deployment.Themachine design parameters were obtained based on Axiomatic Design.A hedge trimmer was finally designed to meet the userfunction,use,modeling and safety requirements.Fuzzy Compre
6、hensive Evaluation was used to verify the reasonableness of thedesign scheme.The results revealed that user requirement oriented model could effectively guide the innovative design of hedgetrimmers,better meet user requirements and provide new ideas for the future development of hedge trimming equip
7、ment.Key words:product design;user requirement orientated model;hedge trimmer;design requirement随着我国对绿色宜居理念的倡导,我国灌木型绿化带面积逐渐扩大,绿化带养护工作量显著增加面对庞大的工作量,手持式修剪机存在效率低且有安全隐患的问题。虽然车载式和驾驶式绿篱机提高了修剪效率,但机器较为笨重,仅适用于简单的单面修剪,无法满足绿化带造型设计。同时,车载式绿篱机主要用于高速公路绿化带修剪,狭窄和复杂路面的通过性有限。针对这些问题,急需对绿篱机进行必要的改进和创新。收稿日期:2 0 2 3-0 3-14
8、;修订日期:2 0 2 3-0 9-13近年来,国内外学者对绿篱机进行了研究。陈继清等2 研究了绿篱机在复杂地形中的越障性能,并分析了该性能与产品结构参数之间的关系;Kamandar等3 基于识别算法和视觉导航系统,研发了自主绿篱机,并改进了机械臂结构,用于修剪阶梯状和波浪状绿化带;Li等4 采用多结构单元组合的方式,实现了圆形绿化带的修剪,改进了绿篱机修剪性能;Kaljaca等5 提出一种绿篱机运动规划算法,提高了残枝清扫的准确性和机械臂运动的平滑性;薛赞等6 采用遗传算1712023年12 月孙宁娜,等:基向模型的绿篱机设计法设计了一种更强适应性、更高自由度和更大工作空间的绿篱机机械臂;王
9、馨梅等7 通过试验证明了红外激光修剪绿化带的可行性;韩闰劳等8 通过试验法研制了一种具备切割升降、避障和残叶清扫等功能的高速绿篱机;司癸卯等9 采用ADRC和FOC方法解决了绿篱机在遥控状态下偏航严重和人工干预频繁的问题。上述文献为绿篱机设计提供了良好的基础,但主要通过功能和技术来实现产品的性能提升,而对用户的研究较少,缺乏全面的用户需求分析,无法确定园林工人对该类产品的满意度。此外,上述文献较少关注绿篱机的创新设计与理论应用。为解决以上问题,文中提出一种用户需求导向模型,该模型集成AHP,Q FD,A D 及FCE等方法,旨在将用户需求转化为设计参数,提高设计实施的可行性,并设计出满足用户需
10、求的绿篱机。1用户需求导向模型构建AHP是一种用于实现定性问题定量分析的方法,可求解出需求要素的权重10 。QFD是研究用户需求与设计需求相互关系的量化方法,质量屋是其核心要素,由用户需求和设计需求组成 。AD是一种将用户需求映射至设计参数的理论,包括域、层次、“Z”字形映射和独立性公理等12 。FCE是一种借助模糊数学理论的综合评价方法,其目的是利用隶属度理论将定性评价转化为定量评价13。QFD是提升产品设计质量的较好方法,但在执行设计决策时,用户需求权重为QFD重要前提条件,其精确性将直接影响后续设计质量。但Better-Worse满意度指数分析法及熵权法等权重计算方法,存在主观性强及操作
11、复杂繁琐等缺陷。AHP作为一种逻辑决策方法,具有客观和便捷的优势,可弥补传统权重计算的不足,通过AHP可明确QFD中的用户需求权重,提升设计决策的准确性。但设计需求在设计中如何体现,AHP和QFD均未给出明确的设计准则,而AD理论能将设计需求映射至具体的设计参数,弥补了QFD在设计方案分析上的局限。为确保后续设计评价的客观性,需寻找一种可解决模糊性、多要素及情感判别等问题的评估措施。FCE是有效解决设计评价主观性问题的方法,具备结果清晰及系统性强等优势。而AHP可为FCE提供权重向量,有助于更好地验证设计方案是否满足用户需求。因此,将以上设计方法进行集成,能弥补单一方法所存在的缺陷,从而确保设
12、计流程的完整性与客观性。目前,已有学者将AHP,QFD及AD等方法作为理论依据进行设计方案的改进。戴宇轩等141通过AHP,QFD和AD构建了适老化座椅功能概念矩阵,设计了一种符合老年人需求的座椅;王军等15 集成AHP和QFD挖掘老年人对于浴室柜的需求,将需求转化为设计特征;王秉奇等16 采用QFD和TRIZ等方法将需求与下肢外骨骼工程要素进行结合,提高了技术实施的可行性。上述集成设计方法在一定程度上弥补了单一方法的局限,但设计评价并未纳入设计流程中,导致评价过程存在一定的主观倾向。同时,设计需求仅从用户需求角度进行映射,缺乏全面且严谨的设计需求分析。综上所述,构建AHP,QFD,AD和FC
13、E的用户需求导向模型,具备用户需求精确、设计决策高效及设计流程完整等优势,并在设计需求映射阶段采用案例分析法和专利研究法进行分析,使设计方案不再停留在感性层面,用户需求导向模型如图1所示。用户需求获取基于AHP构建AHP层次分析模型的用户需求权构建判断矩阵重分析求解用户需求权重值一致性检验是用户需求一设计需求映射基于QFD构建QFD质量屋的设计需求分确定设计需求权重析获取重点设计需求映射基于AD功能域设计域的设计参数分析(FR,)(DP,)设计方案设计实例基于FCE的设计评价图1用户需求导向模型172第40 卷第12 期计机设械2基于AHP的用户需求权重分析2.1层次分析模型构建通过实地调研,
14、以园林工人作为绿篱机设计的目标用户,通过访谈法和观察法了解用户在执行修剪工作时的相关需求。文中共调研了10 名园林工人,其中男性7 名,女性3名。从年龄来看,18 40 岁用户2 名,41 55岁用户5名,56 6 5岁用户3名。从工龄来看,3 5年用户3名,5 10 年用户6 名,10 年以上用户1名。大部分用户具有初中及以上学历,且都使用过两种及以上类型的修剪工具,具有一定的代表性与普遍性,能较全面的反映用户需求通过亲和图(KJ)法对调研结果进行整合与分类,得到功能、使用、造型和安全需求4大类,并将其作为准则层,15个具体需求作为指标层,构建出的绿篱机用户需求层次分析模型如图2 所示。绿篱
15、机用户需求功能需求B,使用需求B,造型需求B安全需求B灵活性强清扫残枝修剪多种造型心高度及角度调节操作简单心远程遥控符合人机尺寸心收纳空间心体积轻便心色彩醒目易清洁结构紧读安全徽定女光警示故障反债CoC图2绿篱机用户需求层次分析模型2.2绿篱机用户需求权重求解为确保研究结果的科学性,邀请15位相关人员填写AHP问卷,包括5名工业设计专业教师、4名产品设计人员及6 名用户根据1 9 级标度法对用户需求进行两两比较并赋予分值17 ;采用几何平均法,得到绿篱机用户需求权重如表1所示。对计算结果进行一致性检验,其准则层和子准则层的CR值均小于0.1,说明数据真实可靠,为文中研究提供了依据表1绿篱机用户
16、需求权重准则层权重指标层权重相对权重排序C0.486 00.219.31C20.05570.025111BI0.451 2C30.28510.128 62C40.17320.078 16Cs0.43930.114 64C0.300 60.078 55B20.260 9C70.21220.055 47Cs0.04790.012514C。0.408 50.048 68C1o0.259 80.030.910B30.119 00.05800.006915Ci20.27370.032 69C130.137 80.023 312B40.168 9C140.732 40.12373Ci50.12970.02
17、1 9133基于QFD的设计需求分析通过AHP分析后采用QFD可明确用户需求与设计需求间的关系,为产品设计提供准确的支撑与引导18 。结合案例分析法和专利研究法,将用户需求映射至具体的设计需求,确保设计需求的客观性与合理性,并构建用户需求与设计需求QFD质量屋,以获取重要性设计需求。3.1用户需求映射至设计需求由实地调研可知,园林工人主要在城市道路、公园和住宅等区域从事修剪工作,因此,需对适用于此类环境的修剪工具进行分析。通过对互联网平台搜集到的案例进行整理,最终将绿篱机分为手持式、手推式、自走式和驾驶式4种,绿篱机产品案例分析如表2 所示。根据案例分析可提取到有价值的设计需求,分别为多方位调
18、节修剪、轻量化设计、科学的产品尺寸和辅助系统等,但这些案例也存在一些不足。这些产品只能执行简单的平面修剪任务,无法修剪圆形及圆柱等复杂造型。并且,由于绿地内的地形复杂多变,产品的通过性和灵活性有限。同时,产品美观性欠缺,无法满足用户对造型的需求。这些缺陷可与用户需求相对应,从而推导出多种刀具更换、车体灵活移动和简洁大气的外观等设计需求。1732023年12 月孙宁娜,等需求导向模型的绿篱机设计表2绿篱机产品案例分析产品类型及品牌主要应用环境设计描述轻便易操作,设置减振系统,住宅、公园等切割防护,符合人机工程学手持式(斯蒂尔HS82T)城市道路、伸缩臂设计,体积小巧,住宅、公园等多角度平剪侧剪,
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