基于人機工程學的產品改良設計課程實驗研究

陳永超等

[摘 要]本文為《工業產品再設計》課程設計了一套基于人機工程學原理的產品改良設計實驗方案。實驗原理是運用人體生理結構反形與目標產品形態進行合成，得出新的產品造型。實驗運用逆向工程技術與Morphing設計方法得出產品形態設計結果。本實驗已應用于教學實踐中，教學反饋證明學生容易掌握實驗方法，且結論與設計效果良好。

[關鍵詞]逆向工程；人機工程學；改良設計；實驗

1013939/jcnkizgsc201520251

為了能夠在市場競爭中取得優勢，很多企業不斷改良產品設計，推出新產品。因此，產品改良設計的原理與方法是工業設計專業學生所必須掌握的。《工業產品再設計》課程即是針對如何改進現有產品的工業設計專業課程。[1]人機工程學是工業設計中重要的輔助手段。[2]在工業設計領域，人機工程學為衡量產品使用舒適度提供了參考和評價標準。而在人機工程學應用于工業設計實踐方面，Shenchang Eric Chen提出形態混合遷變的方法，即可以運用人體尺度數據與產品數據合成新產品造型。本文所介紹的實驗方案，運用逆向工程[1][3]的方法：首先用油泥、發泡泡沫等材料制作人體生理構造反形，再利用shape averaging[3]（Morphing）法對人體反形與產品形態進行混合遷變，得出新的產品形態。本文列舉兩例自行車把改良設計實驗。

1 實驗1

本實驗運用手掌持握反形（有手指凹陷）與目標車把合成新的車把造型，目的在于改良和優化現有車把與手掌生理結構的吻合度。使用帶有手指凹陷構造的手掌持握反形，可以得出持握穩定的車把設計結果。

（1）利用油泥手工制作手掌持握反形（有手指凹陷），并利用數字化三維掃描儀和Stereo 3D獲取其三維數據（圖1）。

（2）利用數字化三維掃描儀獲取目標車把（圖2）三維數據。

（3）分別抽離等量的手掌持握反形（有手指凹陷）與目標車把的截面輪廓線。

（4）將兩組截面輪廓線置于同一坐標系，并縮放調整位置與尺度。

（5）將兩組輪廓線進行混合運算，并采取不同的Morphing比例，選擇最佳混合遷變結果，其加權比例為3∶7；圖4左側為目標車把局部截面輪廓線，右側為油泥手掌持握反形（有手指凹陷）局部截面輪廓線，紅色為所選最佳結果。

（6）以步驟（5）中的結果，創建新曲面，生成最終形態（圖3）。

（7）制作改良車把設計效果圖（圖略）。

2 實驗2

本實驗運用手掌持握反形（無手指凹陷）與目標車把合成新的車把造型，目的在于改良和優化現有車把與手掌生理結構的吻合度并且保留一定的手掌自由度。使用不帶有手指凹陷構造的手掌持握反形，可以得出持握穩定性稍差，稍有些手掌活動自由度的車把設計結果。

（1）利用油泥手工制作手掌持握反形（無手指凹陷），并利用數字化三維掃描儀和Stereo 3D獲取其三維數據（圖5）

（2）利用數字化三維掃描儀獲取目標車把（圖2）三維數據

（3）分別抽離等量的手掌持握反形（無手指凹陷）與目標車把的截面輪廓線

（4）將兩組截面輪廓線置于同一坐標系，并縮放調整位置與尺度

（5）將兩組輪廓線進行混合運算，并采取不同的MORPHING比例，選擇最佳混合遷變結果，其加權比例為5∶6；圖7左側為目標車把局部截面輪廓線，右側為油泥手掌持握反形（無手指凹陷）局部截面輪廓線，紅色為所選最佳結果

（6）以步驟（5）中的結果，創建新曲面，生成最終形態（圖6）

（7）制作改良車把設計效果圖（圖略）

3 結 論

本文所介紹的兩例實驗為2014年天津工業大學機械工程學院工業設計專業《工業產品再設計》課程實驗。實驗案例表明：兩個設計方案均有效的對自行車把的造型進行了改良設計。所不同的是實驗1的結果可使手掌持握車把時貼合更為緊密，實驗2 的結果手掌持握的自由度較高。兩種改進設計可適用于不同使用習慣的人群。由于設計來源于人體結構反形，這種直觀反求的方式保障了人體結構與產品外形的吻合度。本實驗的結果取決于手掌持握反形與目標車把形態的混合結果。故，手掌持握反形的設計在本項實驗中至關重要，直接影響實驗結果。因此，本實驗的局限即在于設計結果對不同生理尺度的適應性較差。因此，本實驗的方法，可以拓展為運用多件不同尺度的手掌持握反形得出多個設計結果，即可以產生不同尺碼的產品，以符合更多人群的需求。

本課程實驗使學生掌握了基于人機工程學的產品改良設計方法，激發了學習興趣，培養了專業技能，提高了學生對工業設計專業的認知度。

參考文獻：

[1]陳永超，王秋惠，楊愛慧，等基于逆向工程技術的工業產品再設計課程實驗研究[J].中國市場，2015（19）.

[2]盧兆麟，湯文成工業設計中的人機工程學理論、技術與應用研究進展[J].工程圖學學報，2009（6）：1-9

[3]Shih-Wen Hsiao，Jiun-Chau Chuang，A reverse engineering based approach for product form design，Design Studies，Volume 24，Issue 2，March 2003，Pages 155-171

[4]Chen，S C and Parent，R E ‘Shape averaging and its applications to industrial design IEEE Computer Graphics and Applications Vol 9 No 1（1989）47-54