智能產品創新設計開發流程探討

宋姣 龔瑜

關鍵詞：智能產品;開發流程;創新設計;智能枕頭

1 智能產品概述

1988年，美國學者Ives與Vitale在“信息技術改造售后維護服務”的論文中最早提出了“智能產品”（IntelligentProduct）一詞，認為基于軟件追蹤產品性能并提供維護服務是典型的“智能產品”范例[1]。2014年，Porter等人將智能產品概念延伸為智能互聯產品，指出其應具有物理組件、智能組件（放大物理組件的能力和價值）和互聯組件（放大智能組件的能力和價值）三個核心要素，智能組件能通過互聯組件而存在于物理產品外部，進而實現價值提升[2]。基于對智能產品的深入研究，方毅芳等人總結出了智能產品所具備的以下八個特征[3]：（1）實現對自身工作狀態、內外環境變化的感知;（2）具備能夠進行智能監測與監控的相關功能;（3）能夠根據感知的信息調整運行模式，以進行優化;（4）能夠實現產品部件之間的互聯互通;（5）能夠滿足產品與產品、產品與用戶、產品與系統之間的交互需求;（6）采集智能產品在使用過程中的數據與信息;（7）基于內部組件以及系統交互來模擬人的思維過程和行為;（8）將產品與服務相結合來向用戶提供新的價值。文章將基于使用者的需求，結合智能科技產品的特征來進行產品的創新設計以及開發探討。

2 智能產品創新設計開發的流程

產品開發流程是指企業在進行產品開發時經歷的從構思到設計再到商業化的一個系列步驟及行為。針對傳統的產品開發，Ulrich 和Eppinger 將“開發流程”明確定義為規劃、概念發展、系統層級設計、細節設計、測試與改進和量產上市等主要階段[4]。而智能產品的開發流程還未有較為深入地專門研究。經與多家高新技術企業的多次訪談得知，在研發智能產品時常會盡可能縮短研發周期，采用Eng 和Ozdemir 總結的一般高科技產品開發的架構與流程[5] ：

1） 第一階段：概念發想（Concept Prototype）。該階段是項目最原始的設計概念原型階段，重點在于將設計概念轉化為實體，并盡量將產品用簡易的規格和方法實現所涉及到的功能。

2） 第二階段：工程技術驗證（Engineering Validation Test）。該階段主要是將設計概念以工程方式驗證，用以確定所選方案可以利用產業中現有資源制造出產品的原型。且在該階段中可能會出現多個實驗版本，直到產品的設計性能與產品實際制造出來的品質能夠匹配，方可進入下個階段。

3） 第三階段：設計驗證（Design Validation Test）。該階段主要包含對工業設計、電路板設計、機構設計等方面的驗證，根據業界現有的制造資源，來驗證所設計的規格是否可以被順利生產制造。

4） 第四階段：生產線驗證（Production Validation Test）。此階段目的是在完成對產品的大批量生產前，對生產線進行測試，以確保最終量產階段的順利進行。

5） 第五階段：量產（Mass Production）。當產品完成了上述各階段后，就可以進入到量產階段。

智能技術的發展越來越快，智能產品市場的競爭也愈發激烈。產品質量、研發與生產上市周期壓力也變得更大。為保證產品設計與開發能有計劃、有控制地進行，確保開發規范能達到產品的預期要求，需要對產品開發過程中的許多階段進行如上所述的各階段測試和驗證。

3 智能枕頭設計開發的流程分析

本研究以一個智能枕頭的開發作為案例，結合智能技術與電子元器件的應用，為確保可行性，采用Eng 和Ozdemir 總結的高科技產品研發流程。遵循從概念發想、工程技術驗證、設計驗證、生產線驗證，再到量產的步驟來進行。因本案例還處于創新的初級階段，以加之資源限制，目前聚焦于前三個階段的流程。

3.1 第一步：概念發想

本案例根據失能老人長期臥床對頭部和頸部造成的問題，進行一款智能枕頭的設計開發。針對年長者的智能產品創新設計應該從老年人的認知需求角度來進行，應該充分了解和考慮老年用戶在使用智能產品時認知需求方面的優勢和劣勢[6]。本設計主要從按摩、熱敷和語音控制等幾個能夠滿足失能老人需求的方面展開創意設計。用按摩旋轉頭、Arduino 開發板、LED 燈、語音識別芯片等材料，經過電路連接，再通過C 語言編程，用簡易的規格實現智能枕頭中所涉及到的功能，如圖1 所示。在本階段中，主要采用了以用戶需求為導向的設計概念，綜合考慮現有可行技術，并用簡易原型來驗證概念可行性。

3.2 第二步：工程技術驗證

考慮到資金和技術的限制，采用可采購的常規規格元器件比重新開發特殊規格的元器件更具可行性。為了能實現概念原型中的功能，運用了溫感熱敷、8D 旋轉頭按摩、智能語音識別等技術。所用到的元器件有：Android 開發板、直流電機、8D 旋轉頭、LD3320 語音識別芯片、PCB 制作板、杜邦線等。

3.3 第三步：設計驗證

在已經過工程技術驗證的原型基礎上，進行設計驗證，包含結構/ 機構設計、工業設計以及電子/ 程序設計等。結構/ 機構設計如圖2 所示，由多層透氣網格布材料包裹具有彈性的乳膠，內部結構由底座與兩側支撐構筑內部空間，容納各種元器件。

設計的過程中，首先考慮產品內部結構的尺寸及其組裝。隨后，考慮產品外觀的人機工程尺寸，使其具有調整失能老人頸椎曲線的功能。因此，在設計外觀時將枕頭的曲線貼合人體正常的頸椎曲線。在確定好產品尺寸和外觀后，進行產品的細節設計，如產品的材質選擇與運用、人機尺寸設計、色彩設計等。如圖3所示，本智能枕頭外殼、兩側支撐以及拉伸圓形枕由乳膠材質填充，外部采用親膚柔軟的透氣網格布料。最外層再用全棉材質的布料作為枕套。在產品表面設計凹凸紋理用來增強使用者的觸感，提升感官體驗。

在電子電路以及程序設計部分，根據元器件的規格與要求，進行了電路連接和焊接，并用C 語言進行了程序編寫，如圖4所示。以此來實現多種交互功能，如：智能枕的間歇功能、智能枕的節能模式、LED燈的控制、智能枕的模式轉換、智能枕的按摩轉向，以及串行通信波特率控制等。

經上述三個方面設計驗證，智能枕頭的開發完成了前三階段的驗證，這也為之后的量產奠定了基礎。因現有資源條件的限制，面向生產的第四和第五階段還未能涉及。

4 結論

隨著信息化、智能化建設日益成熟，各類智能相關的產品已成為了當前大眾生活中密不可分的重要組成。本研究以高科技產品的開發流程作為基礎來探討智能產品的創新設計開發流程。從概念發想、工程技術驗證、設計驗證、生產線驗證再到量產，其中每個階段都需要反復驗證該階段的可行性，以降低創新風險。同時因智能產品的創新涉及到軟件、硬件的共同開發，所以在開發過程中，要重視跨專業的團隊合作，采用并行工程的開發流程進行。如在設計驗證階段，機構/ 結構設計、工業設計以及電子/ 程序設計等開發同時展開。本研究為相關行業研發智能產品的開發提供了新的參考與思路。限于現有資源的局限性，未來還將對生產線驗證以及量產階段進行進一步地研究。