陳永超等

[摘 要]本文為《工業(yè)產(chǎn)品再設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)了一套基于人機(jī)工程學(xué)原理的產(chǎn)品改良設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)原理是運(yùn)用人體生理結(jié)構(gòu)反形與目標(biāo)產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行合成，得出新的產(chǎn)品造型。實(shí)驗(yàn)運(yùn)用逆向工程技術(shù)與Morphing設(shè)計(jì)方法得出產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)已應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中，教學(xué)反饋?zhàn)C明學(xué)生容易掌握實(shí)驗(yàn)方法，且結(jié)論與設(shè)計(jì)效果良好。

[關(guān)鍵詞]逆向工程；人機(jī)工程學(xué)；改良設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)

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為了能夠在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)，很多企業(yè)不斷改良產(chǎn)品設(shè)計(jì)，推出新產(chǎn)品。因此，產(chǎn)品改良設(shè)計(jì)的原理與方法是工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生所必須掌握的?！豆I(yè)產(chǎn)品再設(shè)計(jì)》課程即是針對(duì)如何改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)課程。[1]人機(jī)工程學(xué)是工業(yè)設(shè)計(jì)中重要的輔助手段。[2]在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，人機(jī)工程學(xué)為衡量產(chǎn)品使用舒適度提供了參考和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。而在人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐方面，Shenchang Eric Chen提出形態(tài)混合遷變的方法，即可以運(yùn)用人體尺度數(shù)據(jù)與產(chǎn)品數(shù)據(jù)合成新產(chǎn)品造型。本文所介紹的實(shí)驗(yàn)方案，運(yùn)用逆向工程[1][3]的方法：首先用油泥、發(fā)泡泡沫等材料制作人體生理構(gòu)造反形，再利用shape averaging[3]（Morphing）法對(duì)人體反形與產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行混合遷變，得出新的產(chǎn)品形態(tài)。本文列舉兩例自行車把改良設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)1

本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用手掌持握反形（有手指凹陷）與目標(biāo)車把合成新的車把造型，目的在于改良和優(yōu)化現(xiàn)有車把與手掌生理結(jié)構(gòu)的吻合度。使用帶有手指凹陷構(gòu)造的手掌持握反形，可以得出持握穩(wěn)定的車把設(shè)計(jì)結(jié)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(shù)字化三維掃描儀和Stereo 3D獲取其三維數(shù)據(jù)（圖1）。

（2）利用數(shù)字化三維掃描儀獲取目標(biāo)車把（圖2）三維數(shù)據(jù)。

（3）分別抽離等量的手掌持握反形（有手指凹陷）與目標(biāo)車把的截面輪廓線。

（4）將兩組截面輪廓線置于同一坐標(biāo)系，并縮放調(diào)整位置與尺度。

（5）將兩組輪廓線進(jìn)行混合運(yùn)算，并采取不同的Morphing比例，選擇最佳混合遷變結(jié)果，其加權(quán)比例為3∶7；圖4左側(cè)為目標(biāo)車把局部截面輪廓線，右側(cè)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(jié)果。

（6）以步驟（5）中的結(jié)果，創(chuàng)建新曲面，生成最終形態(tài)（圖3）。

（7）制作改良車把設(shè)計(jì)效果圖（圖略）。

2 實(shí)驗(yàn)2

本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用手掌持握反形（無(wú)手指凹陷）與目標(biāo)車把合成新的車把造型，目的在于改良和優(yōu)化現(xiàn)有車把與手掌生理結(jié)構(gòu)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(gòu)造的手掌持握反形，可以得出持握穩(wěn)定性稍差，稍有些手掌活動(dòng)自由度的車把設(shè)計(jì)結(jié)果。

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

（2）利用數(shù)字化三維掃描儀獲取目標(biāo)車把（圖2）三維數(shù)據(jù)

（3）分別抽離等量的手掌持握反形（無(wú)手指凹陷）與目標(biāo)車把的截面輪廓線

（4）將兩組截面輪廓線置于同一坐標(biāo)系，并縮放調(diào)整位置與尺度

（5）將兩組輪廓線進(jìn)行混合運(yùn)算，并采取不同的MORPHING比例，選擇最佳混合遷變結(jié)果，其加權(quán)比例為5∶6；圖7左側(cè)為目標(biāo)車把局部截面輪廓線，右側(cè)為油泥手掌持握反形（無(wú)手指凹陷）局部截面輪廓線，紅色為所選最佳結(jié)果

（6）以步驟（5）中的結(jié)果，創(chuàng)建新曲面，生成最終形態(tài)（圖6）

（7）制作改良車把設(shè)計(jì)效果圖（圖略）

3 結(jié) 論

本文所介紹的兩例實(shí)驗(yàn)為2014年天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)《工業(yè)產(chǎn)品再設(shè)計(jì)》課程實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)案例表明：兩個(gè)設(shè)計(jì)方案均有效的對(duì)自行車把的造型進(jìn)行了改良設(shè)計(jì)。所不同的是實(shí)驗(yàn)1的結(jié)果可使手掌持握車把時(shí)貼合更為緊密，實(shí)驗(yàn)2 的結(jié)果手掌持握的自由度較高。兩種改進(jìn)設(shè)計(jì)可適用于不同使用習(xí)慣的人群。由于設(shè)計(jì)來(lái)源于人體結(jié)構(gòu)反形，這種直觀反求的方式保障了人體結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品外形的吻合度。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果取決于手掌持握反形與目標(biāo)車把形態(tài)的混合結(jié)果。故，手掌持握反形的設(shè)計(jì)在本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中至關(guān)重要，直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，本實(shí)驗(yàn)的局限即在于設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)不同生理尺度的適應(yīng)性較差。因此，本實(shí)驗(yàn)的方法，可以拓展為運(yùn)用多件不同尺度的手掌持握反形得出多個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果，即可以產(chǎn)生不同尺碼的產(chǎn)品，以符合更多人群的需求。

本課程實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握了基于人機(jī)工程學(xué)的產(chǎn)品改良設(shè)計(jì)方法，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了專業(yè)技能，提高了學(xué)生對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的認(rèn)知度。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳永超，王秋惠，楊愛(ài)慧，等基于逆向工程技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品再設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)市場(chǎng)，2015（19）.

[2]盧兆麟，湯文成工業(yè)設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)理論、技術(shù)與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，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