陳劍飛，成思源，楊雪榮，周金平

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006)

基于功能拓展的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法*

陳劍飛，成思源，楊雪榮，周金平

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006)

由于消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品功能需求的不斷變化，企業(yè)需要系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法來(lái)提高產(chǎn)品創(chuàng)新能力，以滿足消費(fèi)者快速多變的需求。針對(duì)功能需求的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究，提出一種基于功能拓展的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。在確定核心功能的基礎(chǔ)上，以宏功能為邏輯聯(lián)系，對(duì)核心功能進(jìn)行拓展繪制出功能系統(tǒng)圖，再利用功能導(dǎo)向搜索和結(jié)構(gòu)知識(shí)庫(kù)，對(duì)功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)匹配，實(shí)現(xiàn)從功能到結(jié)構(gòu)的映射，最后將各結(jié)構(gòu)組合，完成概念設(shè)計(jì)。從而通過(guò)核心功能的拓展形成滿足特定功能需求的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。最后用行李車案例驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的有效性。

宏功能；功能拓展；概念設(shè)計(jì)；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

0 引言

隨著消費(fèi)水平的不斷提高，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的功能需求在不停的變化，這就使得生產(chǎn)的產(chǎn)品必須滿足消費(fèi)者快速多變的要求，進(jìn)一步導(dǎo)致了制造業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，針對(duì)消費(fèi)者的功能需求，不斷推出好的新產(chǎn)品是企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。

目前，針對(duì)功能需求來(lái)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品，已有許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[1]針對(duì)已有產(chǎn)品的再創(chuàng)新設(shè)計(jì)提出一種基于功能本體的再創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略;文獻(xiàn)[2]針對(duì)專利的再創(chuàng)新設(shè)計(jì)提出一種集成TRIZ和專利規(guī)避設(shè)計(jì)的產(chǎn)品創(chuàng)新方法;文獻(xiàn)[3]為了提高復(fù)雜產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新性,提出一種運(yùn)用知識(shí)進(jìn)化算法和實(shí)例推理的結(jié)合算法開(kāi)發(fā)復(fù)雜產(chǎn)品的方法。

以上研究對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)起到了重要的推動(dòng)作用，但是大多是在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行集成、裁剪、替換等操作，以達(dá)到再創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目的。針對(duì)功能需求，基于核心功能的拓展進(jìn)行新產(chǎn)品創(chuàng)新的方法還比較少見(jiàn)。

本文在已有研究基礎(chǔ)上，針對(duì)新產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)，提出了一種基于功能拓展的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。在確定核心功能的基礎(chǔ)上，以宏功能為邏輯聯(lián)系，對(duì)核心功能進(jìn)行拓展繪制出功能系統(tǒng)圖。然后運(yùn)用功能導(dǎo)向搜索和現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)知識(shí)庫(kù)等來(lái)映射各功能對(duì)應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)，完成概念設(shè)計(jì)。最后用案例驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的有效性。

1 宏功能的定義

產(chǎn)品功能可以理解為產(chǎn)品的效能，用途和作用。功能定義就是對(duì)產(chǎn)品的需求信息或者效應(yīng)，用科學(xué)、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔、明確的語(yǔ)言進(jìn)行抽象的描述[4-5]。圖1是產(chǎn)品與功能實(shí)物特性的抽象描述。功能求解就是要尋求實(shí)現(xiàn)功能的技術(shù)載體，功能求解的過(guò)程就是功能到結(jié)構(gòu)映射的過(guò)程[6-8]。

宏功能本身是一種功能，更重要的是它表述功能之間相互作用與種種聯(lián)系，可以理解為功能的功能，用于描述方法功能與目標(biāo)功能之間的關(guān)系[1]。如圖2所示是宏功能的概念模型，宏功能是連接方法功能和目標(biāo)功能最本質(zhì)的橋梁，它為功能與功能之間進(jìn)行邏輯聯(lián)系提供依據(jù)。具體的可以理解為宏功能作用于方法功能而產(chǎn)生目標(biāo)功能，也可以由目標(biāo)功能利用宏功能找出方法功能，如提供，驅(qū)動(dòng)，使得，控制，操縱等。

圖1 產(chǎn)品與功能實(shí)物特性的抽象描述

宏功能對(duì)產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)起到非常重要的作用，事實(shí)上只要確定目標(biāo)功能，再根據(jù)宏功能，我們就可以找到方法功能，只要可以滿足宏功能要求的方法或原理都可以選擇，就是說(shuō)可以供選用的方法功能不只一種，每一種方法功能都是一種新的思路，進(jìn)而產(chǎn)生不同的設(shè)計(jì)結(jié)果，這都會(huì)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)概念產(chǎn)生巨大影響，可以說(shuō)每個(gè)宏功能都是創(chuàng)新的突破節(jié)點(diǎn)。

圖2 宏功能概念模型

2 基于功能拓展的概念設(shè)計(jì)

基于功能拓展的概念設(shè)計(jì)可分為五個(gè)步驟：確定核心功能、核心功能的拓展、功能整理和功能結(jié)構(gòu)圖的繪制、功能到結(jié)構(gòu)的映射、評(píng)價(jià)。

2.1 確定核心功能

核心功能就是用戶對(duì)于產(chǎn)品的需要功能，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品使用價(jià)值必不可少的功能，子功能是為了實(shí)現(xiàn)核心功能而存在的功能，這里的核心功能和子功能可以作為方法功能或目標(biāo)功能。對(duì)于同一個(gè)功能需求，可能有很多種核心功能供選擇，每一種新的核心功能都是一種新的思路。

2.2 核心功能拓展

在核心功能確定的基礎(chǔ)上，以核心功能為中心拓展成若干個(gè)子功能，宏功能為功能拓展提供了思路和邏輯依據(jù)。拓展的基本思路是：核心功能怎樣產(chǎn)生，核心功能要做什么。如圖3功能拓展的流程圖所示。將核心功能當(dāng)作目標(biāo)功能，通過(guò)宏功能就可以找到方法功能，只要可以滿足宏功能要求的方法或原理我們都可以選擇，也就是說(shuō)可以供選用的方法功能有很多種，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)庫(kù)選擇易于實(shí)現(xiàn)的方法功能，以產(chǎn)生的方法功能作為目標(biāo)功能，通過(guò)宏功能再產(chǎn)生方法功能，以此類推，原則上是拓展到不能再拓展為止，直到最后的末端功能。然后將核心功能當(dāng)作方法功能，通過(guò)宏功能就可以找到目標(biāo)功能。像這樣利用宏功能拓展出功能組織結(jié)構(gòu)。

圖3 功能拓展的流程圖

2.3 功能整理及繪制功能系統(tǒng)圖

宏功能揭示了功能之間的相互作用和聯(lián)系。如圖4功能系統(tǒng)圖所示，利用宏功能拓展出功能組織結(jié)構(gòu)在描述形式上常采用功能塊圖，運(yùn)用系統(tǒng)思想，分析確定功能間的網(wǎng)狀關(guān)系，從而建立功能系統(tǒng)圖?？梢钥吹剑δ芟到y(tǒng)圖具有較強(qiáng)的邏輯性和合理性，是分析功能相互關(guān)系的強(qiáng)有力的圖形工具，能準(zhǔn)確地顯示所有功能之間的關(guān)系，檢查所研究的各功能的有效性，發(fā)現(xiàn)遺漏的功能，開(kāi)拓設(shè)計(jì)者的思維。

圖4 功能系統(tǒng)圖

2.4 功能到結(jié)構(gòu)的映射

通過(guò)前面的各個(gè)工作步驟，已經(jīng)建立了功能系統(tǒng)圖，可以清晰地看到實(shí)現(xiàn)核心功能所需的各個(gè)功能，為了實(shí)現(xiàn)這些功能，運(yùn)用功能導(dǎo)向搜索和現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)知識(shí)庫(kù)等來(lái)映射各功能對(duì)應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)。如圖5所示是從功能到結(jié)構(gòu)的映射框架，由功能到結(jié)構(gòu)的映射是通過(guò)功能匹配、功能實(shí)現(xiàn)方法查找以及功能間互相關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的[9-10]。功能導(dǎo)向搜索是通過(guò)檢索功能實(shí)現(xiàn)的方法庫(kù)，從中可以找到功能的實(shí)現(xiàn)方法，為我們提供思路，由于功能導(dǎo)向搜索使用的是現(xiàn)有的解決方案，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，需要的資源也比較少，而且得出來(lái)的方法大多數(shù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)證實(shí)，項(xiàng)目失敗的風(fēng)險(xiǎn)也比較低[11-12]。結(jié)構(gòu)知識(shí)庫(kù)存貯了大量而豐富的物理結(jié)構(gòu)方法，可以在其中找到合適的結(jié)構(gòu)方法，實(shí)現(xiàn)部分功能的結(jié)構(gòu)辨識(shí)和匹配。通過(guò)功能匹配和功能實(shí)現(xiàn)方法查詢完成功能結(jié)構(gòu)模型到物理結(jié)構(gòu)模型的映射，組合到一起就構(gòu)成了最終產(chǎn)品。

對(duì)物理結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，希望最終得到低成本、高可靠性、易于實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。在需要時(shí)可以對(duì)物理結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行替換，在必要的情況下甚至可以對(duì)功能結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行修改，修改的方法是通過(guò)在知識(shí)庫(kù)中查找同義或反義功能語(yǔ)義表達(dá)，進(jìn)而產(chǎn)生功能變更或改變功能間的關(guān)系來(lái)產(chǎn)生替代功能，這種替代功能與原始功能具有相同的作用目標(biāo)，但是比原始功能性能更加優(yōu)越，可以映射出所希望的低成本、高可靠性、易于實(shí)現(xiàn)的物理結(jié)構(gòu)。

圖5 從功能到結(jié)構(gòu)的映射框架

3 案例

行李車被廣泛應(yīng)用于車站、航站等公共場(chǎng)所中，以協(xié)助相關(guān)使用者搬運(yùn)移動(dòng)行李及物品的，行李車在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上為人們所熟知，通常包括設(shè)于行李車底部的一載盤、由該載盤后側(cè)立向延伸的一拉桿架，以及設(shè)于載盤底部的數(shù)個(gè)輪子，十分普遍。

行李車于實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，行李車的輪子具有輕易滾動(dòng)特性，以利于其移動(dòng)的順暢性,但也相對(duì)造成行李車使用過(guò)程中會(huì)因此存在一些問(wèn)題，例如在通過(guò)地下通道時(shí)，行李車極易因速度過(guò)快而側(cè)翻，給人們?cè)斐刹槐悖蛘咴诠饣孛嫔?，稍微人為的碰撞就?huì)產(chǎn)生位移，甚至側(cè)翻摔倒，造成一些不必要的損失。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)上存在的不足，人們需要一種具有速度控制功能的行李車。

(1)核心功能的確定

確定核心功能為速度控制功能。

(2)核心功能的拓展

在速度控制功能確定的基礎(chǔ)上，以速度控制功能為中心拓展出子功能，宏功能為功能拓展提供了思路和邏輯依據(jù),拓展的基本思路是：核心功能怎樣產(chǎn)生，核心功能要做什么。

將速度控制功能當(dāng)作目標(biāo)功能，怎么樣產(chǎn)生“速度控制功能”呢？所以定下宏功能為“使得”，就可以找到滿足宏功能“使得”的方法功能比如“產(chǎn)生摩擦力”“減少動(dòng)力”“減檔位”等等，我們根據(jù)實(shí)際需要選擇易于實(shí)現(xiàn)的“產(chǎn)生摩擦力”，以產(chǎn)生的方法功能功能“產(chǎn)生摩擦力”作為目標(biāo)功能，怎么樣產(chǎn)生“產(chǎn)生摩擦力”呢？確定宏功能為“提供”通過(guò)以上的方法再找到易于實(shí)現(xiàn)的方法功能“力作用的轉(zhuǎn)換”，以產(chǎn)生的方法功能功能作為目標(biāo)功能，通過(guò)宏功能“驅(qū)動(dòng)”再找到方法功能“力作用的傳遞”，運(yùn)用這種方法，最后找到末端功能“提供動(dòng)力”。將速度控制功能當(dāng)作方法功能，“速度控制功能”要做什么呢？確定宏功能“控制”就可以找出目標(biāo)功能“車體的減速或加速”。利用宏功能這種揭示了功能之間的相互作用和聯(lián)系就可以拓展出功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

(3)功能整理及繪制功能系統(tǒng)圖

核心功能拓展完成后對(duì)功能進(jìn)行整理繪制出功能系統(tǒng)圖。如圖6所示是速度控制裝置功能系統(tǒng)圖。

圖6 速度控制功能裝置的功能系統(tǒng)圖

(4)功能到結(jié)構(gòu)的映射

通過(guò)前面的各個(gè)工作步驟，已經(jīng)建立了功能系統(tǒng)圖，可以清晰地看到實(shí)現(xiàn)核心功能所需的各個(gè)功能，為了實(shí)現(xiàn)這些功能，運(yùn)用功能導(dǎo)向搜索和現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)知識(shí)庫(kù)等來(lái)映射各功能對(duì)應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)，如表1所示是功能到結(jié)構(gòu)的映射方案。

表1 功能到結(jié)構(gòu)映射的方案

(5)最終方案

通過(guò)功能映射出的速度控制裝置的結(jié)構(gòu)，并且和傳統(tǒng)行李車的支撐結(jié)構(gòu)模塊、移動(dòng)結(jié)構(gòu)模塊有機(jī)的組合到一塊就構(gòu)成了具有速度控制功能的行李車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。具體方案如圖7所示，行李車工作時(shí)，主要通過(guò)固定式拉桿1向下壓或上提時(shí)，操縱連動(dòng)桿2，使連動(dòng)桿壓緊或放松，來(lái)驅(qū)動(dòng)止推桿3的下壓和復(fù)位，使得摩擦片4與工作輪5接觸與分離，以達(dá)到控制速度的作用。

本具體實(shí)施方式通過(guò)固定式拉桿向下壓、上升動(dòng)作即可以完成行李車的速度控制，而整體結(jié)構(gòu)僅僅通過(guò)所述的連動(dòng)桿、推動(dòng)桿、止推桿、彈性復(fù)位構(gòu)件即可達(dá)到行李車的速度控制功能，可提供一種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單且操作方便的行李車速度控制功能機(jī)構(gòu)，該設(shè)計(jì)通過(guò)人力使拉桿下壓產(chǎn)生的力讓摩擦片去控制行李車的速度，這個(gè)下壓的力不僅僅是來(lái)源與人力，更主要的是來(lái)源于行李車及所承載貨物本省的重力，這樣就極大的減輕了人的勞動(dòng)負(fù)荷量，具有一定的新穎性和實(shí)用性[13]。

1.固定式拉桿 2.聯(lián)動(dòng)桿 3.止推桿 4.摩擦片 5.工作輪

4 結(jié)論

本文以新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的核心功能為基礎(chǔ)，以宏功能擴(kuò)展為手段，為產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。針對(duì)新技術(shù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，以核心功能為出發(fā)點(diǎn)，以宏功能為邏輯聯(lián)系，對(duì)核心功能進(jìn)行拓展繪制功能系統(tǒng)圖，預(yù)先確定其應(yīng)具備的功能。然后根據(jù)功能系統(tǒng)圖要求和約束條件去構(gòu)思、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能的方法，運(yùn)用功能導(dǎo)向搜索和現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)知識(shí)庫(kù)等來(lái)映射各功能對(duì)應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)，完成概念設(shè)計(jì)，最終得到所需求的產(chǎn)品。以一種速度控制功能的行李車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)路線對(duì)新技術(shù)系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的有效性。

[1] Tang D, Zhu R, Chen X, et al. Functional Reverse Engineering for Re-creation Design.[J]. Advances in Intelligent & Soft Computing, 2009, 66:185-195.

[2] 王浩倫. 基于TRIZ和專利規(guī)避設(shè)計(jì)的產(chǎn)品創(chuàng)新方法[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2014(5):66-68.

[3] 胡玉蘭, 楊汝靜. 基于知識(shí)進(jìn)化與多級(jí)實(shí)例推理的復(fù)雜產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2013(10):20-23.

[4] 陳飛, 王隆太. 產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中的相關(guān)技術(shù)[J]. 揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2001, 4(3):64-66,71.

[5] 單鴻波, 李淑霞, 孫志宏. 本體范疇下一種新的功能定義及對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程劃分[J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào), 2011,18(1):12-16.

[6] 楊艷華. 概念設(shè)計(jì)功能求解混合推理映射研究[D].福州:福州大學(xué), 2011.

[7] 宋慧軍, 林志航. 機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)多層次混合映射功能求解框架[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2003, 39(5):82-87.

[8] 許勇, 鄒慧君. 基于接口匹配的機(jī)電系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)功能求解[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2006, 12(9):1396-1401.

[9] 鄒慧君, 汪利. 機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)及其方法綜述[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 1998(2):9-12.

[10] 羅海玉.基于功能分析的概念設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用, 2002,15(4):65-67.

[11] 劉寧, 李艷, 金琳,等. 基于功能導(dǎo)向搜索和功能裁剪的專利規(guī)避設(shè)計(jì)[J]. 北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào), 2015,23 (2):48-51.

[12] 成思源，周金平，郭鐘寧．技術(shù)創(chuàng)新方法-TRIZ理論及應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2014．

[13] 陳劍飛，成思源，楊雪榮．一種具有速度控制功能的行李車[P]．中國(guó)：CN 201520227836.5A，2015-04-15．

(編輯 李秀敏)

A Methodology of Innovation Design Based on Function Expansion

CHEN Jian-fei, CHENG Si-yuan, YANG Xue-rong, ZHOU Jin-ping

(College of Electromechanics Engineering,Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006,China)

Due to consumer demand for product function changing, the enterprise needs to systematic design method to improve product innovation capability, in order to meet the rapidly changing consumer demand. Aimed at function needs based new product development, a methodology of Innovation Design Based on function expansion was proposed.On basis of determining core function, the key function was expanded by logically linking of the meta-function, and the function system diagram was drawn. The structure-knowledge library and Functional orientation search were used to match the function with the structure. So the structure was achieved. Combining the structures, conceptual design was realized. So the innovation design products which satisfies function needs was formed. Finally, a luggage cart case study was used to illustrate the validity of the design method.

meta-function; functional expansion; conceptual design; innovation design

1001-2265(2017)01-0028-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.008

2016-03-17；

2016-04-18

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目 (2013B061000006, 2014A040402004, 2014A040401078)

陳劍飛(1989—)，男，湖北谷城人，廣東工業(yè)大學(xué)碩士，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品創(chuàng)新方法，(E-mail)903868794@qq.com。

TH122;TG506

A