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工业设计主导下的非标装备设计研究现状及发展趋势*敖进1，车林仙2，段胜峰1，赵卫东1，许娜1（1.四川美术学院 设计学院，重庆401331；2.重庆工程职业技术学院 智能制造学院，重庆402260）摘要：装备制造业是关系国际民生的重点产业，尤其以非标装备设计、制造和生产最具发展潜力，工业设计学科介入装备制造设计在新时代下成为可能，并可以主导非标装备的研发。文中以从外观造型设计、人因工程、用户研究、创新与产业发展等几方面将工业设计介入非标装备设计的相关研究内容和结果进行了汇总，以谋求装备行业科学的未来发展趋势和该行业产业升级的路径。关键词：工业设计；非标装备；研究现状；发展趋势中图分类号：TB47文献标识码：A文章编号：1001-2354（2023）S2-0214-06Research status and development trend of non-standardequipment design under the leadership of industrial designdisciplineAO Jin1，CHE Linxian2，DUAN Shengfeng1，ZHAO Weidong1，XU Na1（1.Design Academy，Sichuan Fine Arts Institute，Chongqing 401331；2.School of Intelligent Manufacturing，Chongqing Vocational Institute of Engineering，Chongqing 402260）Abstract：Equipment manufacturing industry is a key industry related to international peoples livelihood，especially the de-sign，manufacturing and production of non-standard equipment has the most development potential.The discipline of industrial de-sign intervenes in equipment manufacturing design in the new era，and can lead the research and development of non-standardequipment.This paper summarizes the relevant research content and results of industrial design intervention in non-standardequipment design from the aspects of appearance design，human factors engineering，user research，innovation and industrial de-velopment，so as to seek the future development trend of equipment industry science and the path of industrial upgrading in the in-dustry.Key words：industrial design；non-standard equipment；research status；development trends*收稿日期：2023-07-16；修订日期：2023-10-22基金项目：重庆市教委科学技术重点研究项目（KJZD-K202101001；KJZD-K202201001）装备制造产业涵盖面非常广泛，涉及国计民生的方方面面。在社会高速发展的今天，将前沿的工程技术转化为新的建设工程，将新的材料科学成果应用为新的生产工艺、将创新的方法和技术转化为新的产品等均离不开装备制造业。而非标装备长期以来标准模糊，应急、拼凑的痕迹明显，使用过程中生产事故和安全事故屡屡发生，一方面是非标装备专业性太强，所涉及的专业和行业又太多，专业之间没有主次和主导关系，也难以形成自己的技术标准；另一方面设计理念落后，仅仅是基于功能实现和“解决问题”的设计思路，这种理念具有很大的局限性。基于这些方面，装备本身应当具有的人文关怀属性为主以解决上述问题，如防错性、易用性、舒适性和美观性等都值得重视，而来自工业设计学科的技术介入显得尤为重要。文中从工业设计介入非标装备的可能性、研究内容、研究方式和发展趋势等对此做了阐述，明确了从工业设计出发的非标装备人因化设计理念、产品化发展的方向，亦需要针对非标装备定制化、单件或少量制作的特性中找到最本质的人的因第 40 卷 增刊 22023 年 12 月Vol.40S2Dec.2023机械设计JOURNAL OF MACHINE DESIGNDOI:10.13841/ki.jxsj.2023.s2.0172023年12月素，用先进的设计手段如情感设计1进行研发。1非标装备工业设计的国内外研究现状1.1外观造型研究内容与方法外观造型是非标工业装备研究重要的一环，其涉及装备的设计质量、视觉安全、用户体验和产品增值等各方面因素，国内外对此进行了大量研究，通常是综合方法论、美学和数据统计基础之上的造型创作与创意。袁雪娇等2基于产品造型设计中的形态、色彩等构成要素对世界大型数控机床设备进行了分类与统计，并以特征归纳的方式形成了机床设备的造型方法论研究。林敬亭3基于计算机辅助工业设计对机床产品进行了造型研究，以数据对产品族进行造型，最终目标是提升机床产品的设计附加值。陈香等4开展的造型设计研究是基于可拓语义分析进行的，首先提取文化内涵相关的表征词汇，其次将词汇构建表征模型，最后以有轨电车为例进行量化、转换，得到语义符号，在设计实践中进行验证。赵玺等5对数控机床的色彩设计进行了研究，给出色彩设计案例，证明色彩设计对于数控机床劳动效率、安全性方面的影响。姚君等6的造型研究是以品牌基因理论为出发点，提出专属品牌的造型元素在整个装备产品族研发过程中的应用与延续，也是造型理论的企业文化应用之一。张馨元等7对于掘进机的外观造型研究和设计是基于装备的功能研究基础之上进行的，同时兼顾市场要求及行业规范，提出了针对某款掘进机的改良设计方案。李江泳等8对于工程机械装备的造型也是基于品牌和企业文化，提出产品造型特征语义和产品语义学的应用，是具有可实际操作的造型研究方法之一。王沈策9基于传统矿山产品造型设计缺乏识别设计造型元素，融入意向风格识别方式来构建特征元素、特征面和造型风格意向的设计方法，其充分地将人文因素注入了工程机械的设计当中去。Halen10则以归纳和举证的方式对50年来斯堪的纳维亚地区的北欧造型设计进行研究，其中包含多个装备造型案例。1.2装备设计中的人因工程研究内容与方法人因工程学应用于装备设计和研发是装备制造业创新的趋势之一，而人因工程学本身并没有一个统一的标准和检验方式，因此，对其研究并应用于装备设计是各个企业和研究人员都在进行的一种试错和迭代的研究方法。李和森11以人体尺寸研究的方式提出了手持型产品的设计方法，并实践了某款手持检测器的造型设计，其内容既涵盖了产品造型设计的要求，也根据人因工程的原则对造型进行了优化设计。王超等12则以高速列车这一典型大型装备为研究载体，其研究内容涵盖了人因工程中的车厢人机界面、人与操作环境界面及人与组织界面3个方面的技术内容，是对人因工程学的实际应用研究。范文等13研究一种依据人体肌肉疲劳试验所得数据进行人体疲劳特性评估的方法，以获得人体疲劳特性值。李洁等14基于人因工程原理提出了差异性人性化设计概念，通过人机工程仿真和人机交互试验，找出设计方法用于护理床设计的典型设计应用。Qi等15则是直接利用了人体表面肌电信号来用于特种民用装备（如助残轮椅）等的控制与仿真研究，属于从生理学基础层面进行人因工程应用。质量体系管理专家、丰田生产体系创建人日本雴江滋生提出了产线防错设计理念，其提出生产差错分为两大类：一类是人为疏忽造成的无意之错，一类是非人为的环节造成的差错，比如设备故障和设计缺陷。基于此，马东阳等16以航空发动机装配过程为研究内容，从心理学、行为模式等人因角度展开了防错设计研究，提出了防错设计中的若干维度，是具有可操作性的设计方法案例。1.3装备设计中的用户研究工业设计中的用户研究包含了用户的经济和社会属性研究，包含了用户交互性研究和基于用户体验的问题研究等内容，这些研究内容对装备设计也适用，但并不能完全涵盖。以工程机械装备为例，设计人员首先是机械工程的专家，其次还需要成为土木工程或桥梁工程等方面的专家。同时，因装备制造业本身并不直接面对广大用户，而其装备的使用者并不属于传统意义上的“用户”，因此非标装备的设计出发点是有缺陷的，往往缺乏人性化的设计理念，使得装备暴露出不易用、不好用、不通用、难维护和造价高等缺陷，这有可能使得装备直接使用者难以从根本上认同此装备。黄黎清等17基于用户体验的产品设计理论，提出通过让直接用户参与装备产品设计的各个阶段，或通过构建用户的任务模型来进行电动工具的创新设计。钟蜀津等18提出了以用户为中心的一种设计方法，其内容是让用户参与到设计方案的评价过程中，通过评价获得产品设计的最优解。艾险峰等19基于产品设计的体验设计法，针对现有瓦楞纸包装印刷机，分别对三方直接和间接用户进行“Say，do和make”研究，验证了体验设计法在设计团队获取专业知识方面的有效性。黄颖等20以产品创新设计为目标，以社会分层论为出发点进行用户研究。团队以某阶层需求对象为例，基于目标意象词汇组进行参数化，分析得出复合意象评价值较高的样本及造型元素组合，即可得到这一阶层需求的产品造型元素组合。研究结果对装备类产品创新设计有借鉴意义。同样，刘昊等21探索以用户为中心的设计研究，通过对老年人自助换鞋需求的深入访谈，并且依据针对换鞋的过程得出的用户需求特征，建立了当前项目设计方案的评价指标集，实施了对多个设计方案的模糊综合评，评价过程和结果具有实际可操作性和一定的正确性。Nagamachi22则将感性工学、情绪工学直接应用于面向消费者的人机工学研究，以期采用用户感性层面的信息来获得产品研发的问题内在，以及挖掘感性信息向工程学层面的技术问题，来获得用户体验层面的产品研发方法。张春强等23将情感化设计用于机械设备设计，将用户对色彩的意向描述转化为色彩设计要素，再用用户本能的色彩感知来选择和确定最终设计敖进，等：工业设计主导下的非标装备设计研究现状及发展趋势-215机 械 设 计第40卷增刊2方案。1.4装备设计中的创新设计研究装备设计的创新设计出发点较多，下述较多的是技术层面的创新和设计方法的创新研究。宏观的工业装备概念也涵盖了生产线、工装夹具等，因此基于装备的创新设计其广度和深度更加明显。刘检华等24研究生产装备中手工装配生产线的计算机辅助过程控制方法，团队提出一种面向手工装配的计算机辅助装配过程控制方法，为解决装配过程控制难的问题提供了有效的途径和方法。杨艳红等25提出了一种基于 Act-3D 公司Quest3D软件的虚拟装配实现方法，可通过键盘、图形用户界面和数据手套等交互设备完成发动机虚拟拆装，这是一种创新设计方法研究。李付星26开展了压路机创新设计研究，针对大型压路机在作业过程中的各种问题，提出了基于“发明问题解决理论”冲突解决原理的创新设计方法。利用这种冲突解决理论原理在工程机械装备领域进行创新设计具有一定的可行性，并为传统的创新设计提供了理论工具。艾险峰等27的工业设计创新流程研究是基于TRIZ进行展开的，展开了基于 TRIZ 的工业设计创新流程研究，并基于TRIZ进行了工业设计实践。袁晓东28开展了基于逆向工程与 3D 打印技术的产品创新设计研究，阐明了产品逆向建模和3D打印技术结合的过程，解决了产品改良设计或迭代升级的一些具体技术问题，也成为产品创新设计中的一种重要方法。谭建荣等29基于创新设计基础科学问题研究，针对数控机床设计进行应用，提出创新设计十大基础科学问题研究体系和创新设计的关键技术，在装备制造业的创新设计中起到了重要的作用。Terry30阐述了增材制造中的3D打印在现代装备设计中的重要作用和创新使用方法。1.5装备制造业产业研究产业研究包含了经济发展和技术发展几个层面，而工业设计在装备制造业产业发展中的作用体现在哪些方面，都有着明确的答案。吴琼31以整个装备制造业为研究对象，阐述了中国装备制造业与工业设计的关系，提出工业设计的重要地位理论，指出装备制造业工业设计的主要特征。赵可恒32首先从产品属性、制造方、设计方、成效和体制等方面分析了装备制造业产业升级过程中导入工业设计的困境，其次从观念导入、造型设计、人机关系改良、品牌创建与管理和文化引导等层面提出了在装备制造业产业升级过程中导入工业设计的基本路径。王章豹等33对装备制造业行业技术创新能力进行评价研究，基于主成分分析方法，提出了18个指标的技术创新能力评价体系，并且应用于7个研究样本，做出了定量评价和实证分析，提出了政策建议。朱月红等34研究视角转向区域性工业设计协同创新，探讨和实践了以政府为主导的、整合资源和促进产学研合作为模式的工业设计协同创新体系的构建。2非标装备工业设计的发展趋势从非标装备工业设计的国内外研究现状来看，总体的发展是良性而趋向成熟的。但是非标装备的设计制造和新品研发难度非常高，涵盖的学科范围太过广泛，企业的技术储备往往还存在短板，都使得发展的道路困难重重。需要强调的是，虽然制造装备的专业化特点造成了制造装备的通用化程度很差，但同时也促进了生产制造装备的企业的技术力量具有集中与精准的特点，这也是装备制造业的优势所在。因此，从发展的眼光来看，国内的非标装备业应当抓住自身的优势，尤其应当引入工业设计并充分发挥相关各学科的优势力量，才能将装备业做大做强。引入工业设计之后，在此介绍一下中长期内非标装备设计的发展趋势。2.1工业设计学科全面介入非标装备设计已成为发展方向工程设计不能缺少工业设计思维，其在前期概念设计阶段将起到引领性的作用，在研发中期将起到协调组织的作用，在研发后期将起到效用评估和实施推广等的作用。以图1为例，在可载人月球车35的设计过程中，工业设计团队从一开始便介入了整体研发，一改非标装备研发的保守稳重、以工程为主的设计习惯，提出了以人为本的设计目标，敢于将先进科技和优秀的视觉表现作为主要设计手段，在满足宇航发射的轻量化要求、月球车行驶载人登月科考相关设备的配置要求、整体工程造价低，科技大国形象展示等一系列严苛的设计输入条件下，协调各相关设计部门的关系，在重庆大学机械传动国家重点实验室相关专家学者的努力下最终实现了技术细节的完善和整车的验证，整体方案进入了载人航天备选序列。2.2非标装备逐步发展为特定的消费类产品随着经济的发展和各种新兴理念的出现，消费者对于工业产品品类的要求逐渐提高，很多消费者已经迈入专业人员的行列，呈现的消费方式也多元化，此时非标装备会作为一种特殊的商品进入高端用户和专家用户的消费视野，装备会呈现一种非生产工具的属性，逐渐带有消费类产品的属性。竹艺智造工作站36（图2）便是这样一个前瞻性的、针对性图1可折叠载人月球车-2162023年12月特定用户的装备类产品。本产品借用加工中心和工作站的概念，将13个连续或间断的竹加工工序需要用到的工具、仿形、定位和装夹等辅具有机整合在一起，在空间和形式上加以优化，完成了一个整体和谐、视觉统一的“工作站”形式的工作台。本着手年轻人对于工艺的爱好，对于匠人精神的追求，将各个需要数年才能掌握的、效率低下的加工工序在简单的数个工位上进行简单而高效的操作即能完成加工，同时会让现代匠人深刻理解现代工业的魅力，不是纯粹的“手上功夫”。图2面向专家用户的竹产品创新创作综合加工工作台2.3人工智能辅助设计的非标装备在产品化过程中呈现系列化和家族化特征当前国内非标装备的设计制造一般都在装备制造企业内部完成，因此对其研究内容处于功能实现阶段，研究形式普遍基于工程类学科，研究方法缺少技术美学的应用及对使用者人文关怀内容，就项目论项目，就问题论问题，研究层面难以形成有效的前瞻性研究。但是随着科技的发展，以人工智能技术应用为代表的工业设计学科，除了能够辅助装备设计进行功能设计和工程验证方面的工作，并且在装备造型、色彩选择、用户习惯等方面都发挥作用，一定程度上能够实施人工智能辅助下的情感设计，让非标装备在产品化的过程中实现系列化、家族化。以图3为例，Midjourney平台的“设计”是基于概念化的关键词，在关键词的基础上进行外观造型、色彩甚至是解决方案的发散性表达，这种方式尤其适用于需要在产品研发过程中保持固定企业文化和产品造型DNA元素，同时实施迭代改进，或者是形成系列化产品的一种设计模式。这种瞬间完成统一的风格、发散而合理的解决方案、具有工程美感的表达形式，是需要设计师在某专业从业数十年以上才能具备的设计能力。2.4人因工程和情感设计全面导入非标装备研发过程从工业设计学科来看，装备设计的核心问题是人和机器之间的关系，未来的发展趋势是装备设计中人因工程和情感设计的深入研究。跨学科的人文学科内容在非标装备的研发过程中是难能可贵的，除开理念的问题，很多时候是跨学科人才短缺的掣肘，而工业设计的研究内容恰恰可以起到协调性和引领性的作用。以人性化的设计理念为出发点，未来先进的非标装备应当大量融合人文、人因的元素在里面。以口腔科医疗装备为例，一套完美的医疗装备首先要面对制造企业，装备的设计一定要具备成本合理、工艺先进、品质可控及易装配易检修等优点，以照拂生产线工人和技术服务人员；面对设备的采购和直接使用者（牙科医生），装备需要具备合理的售价、优秀的人机工程学、低强度的操作流程、易学习、易维护或免维护等要素；面对设备的间接使用者或者说操作对象（病患），装备需要有高科技的观感、合理而舒适的色彩、简洁可靠的外观、安静的运转过程、低廉的耗材费用等等。这些直接的、间接的需求，或强制性的、必要性的诉求，都是非标设备未来的研究对象，也是今后人类文明发展到一定高度以后对于劳动者和设备使用者的自然而然的关照与保护。2.5非标装备与环境的协调一致随着社会人类文明整体的提高，社会和政府都会难以容忍对环境造成破坏甚至是和环境不够协调的装备出现。未来的非标装备自身将被直接视为市政工程设施，甚至上升到城市景观和城市精神文明建设这个层次上来。因此，难以想象装备业的发展脱离的工业设计的介入和各学科的协同发展，能够给民众交出满意的答卷。以山城缆车37的设计为例（图4），山城缆车是基于大江大图3人工智能创作的盾构机发车台系列敖进，等：工业设计主导下的非标装备设计研究现状及发展趋势-217机 械 设 计第40卷增刊2河通勤之需而设计，同时满足了浏览观光的需求的特种装备。在实际应用中，移动的缆车成了移动的风景，也是移动的城市名片。山城缆车外骨骼网架的外围亦是构建了一重轻巧的桁架结构吊架，除了完美解决缆车车厢悬吊的难题，同时让网状吊架犹如编织花篮的提手，优雅而轻盈地将整个钻石花篮提升在半空。本设计仿佛让人看到了山城立体的多维的时空，游人能够在时空中畅游，从旧时光徜徉来到现代的新的山城。总之，未来的发展趋势是将非标工业装备的研发和创新从传统的技术创新和面向市场为主的方式，改变成为面向用户的研发和创新方式，以工业设计的设计方法和设计思维为出发点，以用户研究的方法为切入点进行研究。3结论让工业设计从基础上介入到传统产品设计难以介入的装备制造业，使得产业组织结构进一步优化，补足研发短板，增强企业竞争力。工业设计的介入可以使得企业自主创新能力明显提升，初步形成产学研用相结合的装备设计体系，形成一批具有自主知识产权的装备产品和一批具有国际视野的设计领军人才。工业设计介入装备制造业产业升级，可以提升设计附加值，拓展企业发展空间，让传统的装备从工厂走向民间，从生产资源转变为劳动者价值实现的载体。参考文献1 黄国梁，敖进，梁若男.台湾情感设计产业化：设计评价工具的发展 J.装饰，2020（8）：128-129.2 袁雪娇，程鲲，王基生，等.基于构成要素的数控机床造型特征研究 J.机械设计，2014，31（8）：118-121.3 林敬亭.基于CAID的机床产品族造型设计研究 J.机械设计，2013，30（6）：97-100.4 陈香，吴剑斌.基于可拓语义分析的有轨电车造型设计研究 J.机械设计，2018，35（3）：119-123.5 赵玺，邓茜.数控机床色彩设计研究 J.机械设计，2014，31（3）：109-112.6 姚君，王稳，马萌，等.基于造型差异分析的重型卡车产品设计研究 J.机械设计，2014，31（2）：114-117.7 张馨元，吴凤林.掘进机的造型设计研究 J.机械设计，2014，31（5）：107-110.8 李江泳，姚湘.面向品牌的工程机械造型特征设计研究 J.机械设计，2014，31（6）：102-104.9 王沈策.基于产品识别的矿山机械造型设计研究 J.机械设计，2015，32（8）：109-112.10 Halen Wickma.Scandinavian Design Beyond the Myth：Fifty Years ofScandinavian Design From the Nordic CountriesM.Los Angeles：RAM Distribution，2005.11 李和森.基于人机工程的手持检测器造型设计 J.机械设计，2014，31（1）：120-123.12王超，徐伯初，支锦亦，等.我国高速铁路客车车厢人机工程设计研究现状 J.机械设计，2015，32（2）：111-115.13范文，余隋怀，王军锋.基于人体疲劳特性的载人潜水器舱室布局评估方法 J.机械设计，2015，32（9）：105-110.14李洁，许晓云，赵玉倩.针对个体差异性的护理床人机工程设计研究 J.机械设计，2015，32（10）：122-125.15 Qi L P，James W L，Simon G，et al.Changes in surface electromyog-raphy signals and kinetics associated with progression of fatigue at twospeeds during wheelchair propulsionJ.Journal of RehabilitationResearch and Development，2012，49（1）：23-34.16马东阳，邓增君.面向航空发动机装配和使用过程的防错设计研究 J.装备制造技术，2019（5）：51-53.17 黄黎清，李明珠，陈恺恺，等.基于用户体验的电动工具创新设计 J.机械设计，2015，32（7）：109-111.18 钟蜀津，张磊，石学岗，等.基于用户评价的动平衡实验仪产品设计 J.机械设计，2014，31（5）：123-126.19艾险峰，胡康，周红宇.基于体验设计方法的包装印刷机造型设计研究 J.机械设计，2015，32（10）：109-113.20 黄颖，过伟敏，张秦玮.基于用户分层的产品创新设计研究 J.机械设计，2015，32（12）：105-109.21 刘昊，刘李明，曹梦涛，等.以用户为中心的设计理念在老年产品开发中的应用 J.机械设计，2021，38（3）：140-144.22 Nagamachi M.Kansei engineering as a powerful consumer orientedtechnology for product developmentJ.Applied Ergonomics，2002，33（1）：289-294.23 张春强，吉晓民.符合时代特征的机械设备色彩情感化设计研究J.机械设计，2018，35（3）：124-128.24刘检华，白书清，段华，等.面向手工装配的计算机辅助装配过程控制方法 J.计算机集成制造系统，2009，15（12）：2391-2398.图4重庆长江索道缆车未来发展设计方案-2182023年12月25杨艳红，钟相强，陈洋，等.基于Quest3D的工业产品虚拟装配研究 J.机械设计，2013，30（9）：97-100.26李付星.基于TRIZ冲突解决原理的压路机创新设计研究 J.机械设计，2014，32（9）：109-112.27艾险峰，胡康，周红宇，等.基于TRIZ的工业设计创新流程研究J.机械设计，2015，33（11）：105-109.28 袁晓东.基于逆向工程与3D打印技术的产品创新设计研究 J.机械设计，2015，33（10）：105-108.29 谭建荣，张树有，徐敬华，等.创新设计基础科学问题研究及其在数控机床中的应用 J.机械设计，2019，36（3）：1-7.30 Terry Wohlers.Additive manufacturing：status and opportunities-ad-ditive manufacturing and 3D printing J.State of the Industry，2014（4）：157-160.31 吴琼.装备制造业中的工业设计 J.机电设备，2009（2）：34-36.32 赵可恒.工业设计导入装备制造业产业升级的路径探析 J.现代装饰（理论），2013（10）：9-11.33 王章豹，孙陈.基于主成分分析的装备制造业行业技术创新能力评价研究 J.工业技术经济，2007（12）：63-68.34朱月红，贾德强.面向装备制造业的区域性工业设计协同创新模式探索 J.机械研究与应用，2013（5）：188-190.35 段胜峰，谢更新，邵毅敏，等.载人月球车车架折叠机构：中国，CN106114631B P.2018-07-20.36敖进.竹匠工作站：中国，CN109794998B P.2021-04-30.37 敖进.一种具有幕墙效果的观光缆车：中国，CN216467776U P.2022-05-10.作者简介：敖进（1975），男，副教授，硕士研究生导师，本科，研究方向：工业设计学科下的产品设计、交通工具设计、工业装备设计等。E-mail：敖进，等：工业设计主导下的非标装备设计研究现状及发展趋势-219