基于用户需求导向模型的绿篱机设计.pdf

2023Dec.JOURNALOF MACHINEDESIGN2023年12 月No.12Vol.40第40 卷第12 期机设计械基于用户需求导向模型的绿篱机设计*孙宁娜，刘栋，张健瑞（江苏大学艺术学院，江苏镇江212013)摘要：为提升绿篱机设计过程中需求获取、功能定义、设计实施和方案评价的准确性，提出一种用户需求导向模型，指导绿篱机产品设计。通过访谈法和观察法获取用户需求，采用层次分析法（AnalyticHierarchyProcess，A H P）计算各需求权重；结合案例分析法和专利研究法获取绿禽机设计需求；通过质量功能展开（QualityFunctionDeployment，QFD）质量屋明确重点设计需求；基于公理化设计（AxiomaticDesign,AD）获取绿篱机设计参数，根据设计参数设计了一种符合用户功能、使用、造型和安全需求的绿禽机，并采用模糊综合评价法（FuzzyComprehensiveEvaluation，FCE）验证设计方案的合理性。结果表明：用户需求导向模型可有效指导绿禽机创新设计，更好地满足用户需求，为未来绿禽修剪设备的研发提供新思路关键词：产品设计；用户需求导向模型；绿篱机；设计需求中图分类号：TB472文献标识码：A文章编号：10 0 1-2 354（2 0 2 3）12-0 17 0-0 7Design of hedge trimmer based on user requirement oriented modelSUN Ningna,LIU Dong,ZHANG Jianrui(School of Art,Jiangsu University,Zhenjiang 212013)Abstract:To improve the accuracy of requirement acquisition,function definition,design implementation and schemeevaluation in the hedge trimmer design process,a user requirement oriented model was proposed to guide the product design ofhedge trimmer.The user requirements were obtained through interview and observation methods.The weight of each requirementwas calculated using Analytic Hierarchy Process.Hedge trimmer design requirements were determined in combination with caseanalysis method and patent research method.The key design requirements were clarified using Quality Function Deployment.Themachine design parameters were obtained based on Axiomatic Design.A hedge trimmer was finally designed to meet the userfunction,use,modeling and safety requirements.Fuzzy Comprehensive Evaluation was used to verify the reasonableness of thedesign scheme.The results revealed that user requirement oriented model could effectively guide the innovative design of hedgetrimmers,better meet user requirements and provide new ideas for the future development of hedge trimming equipment.Key words:product design;user requirement orientated model;hedge trimmer;design requirement随着我国对绿色宜居理念的倡导，我国灌木型绿化带面积逐渐扩大，绿化带养护工作量显著增加面对庞大的工作量，手持式修剪机存在效率低且有安全隐患的问题。虽然车载式和驾驶式绿篱机提高了修剪效率，但机器较为笨重，仅适用于简单的单面修剪，无法满足绿化带造型设计。同时，车载式绿篱机主要用于高速公路绿化带修剪，狭窄和复杂路面的通过性有限。针对这些问题，急需对绿篱机进行必要的改进和创新。收稿日期：2 0 2 3-0 3-14；修订日期：2 0 2 3-0 9-13近年来,国内外学者对绿篱机进行了研究。陈继清等2 研究了绿篱机在复杂地形中的越障性能,并分析了该性能与产品结构参数之间的关系；Kamandar等3 基于识别算法和视觉导航系统，研发了自主绿篱机,并改进了机械臂结构,用于修剪阶梯状和波浪状绿化带；Li等4 采用多结构单元组合的方式，实现了圆形绿化带的修剪，改进了绿篱机修剪性能；Kaljaca等5 提出一种绿篱机运动规划算法，提高了残枝清扫的准确性和机械臂运动的平滑性；薛赞等6 采用遗传算1712023年12 月孙宁娜，等：基向模型的绿篱机设计法设计了一种更强适应性、更高自由度和更大工作空间的绿篱机机械臂；王馨梅等7 通过试验证明了红外激光修剪绿化带的可行性；韩闰劳等8 通过试验法研制了一种具备切割升降、避障和残叶清扫等功能的高速绿篱机；司癸卯等9 采用ADRC和FOC方法解决了绿篱机在遥控状态下偏航严重和人工干预频繁的问题。上述文献为绿篱机设计提供了良好的基础，但主要通过功能和技术来实现产品的性能提升，而对用户的研究较少，缺乏全面的用户需求分析，无法确定园林工人对该类产品的满意度。此外，上述文献较少关注绿篱机的创新设计与理论应用。为解决以上问题，文中提出一种用户需求导向模型，该模型集成AHP，Q FD,A D 及FCE等方法，旨在将用户需求转化为设计参数，提高设计实施的可行性，并设计出满足用户需求的绿篱机。1用户需求导向模型构建AHP是一种用于实现定性问题定量分析的方法，可求解出需求要素的权重10 。QFD是研究用户需求与设计需求相互关系的量化方法，质量屋是其核心要素,由用户需求和设计需求组成 。AD是一种将用户需求映射至设计参数的理论，包括域、层次、“Z”字形映射和独立性公理等12 。FCE是一种借助模糊数学理论的综合评价方法，其目的是利用隶属度理论将定性评价转化为定量评价13。QFD是提升产品设计质量的较好方法，但在执行设计决策时，用户需求权重为QFD重要前提条件,其精确性将直接影响后续设计质量。但Better-Worse满意度指数分析法及熵权法等权重计算方法，存在主观性强及操作复杂繁琐等缺陷。AHP作为一种逻辑决策方法，具有客观和便捷的优势，可弥补传统权重计算的不足，通过AHP可明确QFD中的用户需求权重，提升设计决策的准确性。但设计需求在设计中如何体现，AHP和QFD均未给出明确的设计准则，而AD理论能将设计需求映射至具体的设计参数，弥补了QFD在设计方案分析上的局限。为确保后续设计评价的客观性，需寻找一种可解决模糊性、多要素及情感判别等问题的评估措施。FCE是有效解决设计评价主观性问题的方法，具备结果清晰及系统性强等优势。而AHP可为FCE提供权重向量，有助于更好地验证设计方案是否满足用户需求。因此，将以上设计方法进行集成，能弥补单一方法所存在的缺陷,从而确保设计流程的完整性与客观性。目前,已有学者将AHP,QFD及AD等方法作为理论依据进行设计方案的改进。戴宇轩等141通过AHP，QFD和AD构建了适老化座椅功能概念矩阵，设计了一种符合老年人需求的座椅；王军等15 集成AHP和QFD挖掘老年人对于浴室柜的需求,将需求转化为设计特征；王秉奇等16 采用QFD和TRIZ等方法将需求与下肢外骨骼工程要素进行结合，提高了技术实施的可行性。上述集成设计方法在一定程度上弥补了单一方法的局限，但设计评价并未纳入设计流程中，导致评价过程存在一定的主观倾向。同时，设计需求仅从用户需求角度进行映射，缺乏全面且严谨的设计需求分析。综上所述，构建AHP,QFD,AD和FCE的用户需求导向模型，具备用户需求精确、设计决策高效及设计流程完整等优势，并在设计需求映射阶段采用案例分析法和专利研究法进行分析，使设计方案不再停留在感性层面，用户需求导向模型如图1所示。用户需求获取基于AHP构建AHP层次分析模型的用户需求权构建判断矩阵重分析求解用户需求权重值一致性检验是用户需求一设计需求映射基于QFD构建QFD质量屋的设计需求分确定设计需求权重析获取重点设计需求映射基于AD功能域设计域的设计参数分析(FR,)(DP,)设计方案设计实例基于FCE的设计评价图1用户需求导向模型172第40 卷第12 期计机设械2基于AHP的用户需求权重分析2.1层次分析模型构建通过实地调研，以园林工人作为绿篱机设计的目标用户，通过访谈法和观察法了解用户在执行修剪工作时的相关需求。文中共调研了10 名园林工人，其中男性7 名，女性3名。从年龄来看，18 40 岁用户2 名，41 55岁用户5名，56 6 5岁用户3名。从工龄来看，3 5年用户3名，5 10 年用户6 名，10 年以上用户1名。大部分用户具有初中及以上学历，且都使用过两种及以上类型的修剪工具,具有一定的代表性与普遍性，能较全面的反映用户需求通过亲和图(KJ)法对调研结果进行整合与分类，得到功能、使用、造型和安全需求4大类，并将其作为准则层，15个具体需求作为指标层，构建出的绿篱机用户需求层次分析模型如图2 所示。绿篱机用户需求功能需求B,使用需求B，造型需求B安全需求B灵活性强清扫残枝修剪多种造型心高度及角度调节操作简单心远程遥控符合人机尺寸心收纳空间心体积轻便心色彩醒目易清洁结构紧读安全徽定女光警示故障反债CoC图2绿篱机用户需求层次分析模型2.2绿篱机用户需求权重求解为确保研究结果的科学性，邀请15位相关人员填写AHP问卷，包括5名工业设计专业教师、4名产品设计人员及6 名用户根据1 9 级标度法对用户需求进行两两比较并赋予分值17 ；采用几何平均法，得到绿篱机用户需求权重如表1所示。对计算结果进行一致性检验，其准则层和子准则层的CR值均小于0.1,说明数据真实可靠，为文中研究提供了依据表1绿篱机用户需求权重准则层权重指标层权重相对权重排序C0.486 00.219.31C20.05570.025111BI0.451 2C30.28510.128 62C40.17320.078 16Cs0.43930.114 64C0.300 60.078 55B20.260 9C70.21220.055 47Cs0.04790.012514C。0.408 50.048 68C1o0.259 80.030.910B30.119 00.05800.006915Ci20.27370.032 69C130.137 80.023 312B40.168 9C140.732 40.12373Ci50.12970.021 9133基于QFD的设计需求分析通过AHP分析后采用QFD可明确用户需求与设计需求间的关系，为产品设计提供准确的支撑与引导18 。结合案例分析法和专利研究法,将用户需求映射至具体的设计需求，确保设计需求的客观性与合理性，并构建用户需求与设计需求QFD质量屋，以获取重要性设计需求。3.1用户需求映射至设计需求由实地调研可知，园林工人主要在城市道路、公园和住宅等区域从事修剪工作，因此，需对适用于此类环境的修剪工具进行分析。通过对互联网平台搜集到的案例进行整理，最终将绿篱机分为手持式、手推式、自走式和驾驶式4种，绿篱机产品案例分析如表2 所示。根据案例分析可提取到有价值的设计需求，分别为多方位调节修剪、轻量化设计、科学的产品尺寸和辅助系统等，但这些案例也存在一些不足。这些产品只能执行简单的平面修剪任务，无法修剪圆形及圆柱等复杂造型。并且，由于绿地内的地形复杂多变，产品的通过性和灵活性有限。同时，产品美观性欠缺，无法满足用户对造型的需求。这些缺陷可与用户需求相对应，从而推导出多种刀具更换、车体灵活移动和简洁大气的外观等设计需求。1732023年12 月孙宁娜，等需求导向模型的绿篱机设计表2绿篱机产品案例分析产品类型及品牌主要应用环境设计描述轻便易操作，设置减振系统，住宅、公园等切割防护，符合人机工程学手持式（斯蒂尔HS82T)城市道路、伸缩臂设计，体积小巧，住宅、公园等多角度平剪侧剪，操作简单手推式（行铁马XTMZJ）城市道路、集成操控面板，多角度修剪，住宅、公园等折叠机械臂，造型美观自走式（亚特YT9797）多角度修剪，支持自动巡航，城市道路配置储物箱，感知防护系统驾驶式（长青CXZ-130)专利信息记录了相关领域的前沿信息与技术趋势19 。从这些专利中，可获取相关设计需求，专利采集的步骤及结果为：（1）利用SOOPAT专利检索网站，输入关键词绿篱修剪,并采用GooSeeker网络爬虫软件对专利信息进行收集，共得到2 8 16 条数据(2）对爬取的专利信息进行分词，得到2 0 14个词语。（3)邀请5名工业设计专业相关人员对词语进行筛选，共选出7 3条与绿篱修剪设备相关的词语，结果以词云图的形式呈现，如图3所示。便于工作简便易行简便使用方便稳定性可靠性防护罩灵活传动轴准确率障碍物工作效率圣警戒升降安全性造型机外观设计外观修剪环保清扫控制剪表面清洁警灯防尘罩海精度防撞功能性拆节观赏紧凑型个性化收纳便利全自动悬臂清理剪切颜色刀刃臂架然结构调整定位维修收集箱快速母操作收集避让紧漆女降解回收箱支撑杆维护遥控多样化清洗移动装置识别系统美观识别率安全可靠控制电路人身安全准确性结构紧凌图3词云图通过对专利信息的分析，可总结出设计需求为：稳定的结构、可折叠设计、残枝回收、障碍物识别和安全舒适操控方式等。对分析结果进行归纳整理，并结合用户需求，确定的13项绿篱机用户需求至设计需求映射，如表3所示。表3线绿篱机用户需求至设计需求映射用户需求设计需求修剪多种造型C3多种刀具更换D收纳空间C：可折叠设计D2体积轻便Cg,结构紧凑Ci2轻量化设计D3色彩醒目C1o简洁大气的外观D4安全稳定C13稳定的结构D，操作简单Cs，远程遥控C6安全舒适操控方式D。高度及角度调节C4多方位调节修剪D7清扫残枝C2残枝回收D：符合人机尺寸C7科学的产品尺寸D。灵活性强C1车体灵活移动D10故障反馈Ci5良好的反馈D灯光警示C14辅助系统D12易清洁C防污渍易清洁D133.2QFD质量屋构建将AHP得到的用户需求权重值输人质量屋，并邀请专家对用户需求和设计需求相关性进行打分。“表示显著相关，取值为5；“”表示相关，取值为3；“”表示弱相关,取值为1;空格代表无相关。以此构建用户需求与设计需求关系矩阵，绿篱机质量屋如图4所示。用户需DD.D,DD,D。D,DD,D.10D12求权重C口口0.2193C,0.0251C,口口口0.128 6C口0.0781C,0.114 6C。口0.0785C,口0.0554C口0.0125C口口0.0486C0.0309C口0.0069C口口口口口0.0326C口0.0233C0.123 7C0.0219图4绿篱机质量屋174机第40 卷第12 期计设械3.3设计需求权重计算及分析采用独立配点法计算绿篱机设计需求权重，绿篱机重点设计需求如表4所示表4绿篱机重点设计需求用户需求排序设计需求权重排序C,1D1o1.784712D,1.714 92C,C64,5D61.617 03C46D71.48874C,7D。0.786 35C10o10D40.689 66C,Ci28,9D30.628 07C1312Ds0.507 58在计算设计需求权重时，除考虑与相应用户需求间的关系，还需考虑与质量屋中其他用户需求的相关性。由表4可知，用户需求权重和重点设计需求排序基本对应。权重值超过0.5的设计需求分别为车体灵活移动D1o、多种刀具更换D1、多方位修剪调节D，、安全舒适操控方式D。、科学的产品尺寸D，、简洁大气的外观D4、轻量化设计D，和稳定的结构Ds。因此，将选取上述设计需求进行进一步研究。4基基于AD设计参数分析设计需求包括功能属性、外观特性及人机尺寸等。文中将功能需求与产品的功能属性、外观特性和人机尺寸等方面相匹配。根据戴宇轩等14 和赵项等2 0 的研究,将QFD所得的重点设计需求,定义为AD的功能需求。4.1功能需求映射至设计参数根据DB45/T22932021,LY/T31702019及GB10395.122005。参考韩闽劳等8 的试验结果，运用AD独立性公理原则，将每项功能需求（FR）提出对应的设计参数（DP），绿篱机功能需求与设计参数映射如表5所示表5绿篱机功能需求与设计参数映射功能需求(FR,)设计参数(DP,)车体灵活移动（FR,)全方向移动麦克纳姆轮（DP,）多种刀具更换（FR2)设置方形、圆球等形状适配刀具（DP2）安全舒适操控方式（FR，）手柄遥控(DP,)多方位调节修剪（FR4）旋转式机械臂(DP4)科学的产品尺寸（FR，）长150 0 mm,宽7 0 0 mm，高18 0 0 mm(DP，)简洁大气的外观（FR。）造型（几何造型，橙黄配色）（DP。）轻量化设计(FR,)ABS和高强度合金材质、一体化(DP,)稳定的结构(FR)设置减振装置（DP：）4.2独立性公理检验基于AD理论的独立性公理,对设计参数进行检验。功能需求和设计参数两者间映射关系的设计矩阵C通常呈现3种形式，包括对角矩阵、三角矩阵和一般矩阵：100100C,=00C2=1C3一001L111111式中：1,0功能需求与设计参数间的相关性。如设计矩阵为对角矩阵，则满足独立性公理原则时方可继续研究；如设计矩阵为三角矩阵和一般矩阵，则需对产品的部分设计参数进行调整14O将绿篱机功能域中的功能需求（FR）与设计域中的设计参数（DP）进行映射，得到设计矩阵：厂10000 0000100000000一00 00000010000C=00001000000001000000001000000001通过对比可知，该矩阵属于对角矩阵，与独立性公理原则相符，表明设计参数FR，FR。具有可用性，可为后续设计提供依据。5绿篱机设计实例5.1方案设计依据设计参数结果，对绿篱机进行创新设计，绿篱机总体效果图如图5所示。W1752023年12 月孙宁娜，等：用户需求导向模型的绿篱机设计图5绿篱机总体效果图（1)为保障绿篱机具有良好的通过性和灵活性，采用麦克纳姆轮，可实现原地3 6 0 旋转及多方向自由移动，绿篱机旋转及移动示意图如图6 所示。图6绿篱机旋转及移动示意图（2）为绿篱机适配方形、圆球、圆柱和圆台等不同形状的修剪刀具，以满足城市绿化带的多样性与美观性，绿篱机适配的修剪刀具如图7 所示。图7绿篱机适配的修剪刀具（3）采用手柄遥控，如图8 所示，避免产品与用户过于接近产生安全隐患，并给用户提供舒适的操作体验。图8手柄遥控(4)设置旋转式机械臂，使绿篱机具备角度及高度调节能力，旋转式机械臂如图9 所示。图9旋转式机械臂（5)造型采用硬朗的直线设计元素，突出产品的稳定性和坚固性，与绿篱机作为园艺工具的实用性相符合。同时，橙黄色在色彩心理学中被认为是活力的代表，将其运用在产品上可传递积极情绪，与户外绿植环境相协调。此外，橙黄色具备警示作用，能提醒用户在操作过程中保持警觉，增加安全性。(6)设置液压减振装置，减少复杂地形给绿篱机带来的冲击，保障产品的稳定性，液压减振装置如图10所示。图10液压减振装置5.2设计评价为验证设计方案的可行性，将FCE作为评价方法。根据Likert五级量表设置评语集，V=1非常满意，满意，一般，不满意，很不满意1，分别对应分值9 0,8 0，70,60,50。邀请7 名用户及3 名相关专家对绿篱机指标层进行打分，得到功能需求、使用需求、造型需求和安全需求的综合评价矩阵U,U,U,U4。依据表1可知，准则层的权重向量pB=（0.4512，0.2609,0.1190,0.1689），同理可计算出指标层的功能需求权重向量pBl、使用需求pB2、造型需求pB3和安全需求pB4。由由此可计算出绿篱机指标层评价权重向量：=PlU,=(0.5692,0.3027,0.1055,0.0458,0)同理可计算出W2,W，和W4。176第40 卷第12 期机计设械将上述权重向量组合，得到综合评价矩阵为：0.569 20.302.70.105 50.045 8070.613 80.251 40.104 80.021 20W=0.57980.364 40.193 10.026 00L0.53970.20080.173 30.086 20由此得到综合评价向量为：p=P:W=(0.5768,0.2794,0.1272,0.0440,0)将综合评价向量p与评语集对应的分值进行综合计算，确定出设计方案的最终分数为8 5.8 0 8，位于满意区间内，说明该方案在一定程度上满足用户需求，用户需求导向模型可有效指导绿篱机创新设计。6结论随着城市经济和社会的飞速发展，城市绿化在现代化建设中具有重要的战略地位。从用户需求视角出发,结合AHP,QFD,AD和FCE，构建了用户需求导向模型。以绿篱机设计为例，实现用户需求向设计参数的转化，并讨论了如何提升用户满意度，以及如何使产品功能及结构更加合理的问题研究结果表明：基于用户需求导向模型，对绿篱机进行设计需求的权重分析，将其转化为最佳设计参数，并对设计方案进行客观性评价。在设计需求映射阶段，借助案例分析法和专利研究法，能有效克服主观性问题。该模型进一步改进了产品设计流程，为基于用户需求的产品设计模式提供了新思路。参考文献1吴岩，王忠杰，贾建中.改革开放以来中国城市园林绿化行业治理体系演进的回顾、思考与展望 J.中国园林，2023,39(1):98-104.2陈继清，黄仁智，莫荣现，等.基于RecurDyn小型绿篱修剪机履带底盘越障性能分析与仿真 J.中国农机化学报,2 0 2 0,41(10):8 9-9 8.3Kamandar M R,Massah J,Jamzad M.Design and evaluationof hedge trimmer robot J.Computers and Electronics in Ag-riculture,2022,199(7):65-81.4Li M,Ma L,Zong W,et al.Design and experimental evalua-tion of a form trimming machine for horticultural plants J.Applied Sciences,2021,11(5):230-242.5Kaljaca 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