基于人机工程学的产品改良设计课程实验研究

陈永超等

[摘 要]本文为《工业产品再设计》课程设计了一套基于人机工程学原理的产品改良设计实验方案。实验原理是运用人体生理结构反形与目标产品形态进行合成，得出新的产品造型。实验运用逆向工程技术与Morphing设计方法得出产品形态设计结果。本实验已应用于教学实践中，教学反馈证明学生容易掌握实验方法，且结论与设计效果良好。

[关键词]逆向工程；人机工程学；改良设计；实验

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为了能够在市场竞争中取得优势，很多企业不断改良产品设计，推出新产品。因此，产品改良设计的原理与方法是工业设计专业学生所必须掌握的。《工业产品再设计》课程即是针对如何改进现有产品的工业设计专业课程。[1]人机工程学是工业设计中重要的辅助手段。[2]在工业设计领域，人机工程学为衡量产品使用舒适度提供了参考和评价标准。而在人机工程学应用于工业设计实践方面，Shenchang Eric Chen提出形态混合迁变的方法，即可以运用人体尺度数据与产品数据合成新产品造型。本文所介绍的实验方案，运用逆向工程[1][3]的方法：首先用油泥、发泡泡沫等材料制作人体生理构造反形，再利用shape averaging[3]（Morphing）法对人体反形与产品形态进行混合迁变，得出新的产品形态。本文列举两例自行车把改良设计实验。

1 实验1

本实验运用手掌持握反形（有手指凹陷）与目标车把合成新的车把造型，目的在于改良和优化现有车把与手掌生理结构的吻合度。使用带有手指凹陷构造的手掌持握反形，可以得出持握稳定的车把设计结果。

（1）利用油泥手工制作手掌持握反形（有手指凹陷），并利用数字化三维扫描仪和Stereo 3D获取其三维数据（图1）。

（2）利用数字化三维扫描仪获取目标车把（图2）三维数据。

（3）分别抽离等量的手掌持握反形（有手指凹陷）与目标车把的截面轮廓线。

（4）将两组截面轮廓线置于同一坐标系，并缩放调整位置与尺度。

（5）将两组轮廓线进行混合运算，并采取不同的Morphing比例，选择最佳混合迁变结果，其加权比例为3∶7；图4左侧为目标车把局部截面轮廓线，右侧为油泥手掌持握反形（有手指凹陷）局部截面轮廓线，红色为所选最佳结果。

（6）以步骤（5）中的结果，创建新曲面，生成最终形态（图3）。

（7）制作改良车把设计效果图（图略）。

2 实验2

本实验运用手掌持握反形（无手指凹陷）与目标车把合成新的车把造型，目的在于改良和优化现有车把与手掌生理结构的吻合度并且保留一定的手掌自由度。使用不带有手指凹陷构造的手掌持握反形，可以得出持握稳定性稍差，稍有些手掌活动自由度的车把设计结果。

（1）利用油泥手工制作手掌持握反形（无手指凹陷），并利用数字化三维扫描仪和Stereo 3D获取其三维数据（图5）

（2）利用数字化三维扫描仪获取目标车把（图2）三维数据

（3）分别抽离等量的手掌持握反形（无手指凹陷）与目标车把的截面轮廓线

（4）将两组截面轮廓线置于同一坐标系，并缩放调整位置与尺度

（5）将两组轮廓线进行混合运算，并采取不同的MORPHING比例，选择最佳混合迁变结果，其加权比例为5∶6；图7左侧为目标车把局部截面轮廓线，右侧为油泥手掌持握反形（无手指凹陷）局部截面轮廓线，红色为所选最佳结果

（6）以步骤（5）中的结果，创建新曲面，生成最终形态（图6）

（7）制作改良车把设计效果图（图略）

3 结 论

本文所介紹的两例实验为2014年天津工业大学机械工程学院工业设计专业《工业产品再设计》课程实验。实验案例表明：两个设计方案均有效的对自行车把的造型进行了改良设计。所不同的是实验1的结果可使手掌持握车把时贴合更为紧密，实验2 的结果手掌持握的自由度较高。两种改进设计可适用于不同使用习惯的人群。由于设计来源于人体结构反形，这种直观反求的方式保障了人体结构与产品外形的吻合度。本实验的结果取决于手掌持握反形与目标车把形态的混合结果。故，手掌持握反形的设计在本项实验中至关重要，直接影响实验结果。因此，本实验的局限即在于设计结果对不同生理尺度的适应性较差。因此，本实验的方法，可以拓展为运用多件不同尺度的手掌持握反形得出多个设计结果，即可以产生不同尺码的产品，以符合更多人群的需求。

本课程实验使学生掌握了基于人机工程学的产品改良设计方法，激发了学习兴趣，培养了专业技能，提高了学生对工业设计专业的认知度。

参考文献：

[1]陈永超，王秋惠，杨爱慧，等基于逆向工程技术的工业产品再设计课程实验研究[J].中国市场，2015（19）.

[2]卢兆麟，汤文成工业设计中的人机工程学理论、技术与应用研究进展[J].工程图学学报，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