基于专利文献的人因工效学的普适性创新设计模式

2019-03-22 10:51孙晟泽赵旭

人类工效学 2019年5期

孙晟泽,赵旭

(1.吉林艺术学院，长春 130000；2.西安交通大学，西安 710000)

1 引言

人因工效学是根据人的心理、生理和身体结构等因素，研究人、机械、环境相互间的合理关系，以保证人们安全、健康、舒适地工作[1]。它关注人以及人与产品、系统、流程的交互，它追求目标之一就是人们某些期望价值。人因工效学需要以人的因素为中心，指导产品、系统、流程或者环境设计[2]。

在知识产权日益发展的前提下，专利权的逐步进入人们视野。在产品创新设计过程中，专利文献查阅成为了必要手段，专利文献数量日益增长，知识库资源日益庞大[3]。通过查询专利知识库，可以对设计思路和方法所进行直接判断，保证毫无头绪创新研究和侵犯他人专利权益而给自身带来损失[4]。

随着中国市场对知识产权重视程度不断提高，对知识产权架构建立和维护日益增强[5]。因此，中国企业在产品设计创新的过程中，应该充分挖掘企业自身专利，并进行维护和自主创新，创造自己的新专利。依照当前我国所处的专利现状，专利组合设计是产品创新设计核心之一，开发专利组合，构建知识产权壁垒，对核心专利全面保障[6]。

本文的技术路线图如图1所示

图1 技术路线图

2 TRIZ方法简介

TRIZ是创新方法典型代表[7]TRIZ是拉西文(Teoniya Resheniya IZobreatatelskikh Zadatch)的略写，意思是“发明问题解决理论”。TRIZ创新方法的核心就是提取模型，将特殊问题转换为一般模型，运用工具得到一般解，将一般解转化为特殊问题领域解，得到解决方案[8]。

TRIZ是由前苏联发明家Genrich S.Altshuller与一批研究人员在1946-1985年间，通过分析世界各国近250万份专利并综合多学科领域原理和法则而建立起来的理论体系[9-10]。

3 产品专利查全率、查准率验证

产品专利的查全率和查准率是基于专利数据信息反映专利检索出样本效果的重要指标。

(1)产品专利查全率验证，是衡量专利检索系统从集合中检出专利是否全面的一项指标。

根据专利检索系统软件对目标产品进行关键词“乐谱架”搜索得到全球共有1766件。专利数量较大，取全球近五年的565项专利作为研究对象，将其中前25%作为专利样本约为141项，作为产品专利样本集合S。

根据产品专利检索系统中全球近五年(2013-2017)的申请主体专利数量汇总，经过人工阅读剔除无关的专利12项，作为验证产品专利样本的数量总和为55项，约为全球近五年的565项专利这一研究对象的10%。经过人工筛选的相关专利集合设定为验证集合P。

根据对样本集合S和验证样本集合P人工阅读对照发现，专利样本查全率=P∩S/Sx100%=141∩55/55x100%=46/55x100%≈83.7%，专利查全率在80%～90%之间，说明专利样本查全率达到标准。

(2)产品专利查准率验证是衡量专利检索系统从专利集合中检出专利成功度指标。

满足要求的产品专利样本集合S人工阅读后，与目标产品相关的专利数量为124件，即集合S1。专利样本查准率=S1/S=124/141x100%≈87.9%，专利查准率在80%～90%之间，说明产品专利样本查准率达到标准。

4 基于专利样本的功能需求分析

表1 功能需求表

通过对专利样本的三维度技术功效矩阵分析，将时间、技术、功效三者融合在一起，确定出三种功能需求，即基本功能需求、期望功能需求、意外功能需求，如表1所示。

5 基于人因工效学的功能设计

5.1 产品的视觉功能设计

5.1.1 角度调节

乐谱的谱台设计时，以五线谱本为例，即为正常书籍，视距范围大致为300 mm到350 mm，保证认读速度和准确性。乐谱的谱台设计时，根据视距范围大致为300 mm到350 mm，选取垂直视野中人眼上下最大的转动角向上25°向下30°，水平视野中人眼左右各5°至30°作为依据，谱本的打开长度和宽度分别为420 mm和300 mm。由此进行人眼水平面和垂直面的设计，如图2、图3所示。

图2 人眼水平面设计

图3 眼垂直面设计

人眼水平面的设计以双目左右各30°的视野、双目视距为70 mm、正常观察视距350 mm为依据，由此可以得到A边长度为350MM/2+350MM/2+70 mm=420 mm。刚好与乐谱本长度相一致，在正常书籍中都留有左右页边距，所以A边长度满足设计要求即420 mm。

人眼垂直面的设计以双目上下转动角度25°向下30°和常观察视距300 mm至350 mm为依据，打开的谱本宽度为300 mm，只要在扇形A区域内存在大于等于300 mm的两点形成的直线，即为符合设计要求。视距、视野这三个角度出发，可以设计出一款进行角度调节又符合人眼感官特性参数标准谱台。三维模型图如图4所示。

图4 乐谱的谱台面三维模型图

5.1.2 亮度调节

乐谱的谱台面采用双面设计，一面设置保证太阳能供电的电池板，另一面为正常使用时的谱台。根据打开谱本单行五线谱的长度，设置左右设置等长度的柔光灯源，使得乐谱的谱台面呈现多段列式光源布局，而且灯源位置存在上下移动的滑轨和固定装置，以满足不同的需求。

感光控制开关为到达特定亮度时，形成闭合回路，太阳能电池进行供电使得柔光灯源发光，达到照明的目的。感光开关所所控制的光敏电阻与一个滑动变阻器串联，可以调节滑动变阻器的滑片位置，改变特定亮度，从而满足各种的需求方式。还有一个总开关是针对感光功能开启与关闭。

5.1.3 防错功能

设计出带有防错功能和提高认知过程的谱台面。三维模型图如图5所示。

图5 防错功能三维模型图

乐谱的谱台面，一侧设置滑轨，另一侧设置滚轮，中间设置挡板将两侧连接，电机控制滑轨间隔移动，间隔时间可以根据乐谱的不同进行调节，实现挡板随曲调进行移动。

5.2 产品的听觉功能设计

5.2.1 节拍校对

人耳的听觉系统各项特征，在节拍校对器的选择上更倾向于电子节拍校对器，可以减弱声音干扰；功能多样，如调音、计时、时钟等功能；成本费用相对低廉。

产品该项功能可以进行优化设计，补充不同频率的闪烁灯来实现不同种节拍功能，保留原有电子节拍器功能的前提下，可以大大的减弱声音的干扰，实现节拍功能；此外还可以依据演奏者的熟练程度，增强或者减弱不同频率的闪烁灯的光强度，免除学习者的依赖性，使得表演出于自然，进而提升演奏者的实力。

5.2.2 音乐治疗

中国传统音乐的五个音阶，即宫、商、角、徵、羽，主要是利用这五种音阶为主音建立了五种调式，与五行学说相对应，即宫属土，商属金，角属木，徵属火，羽属水。五行学说中，肝属木，心属火，脾属土，肺属金，肾属水。《素问?阴阳应象大论》指出，怒伤肝；喜伤心；思伤脾；忧伤肺；恐伤肾。根据中国民族音乐的特点可以将乐曲分为五种情绪感受的表现形式，即释放感、欢愉感、抒发感、倾诉感、振奋感，并分别与怒、喜、思、忧、恐对应。辨证施乐的原则主要是同气相求和情志相胜。得到辩证施乐的对应表，如表2所示。

表2 辩证施乐的对应表

由此，在乐谱架上设置乐曲播放器，存储上述五种类型乐曲，分别将五种乐曲类型对应五种按钮，处于不同情绪感受时播放相应乐曲，缓解不同情绪感受，保持身心健康。

5.3 产品的站姿/坐姿功能设计

5.3.1 高度调节

高度调节设计与人体站姿尺寸参数的眼高、肩高和头部偏转角存在特定联系，人体立正时，头部偏转角α=0°自然视线与水平线夹角β=15°；人体放松站立时，头部偏转角α=15°自然视线与水平线夹角β=30°，如图6、图7所示。

图6 人体立姿示意图

图7 立姿状态示意图

乐谱架使用时主要是参照人体尺寸参数的眼高和有关头部偏转肩高这两项人体尺寸参数。将人体眼部和肩部看作指点可以绘制出人体质点简图，人体在站立放松时会以肩部所在轴为圆点，以眼高和肩高高度差R为半径进行偏转，所以以实际眼高B=肩高+cos15°×(眼高-肩高)，如图8所示。

图8 人体眼部、肩部质点简图

同时，参照GB/T10000-199《中国成年人人体尺寸》，按照男女性别分别绘制男子眼高、肩高、立姿实际眼高参数数据表和女子眼高、肩高、立姿实际眼高参数数据表，如表3、表4所示。(cos15°≈0.966)

表3 男子眼高、肩高、立姿实际眼高参数数据表(单位：mm)

表4 女子眼高、肩高、立姿实际眼高参数数据表(单位：mm)

根据实际立姿眼高和人眼阅读正常视距(300 mm-350 mmm)进行乐谱架的高度设计，谱架高度简图如图9所示，谱架高度C=实际眼高B-sin15°×正常视距。

根据取中原则，正常视距为325 mm，谱架高度汇总表如表5、表6所示。

图9 谱架高度简图

表5 谱架高度数据表(男子) (单位：mm)

表6 谱架高度数据表(女子) (单位：mm)

谱架的高度调节设计采用棘轮机构进行调节，利用齿条的间距保证较小高度的变化，保证相应的视野高度，谱架高度设计的三维模型图如图10所示。

图10 谱架高度设计的三维模型图

利用目视化管理，在齿条两侧分别作出刻度标签，以便针对不同人群进行相应调节高度，(以男子18-60岁为例子)齿距间隙标签简图如图11所示。

图11 齿距间隙标签简图

5.3.2 站/坐姿势转换

坐姿舒适和维持主要与颈椎、腰椎、坐深、小腿(含足高)有关，而站姿舒适和维持主要与颈椎和腰椎有关。坐站姿势交替设计中，满足坐姿四个参数，在站姿状态时，可以进行调节移动即可。参照GB/T10000-199《中国成年人人体尺寸》，按照男女性别分别进行颈椎点、腰椎点、坐深、小腿(含足高)数据收集，腰椎点可以选择脐高作为数据收集点，查阅资料发现脐高=0.6H(H为人体身高)。

坐站姿势转换的设计，采用颈部、腰部、腿部板块分离设计，如图12所示，颈部板块设置凸起，以保证舒适度和姿势维持；利用目视化方法左右侧滑轨上分别标出男子和女子不同年龄的对应的颈部高度，同时带有锁紧和松紧装置。腰部板块设置凸起，以保证舒适度和姿势维持；利用目视化方法左右侧滑轨上分别标出男子和女子不同年龄的对应的腰部高度，带有锁紧和松紧装置。如图13所示。

图12 颈部板块

图13 腰部板块

站姿时，腿部板块与颈部板块、腰部板块处于同一水平面，以维持站姿稳定。坐姿时，腿部板块安装折叠支架，保证坐姿稳定。腿部板块和颈部板块、腰部板块一样，可在滑轨上移动，折叠支架为伸缩杆，两者共同满足小腿数据参数。如图14所示。

图14 腿部板块

另外，腿部板块设置多节长条可折叠，以保证人体的坐深数据参数，具体形态结构如图15所示。坐站姿势转换总体三维模型图如图16所示。

图15 腿部板块平面图

图16 总体三维模型图

5.4 产品的翻页功能设计

为了解放双手翻页，防止演奏中断和间歇而导致的演奏事故，翻页功能的实现可以利用电动摩擦滚动装置翻页，上下两个电机带动摩擦轴进行移动，根据接触点压力传感器进行压力调节实现翻页的功能，如图17所示。

图17 电动摩擦滚动翻页装置

6 功能优化组合设计及专利布局

TRIZ创新方法理论主要在技术创新领域得到广泛应用。TRIZ理论与功能优化组合设计融合流程图如图18所示。

图18 TRIZ理论与功能优化组合设计融合流程图

6.1 视觉功能的优化设计

6.1.1 角度调节

视觉功能的角度调节装置如图19所示，此结构可以实现乐谱的谱台面角度调节的功能。然而，形状外观需要进行优化设计使得恶化该结构的静止时总体积，由此产生一对技术矛盾。

图19 视觉功能的角度调节装置

对技术矛盾进行解决：

结合发明原理形成方案：应用原理14曲面化，将曲柄滑块机构设置为半弧形机构，应用原理7嵌套原理，设置半弧形机构采用棘轮机构进行嵌套，如图20所示。

图20 角度调节优化装置简图

6.1.2 亮度调节

视觉功能的亮度调节装置如图21所示，此结构可以实现乐谱的谱台面亮度调节功能。演奏时乐谱本符号识别只需要局部亮度，原来的设计中整体亮度会产生资源浪费。由此，就产生功能类物理矛盾——强与弱。

图21 视觉功能的亮度调节装置

对物理矛盾进行解决：

依据发明原理，将增加控制器设置周期性动态指令，使得部分LED光源随时间的变化进行动态性亮度转换，演奏者可以进行乐谱识别的基础上实现节约能源。

6.1.3 防错功能

视觉功能的防错功能装置如图22所示，此结构可以实现防错功能。然而，两侧的挡板是共同运动的，实则仅需一侧挡板移动另一侧不需要进行移动。由此，就产生功能类物理矛盾——运动与静止。

图22 视觉功能的防错功能装置

对物理矛盾进行解决：

依据发明原理，可以将左右两个挡板进行合并用皮带轮连接，并利用逆向原理一侧在顶端时，另一侧在底端，皮带轮旋转进而带动两侧板块进行周期性上下往复运动，利用曲面化的方式将两侧板块采用柔性塑料板制成，使得可以通过皮带轮转弯处。三维模型图如图23所示。

图23 防错功能优化装置简图

6.2 站座姿势功能优化设计

站座姿势转换的功能主要起人体的辅助支撑作用，所以只进行高度调节的优化设计。高度调节装置如图24所示，此结构可以实现乐谱的谱台面高度调节的功能。演奏时乐谱架特定高度，需要高度调节杆较高；然而，非演奏时乐谱架需要进行存放，需要高度调节杆较低。由此，就产生集合类物理矛盾——长与短。

图24 高度调节装置

对物理矛盾进行解决：

依据发明原理，可以采用分割支架并利用嵌套的方式，实现高度调节，便于储存整理。如图25所示。

图25 高度调节优化装置简图

6.3 翻页功能的优化设计

脚踏式摩擦翻页装置在翻页中，存在一定的作用不足，有时不能实现翻页。为了解决该问题，可以进行物质-场分析，即纸张为S1，摩擦轮为S2，重力场G，存在完整的物-场模型，其中S2对S1存在作用不足。

得到最终的解决方案：

铁磁材料通过粘合剂附着在纸张上，实现电磁场引导铁磁材料和纸张进行翻页。上部、下部局部铁磁材料代替整块的材料，设置隔页的铁磁材料上下分布放置。铁磁材料在纸张的上部时，下一页铁磁材料在纸张下部与电磁铁相互吸引，实现只翻一页的效果；当铁磁材料在纸张的下部时，下一页的铁磁材料在纸张上部与另一电磁铁相互吸引，实现只翻一页效果。模型图如图26所示。