基于可拓创新方法的个性化产品设计研究

李千静，成思源，杨雪荣，陈斌

（广东工业大学，广州 510006）

随着社会经济与生活水平的提高，用户需求逐渐向多样化与个性化的方向发展，同时用户购买产品时越来越考虑产品是否舒适与是否满足其个性化需求。这迫使企业为保证其市场竞争力而对产品结构进行改进，从而缩短设计周期，并满足不断变化的用户需求[1]。需求是用户对产品整体的诉求，也是产品开发与设计的依据，与产品的功能之间存在一定的内在关系，需求映射出功能，功能则能满足需求[2]。满足个性化需求能有效提高用户对产品的满意度，因此，利用个性化需求指导已有产品的改进是个性化设计中的关键一步。

目前，国内外很多学者对个性化产品设计进行了研究。朱上上等[3]以客户的基本需求与感性需求为中心，针对产品造型设计提出一种基于可拓设计的产品个性化定制方法；熊先青等[4]基于“标准柜体+非标柜体”单元组合设计的方法，对衣柜的整体结构设计规范化进行了研究；赵燕伟等[5]为设计出符合用户个性化需求的个性化鞋类产品，提出了一种基于可拓变换的个性化定制方法来解决鞋类产品的矛盾问题；徐永昌等[6]基于足楦设计标准，对扫描足部模型所得的鞋楦3D草图进行变形修改，实现了鞋楦的个性化；Zheng等[7]在各种供应商与适应性接口分布式集成的基础上，提出了一种基于适应性开放架构产品平台的个性化产品配置系统的概念框架；曹木丽等[8]在KANO模型和马斯洛需求层次理论的基础上提出了分层实现个性化需求的方法，并将其应用于智能养生壶的交互设计中。以上研究推动了个性化设计在各行各业的研究，但主要侧重于产品整体的全新设计，未能针对个性化需求的改进设计提出行之有效的方法。

可拓创新方法用形式化的基元模型来表达事、物、关系和问题，用拓展分析方法来找出创新的途径，用可拓变换方法来获取新的产品创意[9]。本文以可拓创新方法中的事元理论为基础，通过分析产品功能与个性化需求的关系进行产品再设计研究。对已有产品进行功能分析建立功能树模型和产品功能事元模型，再提炼获取的目标产品的个性化需求所包含的核心需求功能，建立需求事元模型；分析产品功能事元与需求功能事元中支配对象的量值以及动作的关系，得出需求功能与产品功能之间的关系；根据分析的结果对功能事元进行拓展分析，通过可拓变换得出新的功能创意；将功能映射为具体结构，以得出满足个性化需求的产品结构，并进行设计方案评价。本文以一种体外股骨颈前倾角导向器的设计为例验证该方法的可行性。

1 个性化产品设计流程

基于可拓创新方法的个性化产品设计研究方法，通过分析用户个性化需求与现有产品功能间的关系，找出满足产品个性化需求的功能创意，并在新功能创意的基础上得出产品的结构，实现产品的创新设计。基于可拓创新方法的个性化产品设计流程主要分为：产品分析、个性化需求分析、功能创意的生成、方案求解与评价4个阶段，如图1所示。

图1 基于可拓创新方法的个性化产品设计流程Fig.1 Personalized product design process based on extension innovation method

1）产品分析：选定需要实现个性化的目标产品后，对产品进行功能分析建立功能树模型，并依据功能树模型和产品的结构关系建立产品功能事元模型。

2）个性化需求分析：获取用户关于目标产品的个性化需求后，分析个性化需求的本质与核心，提炼出所包含的需求功能，并建立需求功能事元模型，便于其与产品功能事元进行对比。

3）功能创意的生成：完成上述两步之后，对上述两种功能事元进行匹配对比，区分出需求功能事元与产品功能事元的关系，对功能事元进行拓展分析，生成可能满足用户需求的功能事元集，然后根据实际情况进行可拓变换，最后通过可拓变换得出产品的新功能创意。

4）方案求解与评价：得出新的功能创意后，将功能映射为产品结构得出产品的设计方案。利用功能实现求解方法找出实现功能的原理知识，并整理成具体的设计方案，最后对该方案进行评价。

2 具体设计步骤

2.1 产品的功能建模

2.1.1 产品功能分析

在产品再设计中，功能创新是产品创新的基础，如何在原有的设计基础上挖掘出需要改进的新功能是产品再设计成功的关键。功能被认为是设计所需的动作或效果的抽象化描述[10]，功能一般用“动词+名词”的形式表达，动词为一个主动动词，表示产品所完成的一个操作，名词表示被操作对象[11]。产品或系统的总功能是由产品或系统内部的各分功能有机组成的，因此深入挖掘产品结构所包含的知识原理，可将产品的总功能分解为执行不同操作的分功能，而分功能也可分解为下一级的子功能，一直可以分解到易于实现的具体的功能元[12]，功能树模型如图2所示。在定义功能时，为避免不同设计人员对相同的功能使用不同的功能词汇，而影响到功能信息的理解与共享，有些学者开始归纳总结某个领域产品设计的规范化表达的功能词汇，从而提出了功能本体知识库的概念[13]，将功能词汇按不同的层次关系进行划分，部分功能本体知识库如表1所示。这些词汇是独立于特定环境和应用领域的，具有通用性与可重用性，这一特点为产品的再创新设计提供了准确、规范的知识表述与设计依据[13]。

图2 功能树模型Fig.2 Function tree model

表1 功能本体知识库Tab.1 Functional ontology knowledge base

2.1.2 事元模型

在可拓学中，产品功能可由事元模型的三要素形式化地表达出来，本文主要是依据用户个性化需求中的功能需求和产品功能开展的，因此可将用户的功能需求以及产品功能表达为事元模型。功能的一般式“动词+名词”可与事元模型三要素中的“动作”和“支配对象”的“量值”相对应，该事元模型称之为功能事元。事元可以记为A，其三要素aO、Ca和aV依次为动作、动作的特征以及特征的量值，基本表达式为[9]：

2.2 需求分析与功能对比

用户真正需要的并非是产品本身，而是产品内在包含的功能[11]，卡诺模型（KANO模型）[14]将用户需求划分为基本需求、期望需求、兴奋需求、无差异需求与反向需求五种。能极大提高用户对产品满意度的个性化需求，应属于KANO模型中非必须实现的期望需求或兴奋需求。由公理设计理论[15]可知，用户需求是基于用户域提出的，而产品功能则是立足于功能域的，因此需求不直接等同于功能，但对需求的本质与核心加以提炼，相应的需求功能可用于指导产品进行开发设计，为产品创新指明方向，缩短设计周期，提升用户的满意度。提炼需求功能时，其核心应符合功能的一般表达式，并将其表达成需求功能事元Ani。

在按照需求功能进行产品设计之前，需将需求功能事元与产品功能事元进行匹配对比，分析出需求功能与产品功能之间的关系。功能匹配对比的流程如图3所示，首先，分析两功能事元的支配对象的量值aV是否相同，如果相同则进入第二步，判断两功能事元的动作aO在功能本体知识库中是否为同主类，若为同主类则判断两功能事元为相关功能，则以需求功能事元指导产品功能事元进行拓展分析与可拓变换，实现功能变更；如果两判断中的一个为否，则将该需求功能事元判断为新功能，进行功能添加。

图3 需求功能事元与产品功能事元的功能对比Fig.3 Function comparison between demand function event element and product function event element

新需求功能事元Ani只表达出产品应能执行某个动作或某个动作具备的某种特征，但该功能事元没有与确定的产品（包含工具）建立起关系，因此，为了将其与产品建立起关系，需在功能事元Ani的原有特征以及量值的基础之上赋予“工具”“效果”“位置”“施动对象”“接受对象”和“程度”等特征，得到可被产品识别的功能事元Afi，具体的映射方法如下：

2.3 可拓创新方法

2.3.1 拓展分析方法

拓展分析方法是可拓创新方法中创意生成的依据，本文主要用的是发散分析方法和蕴含分析方法。发散分析方法是指对事元模型中的三要素进行发散，得到多个相对应的事元，表现了事物的发散性，发散分析通常表现为一种树状结构：

在个性化需求功能事元的指导下对功能事元进行发散分析，能拓展出更多可能符合需求的功能创意，为产品创新提供更多的可能。根据专业领域知识，运用蕴含分析不仅能将不易实现的上位功能事元转化为易于实现的下位功能事元，还能强制建立或删除功能间的蕴含关系。在事元模型中常见的蕴含关系是因果蕴含，其表现为某一功能的实现会导致另一功能的实现[16]，这与功能树模型中子功能的实现可致使分功能实现相同。因此，依据个性化需求对功能事元进行蕴含分析不仅能分析出功能间的关系，还能找到功能实现的方法。蕴含分析中的与蕴含的表达形式为：

2.3.2 可拓变换及其运算

可拓变换可将原有的产品功能事元变换为拓展所得的功能事元，从而获得新功能创意，是创意生成的工具[17]。可拓变换的基本公式是TR= {R1,R2,…,Rn}，其中T= {OT,v,c} 表示发生的变换类型，OT表示实施的基本变换名称OT∈{置 换，增删，扩缩，分解,复制}。五种基本变换的公式如下：

增删变换：TR=R±Ri；

扩缩变换：TR=αR，0 ＜α＜ 1或α＞1；

分解变换：TR= {R1+R2+…+Rn}；

复制变换：TR={R,R* }。

可拓变换的运算方法主要包括积变换、与变换、或变换和逆变换四种[9]，变换的运算可将基本变换的结果进行组合运算得到复杂变换，从而得出满足产品设计的功能组合。

2.4 功能实现求解与评价

功能是通过产品的物理结构相互作用实现的，通常同一功能有多种实现的工作原理和物理结构，而寻找实现功能技术载体是求解产品结构过程中关键的一步，目前常用的查找方法为：直觉法、调查分析法、设计目录法和功能导向搜索FOS[18]，在功能求解过程中，这四种方法均能有效指导设计人员查找设计方案。查找出功能的实现原理形成结构方案后，还需要对该方案进行评价，分析该产品是否满足用户的个性化需求，如果满足则保留设计方案，如果不满足则重新进行功能事元的匹配对比。

3 案例分析

股骨颈骨折是临床上常见的髋部骨折，目前治疗的主要方法是沿着股骨颈轴线方向植入内置物，因此准确定位股骨颈轴线是关键一步，而手术中通常是通过置入定位导针的方式确定轴线位置的。

假定气体压缩是基于理想气体的热力学确定的,并且该过程是绝热的,则阶段k中的流体体积可以近似地通过以下等式获得，即

3.1 产品分析与需求分析

许多学者就准确置入克氏针导针进行了研究，其中汤世斌等[19]基于股骨颈轴线平行于股骨颈前侧中部、基底部和股骨近端前侧面形成的平面这一解剖基础，借助数学几何中的“平行线”原理导出股骨颈轴线，从而设计出体外股骨颈轴线导向器，如图4所示。该导向器与医生徒手植入相比具有一定的可靠性，但仍不能准确定位股骨颈轴线，其可靠性有待提高。

图4 在模型上使用体外股骨颈前倾角导向器的实物照[19]Fig.4 A physical image of external guide of femoral neck anteversion on a model[19]

分析产品的结构可知：沿股骨颈轴线方向插入两个等长的导出针，在导出针上端固定一平行于股骨颈轴线的引导杆，引导杆远端固定一垂直于股骨颈轴线的L型直角滑杆，克氏针导针经L型直角滑杆的底端直角植入股骨颈内。经功能分析可知，该产品的总功能为植入导针，分功能为定位轴线、引导导针和固定导向器，其功能树模型如图5所示。

图5 体外股骨颈前倾角导向器功能分解树Fig.5 Functional decomposition tree of external guide of femoral neck anteversion

根据该装置的功能树模型对各功能建立功能事元，其中功能事元如下：

在股骨颈骨折的治疗手术中，根据患者的实际参数置入导针是成功治疗的关键。结合医生与患者的需求得出该装置的个性化需求如下：

1）定位轴线的定位部件应与股骨干表面相贴合，从而保证能正确标记出股骨颈轴线在股骨干上的位置，提高定位的准确性。

2）在植入导针前，该装置能将导针暂时锁固于体外，以便配合影像技术检查导针是否与轴线共线，以此保证进针角度与患者的颈干角、前倾角相适应，避免重复进针。

3）用于固定导向器的固定部件应能依据人体参数实现调节，确保安装的有效性。

分析上述个性化需求可知，其中包含的需求功能为：定位轴线、锁固导针、调节固定尺寸，根据个性化需求建立如下事元模型：

3.2 功能创意的生成

将上述三个需求功能事元与产品功能事元进行匹配对比，可知需求功能事元 1nA与产品功能事元1A的支配对象量值均为“轴线”，且两者的动作“定位”在功能本体知识库中同属于“支撑”一类，两功能事元是相关功能，因此，以 1nA为依据指导1A进行拓展分析与可拓变换；分析可知需求功能事元An2虽与产品功能事元2A的支配对象量值相同，但两者的动作在功能本体知识库中属于不同主类，因此An2为产品的新功能，将其添加到产品中；同理可知，需求功能事元An3同为新功能。

3.2.1 拓展分析

依据个性化需求功能匹配对比的结果对功能事元进行拓展分析，以便得到更多可能满足个性化需求的方法与途径。以需求功能事元 1nA为依据对相关功能事元1A进行发散分析，并根据领域专业知识对发散所得的功能事元集进行蕴含分析，得出可行的功能实现方法，具体分析过程如下：

其中：

其中，待设计部件1D、D11′、D12′、D11′、D12′均为实现定位轴线这一功能的部件。

依据功能匹配对比可知，需求功能事元An2为新功能，因此将其作为新功能添加到产品中，将其映射为功能事元并进行发散分析：

An2=(锁固，支配对象，导针)

其中，待设计部件Df1为实现功能事元Af1的部件。

同理，将需求功能事元An3映射为功能事元Af2，如下所示：

An3=(调节，支配对象，固定尺寸)

其中，待设计部件Df2为实现功能事元Af2的部件。

由专业知识可知，功能事元Af2的加入会导致固定导向器的工具发生变化，也会导致固定导向器这一功能的实现方式发生变化，分析可知新功能事元Af2与产品功能“固定导向器”应有以下蕴含关系：

其中，待设计部件 3D、Df3为实现功能事元3A′这一功能的部件，a为待确定的固定方式。

3.2.2 可拓变换及其运算

基于上述拓展分析，运用可拓变换与可拓变换的运算获取可满足个性化需求的新创意。依据个性化需求，对功能事元1A进行如下变换：

将2A与A′f1进行组合可得如下变换：

其中，待设计部件 2D为实现功能事元2A′的部件。对功能事元3A进行如下变换：

3.3 最终设计方案

通过以上可拓变换结果可知，实现功能事元1A′的定位部件1D不仅要与股骨干表面相贴合并标识出股骨颈轴线位置，且应指示出股骨轴线的方向，因此可经CT扫描、逆向建模工具反求出股骨干表面参数以及股骨颈轴线特征，借助逆向工程设计与3D打印设计出与股骨干表面相贴合的定位块以及沿轴线方向延伸的轴向指示块；引导部件 2D对克氏针导针应具有引导和锁紧功能，以便于在植入导针前配合影像技术校核导针方向，采用导向套与松紧螺母组合的方式实现功能事元2A′；功能事元3A′要求固定部件 3D在尺寸可调的同时，能实现自锁或带有可限制移动的锁定部件，由于在一定条件下蜗杆传动会产生自锁，所以引入蜗杆齿条传动机构实现尺寸的调整和固定部件的自锁。将上述功能实现方式进行组合得到新产品的物理结构模型如图6所示。

图6 股骨颈轴线导向器新结构模型Fig.6 A new structural model of the axial guide of the femoral neck

该设计方案结构简单，利用逆向工程设计与3D打印技术有效地提高了导向器定位轴线的准确性，同时利用松紧螺母实现了体外校核导针的目的，蜗杆作为调节固定尺寸的主要部件，增加了安装的稳定性和可靠性，最终得到的产品结构模型能满足用户的个性化需求。

4 结语

本文提出的基于可拓创新方法的个性化产品设计方法，将产品的核心功能转化为更加直观的形式化的事元模型，依据用户的个性化需求与产品功能之间的关系，指导功能事元进行拓展分析与可拓变换，获得满足用户个性化需求的新产品功能创意，并依据功能创意设计出新方案。该方法通过形式化的事元模型将个性化需求融入产品的再设计中，增加了设计的可操作性，同时为个性化功能事元模型的拓展分析与可拓变换指明了方向，有利于找出功能创新的突破口，为产品针对个性化需求的再设计提供了新的思路。