基于AHP/QFD/TRIZ模型的儿童玩具设计研究

胡畅文,石元伍

(湖北工业大学工业设计学院, 湖北 武汉 430068))

随着我国教育水平的不断提高,人们越来越关注下一代的素质教育问题。国内儿童素质教育市场规模迅速扩张,儿童玩具的市场需求也不断增加。儿童玩具满足了儿童在不同成长阶段教育和娱乐需求,具有促进儿童感觉和语言的发展及增进智力、改善性格的功能[1]。其中机械结构玩具能够提高儿童的逻辑思维和实践操作能力,培养儿童的工程思维。然而目前在进行儿童机械玩具的设计和生产时,多数都忽略了用户的真正需求,产品同质化严重,安全问题比比皆是,最终导致儿童能力提升缓慢,学习兴趣不高,难以实际应用等问题,因此对儿童机械玩具产品进行设计研究有很大价值。

1 AHP/QFD/TRIZ集成运用方法

层次分析法是一种定性与定量分析方法相结合的多目标决策分析方法[2]。主要是通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素,对两两指标之间的重要程度作出比较判断,建立判断矩阵,通过计算判断矩阵的最大特征值以及对应特征向量,得出不同方案重要性程度的权重,为最佳方案的选择提供依据[3]。

质量功能展开是以用户的需求出发,分析哪些工程特性与用户需求相关联,用可视化矩阵反映用户需求与产品开发中的技术信息和技术规范之间的内在联系,能够将客户的需求转换为设计师的技术语言[4]。其中,质量屋(House of Quality,HOQ)是QFD的核心[5],能够将庞杂的用户需求和工程参数进行高效的筛选和排序,从而提高产品质量和用户满意度。

TRIZ创新方法是由阿奇舒勒在研究了250万份专利后得出的一套具有完整体系的方法。是创新设计方法中的常用方法之一,它打破人们思考问题的惰性和片面性,避免了创新过程中的盲目性和局限性[6]。TRIZ中的通用技术参数、矛盾矩阵和发明原理能够很好地提高产品创新设计研发效率和缩短设计研发周期。用高度归纳类比的方式为工程问题提供解决方案。其基本流程为分析问题,将问题转化为通用的四类问题模型,使用知识库得到对应的解决办法,最后得出具体方案。能有效地解决产品创新中遇到的冲突和矛盾,定向地引导进行创新[7]。

虽然上述几种方法都可以单独应用于产品的设计研究中,但是它们各有其优点和不足。AHP虽然能够得到用户需求的权重,但是难以与设计实践相结合。QFD虽然能够完善地将用户需求转化为产品技术要素,但是缺少创新性的解决方案。TRIZ创新方法可以通过矛盾矩阵和创新发明原理为设计工作者提供解决问题的创新思路,但是由于TRIZ理论规范性特点,易导致产品发明创新过程一般化,忽略个性化。在我国有很多学者将这三类方法集合进行产品设计研究,张彩丽等[8]对QFD和TRIZ的集成模型进行了研究,有机融合了两者的优势,通过实例证明该方法的有效性。苏建宁等[9]将QFD/AHP/TRIZ相结合的方法,应用到玫瑰花瓣采摘机的设计研究中,提高了设备的采摘效率。曾曦等[10]将QFD和TRIZ集成模型引入到老年人轮椅改良设计中,证实了研究的可行性和有效性。设计流程见图1。

图1 AHP/QFD/TRIZ集成模型图

首先通过问卷、访谈、观察、文献的方式获取用户在使用产品过程中的遇到的问题和需求。将用户需求进行提取和归纳,使用AHP层次分析法,计算各层次指标权重。接着构建QFD质量屋,填入与用户需要相关的设计要素,得到各工程设计要素的冲突关系。然后导入用户需求和权重系数,计算得到各设计要素重要度排序。再将冲突问题转化为TRIZ标准问题,分析矛盾类型,使用矛盾矩阵和创新方法寻求解决方案。最后判断方案是否符合用户需求,进行验证,确定设计方案。本文将三种方法的优势结合起来,应用到儿童玩具设计过程中,不仅可以针对用户的具体需求进行设计转化,同时还能提供创新型的解决方案。

2 儿童机械玩具设计应用

机械玩具狭义上讲,是通过齿轮、连杆、轴承、弹簧等机械机构实现自动或者手动的形态变化的玩具。广义上讲,凡是能够在某种动力下,做持续的物理运动,发生形态变化的都属于机械玩具。机械玩具历史悠久,从我国古代的孔明锁、五轮沙漏、走马灯,到现代的四驱车、高达模型、乐高积木等,这类产品都实现了手动或者自动的产品形态变化。

根据皮亚杰的认知发展理论可知6～12岁的儿童正处于具体的运算阶段,思维具有可逆性,需锻炼其逻辑思维能力[11]。机械玩具能够很好地锻炼儿童这方面的能力。但是目前国内针对6～12岁儿童设计的机械玩具较少,存在一些问题,其一是产品娱乐性方面创新不够,易使儿童感觉枯燥乏味。其二是教育性方面的创新缺失,玩教脱节,产品存在跨学科知识融合不足,导致儿童玩完即忘,难以与实际应用相结合的问题。鉴于此,下文以6～12岁儿童使用的机械玩具为例,进行创新方案设计。

2.1 用户需求的获取与分析

机械玩具能够培养儿童工程思维和学习相关机械原理,与之相关的用户不仅是儿童,还包含儿童家长和教师,三类用户和产品的关系见图2。

图2 儿童、家长、教师和机械玩具的关系图

通过对武汉市洪山区某小学的3位科学老师进行深入访谈,15位儿童家长进行问卷调查,40位儿童进行科学课堂观察,综合得到了用户对儿童机械玩具的需求。为避免主观经验对用户需求评价的影响,运用层次分析法建立需求层次模型,计算得到各要素权重分配系数[12],儿童机械玩具用户需求见表1。

表1 儿童机械玩具用户需求

分别对准则层和子准则层设置1～9标度的调查问卷,通过专家打分构建判断矩阵,见表2～表5。

表2 目标层评价指标判断矩阵

表3 教育性需求准则判断矩阵

表4 安全性需求准则判断矩阵

表5 娱乐性需求准则判断矩阵

通过计算,得出准则层和子准则层单排序权重,为确保结果的合理性,进行一致性检测,通过CR=CI/RI可得到一致性比率CR值均小于0.1,结果通过一致性检测,表明了权重的合理性。将准则层需求权重系数与子准则层需求权重系数相乘得到综合权重,见表6。

表6 用户需求层次结构及权重系数

2.2 用户需求转化

得到用户需求权重后,需将抽象的用户需求,转化为具体的设计要素,指导机械玩具的设计创新。质量屋是由左墙、天花板、屋顶、房间、右墙和地板构成。它可以将用户需求转换为与之相关的设计要素,然后对不同的设计要素进行重要程度排序,找到核心问题的解决措施,针对性的进行设计。设计要素重要度计算的计算式为:

式中:Hj为第j项设计要素的重要度;Li为第i个用户需求的重要度;Wij为第i个用户需求于第j个设计技术要素间的关系赋值。

首先将表1的用户需求子准则层填入质量屋的左墙区域;接着工程技术人员和设计人员对用户需求的子准则层进行展开得到与之相关的设计要素,组成天花板区域;然后在各个设计要素之间用“+”表示相互促进的关系,“-”表示相互冲突的关系,组成屋顶区域;再使用0,1,3,5分别代表用户需求与设计要素之间的无相关、弱、中、强相关程度,组成质量屋的房间区域;将表6的用户需求综合权重作为质量屋的右墙;最后通过计算得到不同设计要素的重要度,组成质量屋的地板区域,机械玩具质量屋见图3。

图3 机械玩具质量屋

观察机械玩具质量屋的地板区域,产品尺寸大小、机械零部件、图文介绍说明书、连接件的稳定可靠是最重要的设计要素。在进行玩具创新设计时,需要优先满足该类设计要素。设计要素重要程度排序依次为:尺寸大小>机械零件>图文介绍>连接件稳定可靠>色彩明度饱和度高>形态多变>能源安全>边角圆润光滑>模块化>玩法多样>结构稳定>复杂程度低。

2.3 矛盾分析

通过质量屋的屋顶三角形区域,可以直观地了解机械玩具的各项设计要素之间的关联性(图4),“+”表示正相关,既一项设计要素的改进会使另一项设计要素产生优化效果,“-”表示负相关,一项设计要素的改善会导致另一项设计要素的恶化,空白处表示设计要素之间无相关性。

图4 质量屋正负关联性

通过质量屋屋顶的设计要素正负关联性可以得到6组负相关关系,既存在矛盾的设计要素,对该6对矛盾冲突进行解释分析:

①形态多变和连接件稳定可靠之间的矛盾。机械玩具形态的多变会迫使需要更加高强度,高稳定性的连接件来保持可运动部件的稳定性。这是一对技术矛盾,解决的是使用何种材料和结构的连接件来满足机械玩具的多变性。

②形态多变和结构稳定之间的矛盾。机械玩具多变的外形会带来整体结构的不稳定性,既要保证形态多变来满足儿童好奇心,又要结构的稳定来提升产品的安全性。这是一对技术矛盾,解决的是使用何种基础形态来保证产品稳定性的同时,提供更多的外形变化。

③形态多变和复杂程度低之间的矛盾。机械玩具对形态多变有较强的设计需求,当形态变化次数增多以后,产品复杂程度会随之提高,不利于6～12岁的儿童使用。这是一对技术矛盾,需要甄别适合6～12岁儿童易于理解的机械原理知识点融入到玩具设计中。

④尺寸大小和模块化之间的矛盾。为了满足模块化拼接的需求,物体的形态和体积是变化的。为了满足产品的稳定性需求,物体的形态和体积是不变的,体积的变与不变是典型的物理矛盾,可以使用分离原理。

⑤模块化和结构稳定之间的矛盾。当模块化的数量变多,产品在各模块连接的区域稳定性会出现较多问题。这是一对技术矛盾,解决的是使用何种模块化组合方式尽可能地提高稳定性。

⑥玩法多样和复杂程度低之间的矛盾。机械玩具玩法多样会导致复杂程度变高,既要保证玩法的多样性,又要保证易于儿童理解的适龄性。

使用TRIZ理论将负相关关系的设计要素转化为TRIZ理论中的39个通用工程参数并分析矛盾类型,技术矛盾查询矛盾矩阵表来获得相关发明原理;物理矛盾使用分离原理获得解决方案,见表7。

表7 各项矛盾以及对应的发明原理

2.4 矛盾解决

综合上述矛盾冲突,根据儿童机械玩具的具体情况和要求,选择合适的发明原理进行设计实践。在①号矛盾中:形态多变和连接件稳定可靠之间的矛盾。采用35号原理——物理或化学参数改变原理,改变连接件的物理化学参数,使用ABS工程塑料作为螺栓螺母垫圈的材质,它具有硬度高,耐酸碱等化学性腐蚀的特点,在确保连接件稳定可靠的前提下满足形态多变的需求,见表8。

表8 ①号矛盾解决原理

在②号矛盾中:形态多变和结构稳定之间的矛盾。采用34号原理——抛弃与再生原理,抛弃机械结构玩具中晦涩难懂和不易于结构稳定的成分,保留一个基本形态,而后在其基础在上进行再生,组成不同的形态,见表9。

表9 ②号矛盾解决原理

在③号矛盾中:形态多变和复杂程度低之间的矛盾。采用15号原理——动态化原理,在设计中仅引入连杆、齿轮、滑轮、带传动等易于儿童理解的简单的机械机构,使其改变相对位置,满足机械结构玩具的多种形变需求,见表10。

表10 ③号矛盾解决原理

在④号矛盾中:尺寸大小和模块化之间的矛盾。采用1号原理——分割原理,将一个物体分割成相互独立的部分,使其易于组装和拆卸,见表11。

表11 ④号矛盾解决原理

在⑤号矛盾中:模块化和结构稳定之间的矛盾。采用2号原理——抽取原理,将产品中产生负影响的部分抽离,抽离对于6～12岁儿童较难掌握的和易导致结构不稳定的部分,以齿轮为例,抽离齿轮齿条、人字齿轮、蜗杆涡轮等对于儿童难以理解的齿轮知识,仅包含最基本的外啮合直齿传动,化繁为简,确保机械玩具的适龄性和娱乐性。见表12。

表12 ⑤号矛盾解决原理

在⑥号矛盾中:玩法多样和复杂程度低之间的矛盾。采用10号原理——预先作用原理,预先在零部件合适的区域设置拼装卡口和螺孔,方便儿童在拼接过程中快速识别部件,进行有效拼装。见表13。

表13 ⑥号矛盾解决原理

3 儿童机械玩具设计方案

3.1 材质和制作工艺

产品材质和工艺是主体部分木头激光切割和塑料连接件的3D打印。激光加工技术具有生产效率高,质量可靠的特点,容易控制,易于制作精密机械[13]。木头作为产品主体材质的优势是方便加工,电的传导性弱,比较安全,绿色环保无毒,适合儿童使用,同时木头作为主材质,教师用户可以根据自己的课程需求,进行特定尺寸和形状的木板激光切割作为课程教材使用。塑料作为木头之间的连接件,硬度高,更加的安全可靠,并且儿童在使用手或者扳手旋转塑料螺丝螺母的过程中也促进了儿童手部肌肉的锻炼。

3.2 设计方案

根据QFD中的设计要素和TRIZ的创新解决方案,以RHINO为造型平台,进行儿童机械结构玩具的创新设计,以其中一个拼接造型(吊车)为例,产品结构见图5。

1-定滑轮;2-螺丝螺母连接;3-垂直支撑杆;4-齿轮传动;5-横向支撑杆;6-底座;7-距离调节部件图5 吊车结构示意图

根据QFD的设计要素重要度表明,连接件的稳定可靠和产品尺寸大小是重要设计要素,为满足连接件稳定可靠的设计需求,确保产品各部件的连接稳定性,使用螺栓螺母连接。如图6是零部件ABS工程塑料外六角螺栓和垫圈的尺寸说明。为了防止儿童误食和易于儿童抓握,使用厚度为6 mm的椴木板材进行激光切割,其中产品最小零部件尺寸为30 mm,见图7。

图6 M6-15外六角螺栓和垫圈尺寸图

图7 激光切割图样和零部件尺寸图

产品配色将木的原色作为产品主体部分,使用色彩明度和饱和度高的亮黄色和橙色作为操作面板和动作机构的颜色,黄色系作为木色的同色系,能够有效减少儿童在拼装过程的无趣感,亮黄色能够给儿童带来动感开朗的心理感受,橙色给儿童带来工程的心理感受,契合产品属性,紧固连接件使用具有工业感的灰色作为装饰。不同颜色的区分可以方便儿童在拼装过程中快速识别部件,进行有效拼装,见图8。

图8 产品种类和配色方案

6～12岁儿童不具备很强的逻辑分析能力,处于对新鲜事物的学习探索阶段,需要侧重培养儿童解决问题的能力和逻辑思维能力。根据TRIZ动态化原理和抽取原理提供的创新解决方案,产品针对儿童做了适龄性调整,仅包含基本的机械原理和结构,如连杆机构、滑轮传动、齿轮传动、带传动机构等,确保产品适龄性,提升儿童手眼及肌肉的协调能力。产品可以根据不同模块的拼接,实现不同的功能和多种造型。目前设计了七款造型:跷跷板、三轮车、投石车、挖掘机、吊车、升降车、水泥压路车。儿童在动手拼接不同造型的过程中,能极大地激发儿童的创造性。产品效果见图9。

图9 产品效果图

质量屋中的设计要素重要度表明图文介绍说明书对儿童机械玩具十分重要,需要设计能够吸引儿童目光的产品包装盒和利于儿童理解拼接步骤的产品拼装说明书,见图10。

图10 产品包装盒和拼装说明书

6～12岁儿童年龄跨度较大,需要掌握的知识也是有区分的,针对不同年龄段的儿童设计了不同的难度,以挖掘机为例,入门级别需要掌握连杆机构和螺丝螺母连接等知识点。针对高年级儿童加入了电路模块,儿童可以给车配备电力系统,实现车的行驶和抓斗控制,见图11。

图11 电力模块在机械玩具上的表现

3.3 设计方案验证和评估

为了验证儿童机械玩具创新设计的实用性,制作产品样机,使用环保水性木器漆进行涂装。邀请8位6～12岁的儿童拼接产品后,再次对子准则层用户需求进行评估。根据评价结果形成用户反馈雷达图,12项用户需求中有10项需求在4分以上,产品达到用户需求(图12、图13)。

图12 产品样机

图13 用户需求反馈雷达图

4 结论

本文针对6～12岁的儿童创新设计了一种机械结构玩具,采用AHP/QFD/TRIZ集成模型对机械结构玩具进行创新设计,经过设计后的机械结构玩具将以往书本教育的间接经验转换为儿童动手拼接的直接经验,让儿童在拼接不同产品的实践过程中获得不同的机械结构知识,将被动的学习状态改为主动探索,提高了儿童的动手能力和创新能力,培养了儿童的工程思维。该设计流程可为相关玩具设计提供参考,后续设计研究可结合开放式玩法,阶段性奖励机制和编程教育进行下一步探索,实现多学科融合,使产品附加更多的知识体系,提高儿童的综合能力。