2.1概述2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法2.3典型案例2.4思考題與習(xí)題第二章先進(jìn)設(shè)計(jì)理論與方法2.1概述

1.設(shè)計(jì)的歷史設(shè)計(jì)已經(jīng)從“原始社會(huì)的有意識(shí)、有目的的加工制作”，隨著物質(zhì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)水平的提高，發(fā)展到“以機(jī)械化大批量生產(chǎn)”為特色的現(xiàn)代設(shè)計(jì)階段，具有許多鮮明的設(shè)計(jì)特征。20世紀(jì)前早期，一個(gè)人就可以完成整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造20世紀(jì)的中葉人們組成不同的團(tuán)隊(duì)分別負(fù)責(zé)市場(chǎng)、設(shè)計(jì)、制造和整體管理等20世紀(jì)80年代初期并行工程強(qiáng)調(diào)制造過(guò)程的改進(jìn)要與產(chǎn)品的更新同步20世紀(jì)80年代協(xié)同設(shè)計(jì)以及集成生成與過(guò)程設(shè)計(jì)20世紀(jì)90年代精益與六西格瑪?shù)母拍钤谥圃鞓I(yè)中變得流行并開始影響到設(shè)計(jì)21世紀(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)得到了廣泛應(yīng)用，人工智能技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增加2.1概述

2.設(shè)計(jì)的基本活動(dòng)所有這些方法和最好的實(shí)踐都是圍繞10個(gè)關(guān)鍵特征建立起來(lái)的。這10個(gè)特征基本的焦點(diǎn)是對(duì)團(tuán)隊(duì)成員、設(shè)計(jì)工具和技術(shù)、產(chǎn)品信息以及用于產(chǎn)品開發(fā)和制造過(guò)程的集成。無(wú)論需要設(shè)計(jì)的問(wèn)題是什么，總是有意或無(wú)意地進(jìn)行著六個(gè)活動(dòng)最佳實(shí)踐設(shè)計(jì)的10個(gè)關(guān)鍵特征1.關(guān)注產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期2.設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的作用和支持3.認(rèn)識(shí)到過(guò)程和產(chǎn)品同樣重要4.關(guān)注以信息為中心的任務(wù)規(guī)劃5.關(guān)心產(chǎn)品需求的發(fā)展6.鼓勵(lì)產(chǎn)生多種概念并進(jìn)行評(píng)價(jià)7.明確決策過(guò)程8.在設(shè)計(jì)的全過(guò)程中關(guān)注設(shè)計(jì)質(zhì)量9.產(chǎn)品開發(fā)和加工過(guò)程協(xié)同發(fā)展10.強(qiáng)調(diào)在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將正確的信息于適當(dāng)?shù)娜藛T交流設(shè)計(jì)的六個(gè)活動(dòng)1）確定設(shè)計(jì)要求或認(rèn)識(shí)到要解決什么問(wèn)題。2）計(jì)劃如何去解決這個(gè)問(wèn)題。3）通過(guò)完善需求和分析現(xiàn)有類似問(wèn)題的解決方案來(lái)理解問(wèn)題。4）產(chǎn)生可供選擇的解決方案。5）通過(guò)將備選方案與設(shè)計(jì)要求比較和將它們互相比較的方法來(lái)評(píng)價(jià)備選方案。6）決定可采用的方案。2.1概述

3.設(shè)計(jì)關(guān)注全生命周期先進(jìn)設(shè)計(jì)理論不僅關(guān)注產(chǎn)品的開發(fā)，還關(guān)注產(chǎn)品的生產(chǎn)銷售、使用、報(bào)廢等產(chǎn)品的全壽期過(guò)程。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全壽命周期產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命周期管理2.1概述

4.設(shè)計(jì)的解決方案通過(guò)解決問(wèn)題的過(guò)程，可以獲得關(guān)于問(wèn)題的知識(shí)和解決問(wèn)題的可能答案。設(shè)計(jì)問(wèn)題可以有很多滿足要求的答案，但沒(méi)有明顯的最佳解答。設(shè)計(jì)過(guò)程模型設(shè)計(jì)過(guò)程中的自相矛盾2.1概述

5.設(shè)計(jì)思維在先進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)理論與方法固然重要，但設(shè)計(jì)思維也必不可少。設(shè)計(jì)思維是一種綜合性的思考方式和解決問(wèn)題的方法，它不僅僅局限于設(shè)計(jì)領(lǐng)域，而是適用于各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。設(shè)計(jì)思維強(qiáng)調(diào)以用戶為中心、創(chuàng)新和跨學(xué)科的合作和快速迭代和持續(xù)改進(jìn)。設(shè)計(jì)思維工具是支撐設(shè)計(jì)思維實(shí)現(xiàn)的通用手段或方法，常用的設(shè)計(jì)思維工具主要有思維導(dǎo)圖、客戶旅程地圖、移情圖等。斯坦福大學(xué)將設(shè)計(jì)思維分為五個(gè)階段共情定義問(wèn)題形成概念建立原型測(cè)試1.概述2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，快速設(shè)計(jì)并推出新產(chǎn)品已成為企業(yè)生存的關(guān)鍵，其中設(shè)計(jì)理論在產(chǎn)品創(chuàng)新中發(fā)揮著重要的作用，大量學(xué)者從事相關(guān)研究并提出了多種理論與設(shè)計(jì)模型。對(duì)具有代表性的、被學(xué)界廣泛接受認(rèn)可的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論進(jìn)行介紹，如：TRIZ理論及其九大手法、公理設(shè)計(jì)及其域和映射機(jī)制、系統(tǒng)化設(shè)計(jì)及其內(nèi)涵。2.TRIZ2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法TRIZ是拉丁文中發(fā)明問(wèn)題解決理論的詞頭。該理論是前蘇聯(lián)C.S.Altshulder等人自1946年開始，在分析研究各國(guó)250萬(wàn)件專利的基礎(chǔ)上所提出的，是解決技術(shù)難題的原理和知識(shí)體系。TRIZ理論的簡(jiǎn)化過(guò)程TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則最終理想解40個(gè)發(fā)明原理39個(gè)工程參數(shù)和矛盾矩陣物理矛盾的分離原理物場(chǎng)模型標(biāo)準(zhǔn)解法發(fā)明問(wèn)題解決算法科學(xué)效應(yīng)和知識(shí)庫(kù)2.TRIZ——技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法阿奇舒勒的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化論可以與自然科學(xué)中的達(dá)爾文生物進(jìn)化論和斯賓塞的社會(huì)達(dá)爾文主義齊肩，被稱為“三大進(jìn)化論”。技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化分為嬰兒期、成長(zhǎng)期、成熟期和衰退期四個(gè)階段。TRIZ的技術(shù)系統(tǒng)八大進(jìn)化法則分別是提高理想度法則、完備性法則、能量傳遞法則、協(xié)調(diào)性法則、子系統(tǒng)的不均衡進(jìn)化法則、向超系統(tǒng)進(jìn)化法則、向微觀級(jí)進(jìn)化法則、動(dòng)態(tài)性和可控性進(jìn)化法則。技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化過(guò)程2.TRIZ——最終理想解2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法系統(tǒng)的進(jìn)化過(guò)程就是創(chuàng)新的過(guò)程，即系統(tǒng)總是向著更理想化的方向發(fā)展，最終理想解是進(jìn)化的頂峰。最終理想解是TRIZ理論保證解法過(guò)程收斂性的重要手段。最終理想解有4個(gè)特點(diǎn)：a.保持了原系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)；b.消除了原系統(tǒng)的不足；c.沒(méi)有使系統(tǒng)變得更復(fù)雜；d.沒(méi)有引入新的缺陷。2.TRIZ——40個(gè)發(fā)明原理2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法阿奇舒勒對(duì)250萬(wàn)份專利進(jìn)行了研究、分析和總結(jié)，提煉出了TRIZ中最重要的、具有普遍用途的40個(gè)共性發(fā)明原理。它們主要應(yīng)用于解決系統(tǒng)中存在的技術(shù)矛盾，為一般發(fā)明問(wèn)題的解決提供了強(qiáng)有力的工具。2.TRIZ——矛盾矩陣2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法在對(duì)專利分析和研究過(guò)程中，阿奇舒勒發(fā)現(xiàn)，有39個(gè)工程參數(shù)在彼此相對(duì)改善和惡化，而這些專利都是在不同的領(lǐng)域上解決這些工程參數(shù)的沖突與矛盾。這些矛盾不斷地出現(xiàn)，又不斷地被解決。39個(gè)通用工程參數(shù)分為以下三大類。①物理及幾何參數(shù)：是描述物體的物理及幾何特性的參數(shù)，共15個(gè)。②技術(shù)負(fù)向參數(shù)：是指這些參數(shù)變大時(shí)，使系統(tǒng)或子系統(tǒng)的性能變差，共11個(gè)。③技術(shù)正向參數(shù)：是指這些參數(shù)變大時(shí)，使系統(tǒng)或子系統(tǒng)的性能變好，共13個(gè)。技術(shù)矛盾矩陣：橫軸表示希望得到改善的參數(shù)，縱軸表示某技術(shù)特性改善引起惡化的參數(shù)，交叉處的數(shù)字表示用來(lái)解決系統(tǒng)矛盾時(shí)所使用創(chuàng)新原理的編號(hào)。2.TRIZ——矛盾矩陣2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法矛盾矩陣2.TRIZ——物理矛盾的分離原理2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法空間分離，將矛盾雙方在不同的空間上分離開來(lái)，以獲得問(wèn)題的解決或降低解決問(wèn)題的難度時(shí)間分離，將矛盾雙方在不同的時(shí)間段分離開來(lái)，以獲得問(wèn)題的解決或降低解決問(wèn)題的難度2.TRIZ——物理矛盾的分離原理2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法條件分離，將矛盾雙方在不同的條件下分離，以獲得問(wèn)題的解決或降低解決問(wèn)題的難度整體與部分分離，將矛盾雙方在不同的系統(tǒng)級(jí)別分離開來(lái)，以獲得問(wèn)題的解決或降低解決問(wèn)題的難度3.公理設(shè)計(jì)2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法公理設(shè)計(jì)的目標(biāo)是為設(shè)計(jì)建立一個(gè)科學(xué)基礎(chǔ)，通過(guò)為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)基于邏輯和理性思維過(guò)程及工具的理論基礎(chǔ)來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)活動(dòng)。該理論認(rèn)為設(shè)計(jì)是一個(gè)自頂向下的過(guò)程，為從概念設(shè)計(jì)到制造的整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程提供了實(shí)用性指導(dǎo)框架，設(shè)計(jì)公理為設(shè)計(jì)的合理性與優(yōu)劣以及設(shè)計(jì)方案的選擇提供了有效的評(píng)判準(zhǔn)則。利用公理設(shè)計(jì)理論可增強(qiáng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性、設(shè)計(jì)方案的穩(wěn)健性、可制造性及可維護(hù)性，建立能使企業(yè)受益的設(shè)計(jì)科學(xué)基礎(chǔ)，提升設(shè)計(jì)學(xué)的科學(xué)性。3.公理設(shè)計(jì)——域2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法域是公理設(shè)計(jì)中最基本和最重要的概念，貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。公理設(shè)計(jì)理論將整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程劃分為四個(gè)不同的設(shè)計(jì)活動(dòng)，即四個(gè)域，它們分別為用戶域、功能域、物理域和過(guò)程域。域的結(jié)構(gòu)3.公理設(shè)計(jì)——映射2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)際上就是四個(gè)域之間的映射過(guò)程。四個(gè)域之間可以建立三種映射關(guān)系。功能域與物理域之間“之字形”的映射關(guān)系建立用戶域和功能域之間映射關(guān)系的過(guò)程相應(yīng)于產(chǎn)品定義階段。建立功能域和物理域之間映射的過(guò)程相應(yīng)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段。建立物理域和過(guò)程域之間映射關(guān)系的過(guò)程相應(yīng)于過(guò)程設(shè)計(jì)階段。3.公理設(shè)計(jì)——設(shè)計(jì)公理2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法獨(dú)立公理

當(dāng)有兩個(gè)以上的功能要求時(shí)，設(shè)計(jì)方案必須滿足每一個(gè)功能要求，而不影響其他的功能要求，這就要求選擇設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，保持功能要求的獨(dú)立性。信息公理

在所有滿足獨(dú)立性公理的設(shè)計(jì)中，信息含量最少的設(shè)計(jì)是最好的設(shè)計(jì)，它是用來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和比較的原則第一公理第二公理3.系統(tǒng)化設(shè)計(jì)2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法20世紀(jì)70年代，德國(guó)學(xué)者Pahl和Beitz提出最有代表性、權(quán)威性和系統(tǒng)性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法學(xué)，將工程設(shè)計(jì)過(guò)程主要分為四個(gè)階段：明確任務(wù)階段、概念設(shè)計(jì)階段、具體化設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。該方法中概念設(shè)計(jì)階段的核心是建立待設(shè)計(jì)產(chǎn)品或稱技術(shù)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。利用黑箱圖表征系統(tǒng)功能，并將物料、能量、信息三種流作為輸入輸出?！昂谙洹蹦Ｐ?.系統(tǒng)化設(shè)計(jì)2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)主要包括以下三個(gè)方面：（1）以輸入、輸出的具體內(nèi)容為思考的出發(fā)點(diǎn)，它要求所有的創(chuàng)造性構(gòu)思必須滿足輸入條件、約束條件和輸出的具體結(jié)果。（2）是構(gòu)思與評(píng)價(jià)同時(shí)進(jìn)行的設(shè)計(jì)方法。（3）思考路徑和方向具有雙向性，即發(fā)散和收斂思維是按“輸入”與“輸出”兩個(gè)方向向黑箱內(nèi)部?jī)?nèi)容逐步深入的。3.系統(tǒng)化設(shè)計(jì)2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法在大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)發(fā)展的加持下，也誕生了許多技術(shù)驅(qū)動(dòng)型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和相關(guān)理論，如：智能產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、眾包設(shè)計(jì)、群體智能創(chuàng)新設(shè)計(jì)。智能產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)眾包設(shè)計(jì)海洋垃圾回收智能機(jī)器人系統(tǒng)2.3

典型案例

以一款能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾信息的輸入、系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、對(duì)垃圾進(jìn)行智能回收的海洋垃圾回收系統(tǒng)為例進(jìn)行案例分析，對(duì)系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程進(jìn)行介紹。首先對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研。SEACLEARFREDMr.TrashWheelSeabinClearbotNeo海洋垃圾回收智能機(jī)器人系統(tǒng)2.3

典型案例

在分析對(duì)比其他競(jìng)品的基礎(chǔ)上，進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)，并對(duì)本次產(chǎn)品開發(fā)目的和要求進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)劃。設(shè)計(jì)人員將其定位為一款市面上的全新產(chǎn)品，目前尚未發(fā)現(xiàn)能夠有一家公司或研究機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品集成如此眾多的諸如環(huán)境探測(cè)、污染源識(shí)別、垃圾回收和處理、自主巡航功能。海洋垃圾回收系統(tǒng)總體功能圖海洋垃圾回收系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖海洋垃圾回收智能機(jī)器人系統(tǒng)2.3

典型案例

利用公理設(shè)計(jì)理論中功能域與物理域之間的映射過(guò)程，并在充分考慮第一公理和第二公理的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生多個(gè)候選設(shè)計(jì)方案。采用形態(tài)矩陣的方式展示，并經(jīng)綜合評(píng)估得到最終概念設(shè)計(jì)方案子功能實(shí)現(xiàn)路徑電池充電（能源自供給）太陽(yáng)能電能燃油

垃圾收集/處理固體吸濾式機(jī)械臂

石油撇油器收集化學(xué)制劑新型方式（電磁吸附等）

垃圾分類機(jī)器人工

目標(biāo)識(shí)別/避障激光雷達(dá)攝像頭識(shí)別聲納混合式路徑規(guī)劃北斗/GPS遙控規(guī)劃WIFI

海洋生態(tài)修復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)形態(tài)矩陣海洋垃圾回收智能機(jī)器人系統(tǒng)2.3

典型案例

基于上述概念設(shè)計(jì)方案，從中找出主要和次要功能載體，并對(duì)主要功能載體，詳細(xì)確定其對(duì)應(yīng)的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，逐步完成產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)。確定尺寸探測(cè)機(jī)器人尺寸≤3m3回收機(jī)器人尺寸≥15m3確定性能性能穩(wěn)定伺服電機(jī)+32

單片機(jī)+NUC迷你電腦續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)大容量鋰電池對(duì)環(huán)境友好鋁合金+碳纖維信號(hào)收發(fā)穩(wěn)定北斗+GPS平臺(tái)算法算法精良，魯棒性好人工智能+強(qiáng)化學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)收集精確行業(yè)先進(jìn)傳感器人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔操作界面按鍵數(shù)≤5說(shuō)明準(zhǔn)確說(shuō)明書頁(yè)數(shù)≤50產(chǎn)品設(shè)計(jì)準(zhǔn)備表海洋垃圾回收智能機(jī)器人系統(tǒng)2.3

典型案例

海洋垃圾回收系統(tǒng)的主要功能是檢測(cè)海洋垃圾分布情況并進(jìn)行回收路徑規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)垃圾回收。為了滿足這些主要功能，分別創(chuàng)建了不同的功能載體，明確了其載體特性。功能載體特征儲(chǔ)存能量電池容量≥20000mAh體積Vg=0.02m3控制運(yùn)動(dòng)伺服電機(jī)扭矩T≥10Nm功能載體特性海洋垃圾回收智能機(jī)器人系統(tǒng)2.3

典型案例

針對(duì)上述功能載體、形態(tài)矩陣和概念設(shè)計(jì)方案結(jié)果，完成海洋垃圾回收系統(tǒng)的樣圖繪制。該系統(tǒng)主要由檢測(cè)機(jī)器人和回收機(jī)器人組成。其中，檢測(cè)機(jī)器人由六個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制移動(dòng)，在機(jī)身上安裝有檢測(cè)裝置與信號(hào)裝置，主要負(fù)責(zé)檢測(cè)海洋中垃圾在不同深度的分布情況。海洋垃圾回收機(jī)器人布置圖與設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)圖海洋垃圾回收智能機(jī)器人系統(tǒng)2.3

典型案例

對(duì)于設(shè)計(jì)好的海洋垃圾回收系統(tǒng)，每個(gè)部件都經(jīng)過(guò)分模塊設(shè)計(jì)，并可用有序的組裝安排進(jìn)