基于可拓学的马铃薯收获机外观设计研究

2020-05-19吕云隆胡光忠伍健

设计 2020年9期

吕云隆胡光忠伍健

RESEARCH ON THE APPEARANCE DESIGN OF POTATO HARVESTER BASED ON EXTENSION THEORY

摘要：为改进马铃薯收获机的作业功能与外观，在对其外观进行重新设计的同时，重新布局功能区，提升作业流程的合理性。通过可拓学第三创造法建立物元模型，对现有马铃薯收获机的缺陷和痛点进行拓展分析和可拓变换，获取新的外观设计方案集，并通过优度评价法对其定量化优劣判定选出最优方案，再对优选方案进行深入设计。采用可拓学第三创造法对现有马铃薯收获机进行改进设计，能有效提升马铃薯收获机作业流程的合理性，改进后的收获机外观更符合现代审美的发展方向。设计案例验证了该方法的有效性和可行性。

关键词：马铃薯收获机外观设计可拓学第三创造法物元模型优度评价

中国分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2020） 05-0010-04

Abstract： In order to improve the operation function and appearance of the potatoharvester， while redesigning its appearance， the fUnCtlOnal area was re-arrangedto improve the rationality of the operation process The matter-element model isestablished through the third creation method of extension theory， and the defectsand pain points of the existing potato harvester are expanded and analyzed andextended transformations are obtained to obtain new innovative design schemesDetermine and select the optimal scheme， and then conduct in-depth design of theoptimal scheme Using the third creative method of extension theory to improve thedesign of the existing potato harvester can effectively improve the rationality of thepotato harvester operation process ， and the appearance of the improved harvester ismore in line with the development direction of modern aesthetics Design cases veritythe effectiveness and feasiloility of the method

Keywords： Potato harvester Appearance design The third creation method ofextension theory Matter-element model Superiority evaluation

引言

可拓学是一门跨领域，涉及范围广泛的学科，是用形式化的模型研究事物拓展的可能性和开拓创新的规律与方法，并用于分析和解决矛盾问题的学科。目前已广泛应用于人工智能、设计、计算机、管理等众多领域。蔡文[1]等研究了可拓方法在新产品构思中的应用，并提出了产品创新设计的三个创造法。赵燕伟[2]提出了基于可拓方法的概念设计理论，并将其应用于加工中心刀库方案概念设计中。胡飞[3]等以有轨电车的服务系统为例，提出基于可拓学建立的评价模型能够有效评价产品服务系统的用户体验。江帆[4]等通过对包装升降装置运动方案设计验证了可拓学优度评价的有效性。夏吉兵[5]等用可拓层次分析法对机床实例进行了数控机床可靠性評价研究。白仲航[6]等提出了基于可拓学对TRIZ标准解求解过程进行了改进，并以氧枪设计为例，利用标准解的可拓变换得到了多种创新解决方案。冯青[7]等基于优度理论对产品设计知识评价方法进行了研究。李文军[8]通过研究可拓学中的物元之间存在的相关关系，建立了改变这种关系的方法，并应用于灯饰产品的创新。目前来看创新的设计方法众多，大部分只是注重解决矛盾问题而缺少对创新方案生成的可行性研究，或者对创新设计的创新度难以定量评价，而可拓学创新设计方法的优势就在于可以有效解决这两个问题。可拓学虽然在农机机械结构中有所应用，张桃桃一，基于可拓设计对无人机水果采摘的机械结构进行了设计，但是在农机的整体创新性设计中却少有应用。刘崇林[10]等对马铃薯收获机具进行了研究，分析了各类型马铃薯收获机的优点与缺陷。刘剑君[11]等对国内外各种类型的马铃薯收获机进行了研究，并提出了马铃薯收获机械发展存在的问题。现有学者与专家对马铃薯收获机的研究更多的是进行收获机现状发展分析和发展方向的研究，少有对马铃薯收获机的外观设计进行研究与应用的案例，而采用基于可拓学的设计方法进行的马铃薯收获机外观设计研究更未有涉及。鉴于此，针对现有牵引式马铃薯收获机对配套机械的动力要求高，需要大马力拖拉机牵引运作，操作繁琐，作业流程不合理，外观简陋等问题，选取具有普遍代表意义的马铃薯收获机，运用可拓学第三创造法对其进行外观上的创新改进设计，使其缺点变为优点，对产品进行升级，以此案例介绍可拓学第三创造法在农机外观设计过程中的运用。

一、基于可拓学的设计研究方法

（一）可拓学第三创造法

可拓学经过多年的发展，在产品创新设计方法中提出了三个创造法[12]。其中，第三创造法是利用菱形思维形成的形式化创新设计方法，是基于对市场上现有产品缺点的分析，并进行可拓变换，形成新的产品创新设计方案，最后进行定量化优劣判定，选出较优方案的一种创新方法[13]。此方法的核心思想就是对现有产品的缺点进行分析和变换，使其缺点转化成优点。这种方法常用于改进产品，帮助产品进行重新升级，是一种发散与收敛相结合的方法。可拓学第三创造法的主要设计流程为：建立物元模型→缺点列举法→拓展分析→可拓变换→优度评价。经过优度评价后可得到最优方案，再对优选方案进行深入设计。

（二）物元模型建立

在第三创造法的物元模型建立中，首先是产品多元模型的建立，在可拓学中描述事物的逻辑单位称为有序三元组（N，C，V），简称物元。记某一现有产品为N，设基元为R，对其进行拓展分析并建立物元可拓模型：

上图是N维物元模型的形式表达，其中表示描述对象，C表示该对象的某个特征，V表示该对象某个特征的量值。如果对描述对象的某一特征进行分析，则用一维物元模型形式表达，记为：Ri=（N，Ci，Vi）。

（三）缺点列举法

在进行拓展分析时，运用缺点列举法，将现有产品的功能缺点，造型缺点，材料缺点，价值缺点等一一列举出来，然后改写物元模型，按照缺点的优先等级自上而下排序，并对应物元模型中相应的分物元。

（四）拓展分析

通过多种途径获得解决矛盾问题的方法，对基元进行拓展，即拓展分析法[14]。拓展分析法不能直接解决问题，通常使用发散分析，相关分析和可扩分析等拓展分析方法给问题提供多种解决途径，并经过分析和可拓变换得到解决方案。

（五）可拓变换

可拓变换是在对原物元进行拓展分析和缺点物元建模之后，根据分析的结果对原物元进行的相应的变换操作。主要包括主动变换（分解、复制、增删、扩缩、置换等）和传导变换等变换方法。在产品创新设计中，常用的是置换、增删、分解、扩缩等变换方法。

1.6优度评价

优度评价是利用关联函数定量化优劣判定创新设计方案的基本方法。经过上述过程会得到一系列不同的创新设计方案，然后确定衡量指标，通常以社会指标、经济指标、技术指标等衡量指标对其进行优度评价，从而选出最佳方案。

二、基于可拓学的马铃薯收获机外观设计分析评价

（一）马铃薯收获机

目前市面上所售的马铃薯收获机大致可分为分段式收获机和机械自动化联合收获机，分段式收获机体量小，但需多种设备来完成去秧、挖掘、去土、筛选等作业，适用于作业面积小的家庭。机械联合收获机则更适用于耕地面积较大的种植户，其作业效率高，省时省力，一次作业可以同时完成去秧、挖掘、分离、初选、输送和装箱等收获任务[15]。针对GRIMME（格立莫）品牌的这款马铃薯机械自动化联合收获机（图1）的缺点采用第三创造法进行重新升级设计。之所以选取这款收获机作为设计改进的对象，是因为此款马铃薯收获机在国内比较畅销，非常适合中小面积地块作业，深受马铃薯种植户的青睐。并且此款收获机也是马铃薯收获机中最为常见的一种，也是典型的拖拉机牵引式农机，具有一定的代表性。

（二）物元模型建立

对现有马铃薯联合收获机用多维物元模型进行形式化表达：

经过上述物元模型的形式化表达，可以对此款马铃薯收获机有一个较为清楚的认识，可直观地看到该型号收获机各个特征的具体量值，针对性地对各个特征进行相应的缺点分析和拓展分析。

（三）功能缺点列举

进一步分析的缺点并进行列举：

作业区域：后方区域作业，不利于驾驶员观察作业情况。

动能：牵引式农机机动灵活性差，没有发动机或仅有驱动工作部件的辅助发动机，仅适用于中小地块。

储存空间：没有储存空间，无法独自承担中小面积的马铃薯收获任务，较依赖载货机搭配作业。

车身结构：结构完全外露，视觉上缺乏安全感，从观感上会显得廉价。

对以上收获机的四个缺点进行分析，并對缺点进行优先级自上而下的排序，并使其对应分物元与其一一对应，改写的多维物元模型如下：

（四）拓展分析

对现有马铃薯收获机物元模型中的各个特征物元的量值进行拓展分析，拓展出更多的可能性，为新方案的形成提供更多选择。

R1=（N，C1，V1）={V1，前方，左侧，右侧，…}

R2=（N，C2，V2）={V2，半封装结构，全封装结构，…}

R3=（N，C3，V3）={V3，流水线储存仓，流水线储存仓+储料仓，…}

R4=（N，C4，V4）={V4，畜力驱动，机电动力驱动，动力自走式，…}

R5=（N，C5，V5）={V5，一体化设计，模块化设计，仿生设计，…}

R6=（N，C6，V6）={V6，红，绿，青，黄，…}

（五）可拓变换

可拓变换根据不同的物元模型可进行不同的变换，根据上述的拓展分析可知马铃薯联合收获机的缺点有不同的变换方向。因此在进行可拓变换时，可有不同方向的变换方案。设可拓变换的方法为：T={置换，增删，分解，扩缩…}={T1，T2，T3，T4…}。

置换：置换变换是指物元模型中对象、特征、量值中的一个或多个发生改变，此变换是产品创新设计中常用的变换方法之一。如手机是塑料后盖，升级后变为玻璃机身后盖。例：R1=（N，作业区域，后方）→置换→T1M1=（N，作业区域，前方）。

增删：增加变换是指如果存在一个物元Ri，同时Ri存在可加物元Ro。，并存在一种变换T2，并且使得T2Ri=Ri⊕Ro，即认为变换T2是物元Ri的增加变换，记做TRi⊕Ro，同理可得到删减变换。例：R6+（N，储存空间，流水线储存仓）→T2R6=（N，储存空间，流水线储存仓⊕储料仓）。

分解：分解变换是指如果存在一个物元Rj：Rj=（R1⊕R2…Rn），并且存在一种变换T3，并且使得T3Rj={R1，R2…，Rn}，即认为变换T3是物元Rj的分解变换。

扩缩：扩缩变换是指原物元物体性质大小的改变。存在一种变换T4，并使得T4R=aR，当a>l时，T4为R物元的扩大变换。同理当O

根据上述可拓变换方法并结合针对马铃薯收获机的拓展变换分析，可得到以下马铃薯联合收获机设计方案新组合：

方案：

R1=

方案二：

R2=

方案三：

R3=

（六）优度评价

优度评价的衡量指标一般从技术、经济、社会等指标来全面的衡量评价，确定评价衡量指标集：

MI=

根据相关农机的市场调研和资料分析，f（作业合理性）主要取决于作业区域，f∈{好（前方），较好（右侧），较好（左侧），后方（一般）}，c∈{好，一般}，p∈[50w，95w]，m（造型改进）主要取决于车身结构，作业区域，色彩和动能，mE∈{重大改进，较大改进，一般改进}。根据评价指标的优先级对MI1，MI2，MI3，MI4赋予权系数，根据调研和资料，可令MI1， MI2，MI3，MI4的权系数分别为α1=0.3，α2=0.2，α3=0.2，α4=0.3。衡量指标MI3的最优点在[a，b]区间的中点，即[50w，95W]的中点：

M=a+b/2=50+95/2=72.5w

其关联函数公式为：

K（x）=

其中上述关联度公式中x表示方案中的价格指标，a，b表示价格指标最优因间的最低和最高值。计算出改进方案关于MI3价格的关联函数分别为：K（65） =0.667，K（72） =0.978，K（78） =0.756。

由于作業合理性和造型改进等其他衡量指标本身只给了抽象形容的判定，因此需要对方案中的其他衡量指标进行量化，可令：

Kf=，Kc=，Km=

即关联度矩阵为：

K（Rl）=（K1（MI1），K1（MI2），K1（MI3），K1（MI4））

K（R1）=（1，0，0.667，2）

K（R2）= （K2（MI1），K2（MI2），K2（MI3），K2（MI4））即：K（R2）=（1，0，0.978，1）

K（R3）= （K3（MI1），K3（MI2），K3（MI3），K3（MI4））

K（R3）=（2，1，0.756，2）

将上述关联函数可计算规范化关联度，公式：

Kij=

其中Kij表示第i个方案的第j个衡量指标，n表示方案的总数量，MIj表示第j个衡量指标的具体量值，q表示各方案中同一衡量指标的最大值方案。即计算出规范关联度为：

K（R1）= （0.5，0，0.682，1）

K（R2）=（0.5，0，1，0.5）

K（R3）=（1，1，0.773，1）

得到规范化关联度后可利用关联度加权求和的方式计算优度，公式为：

C（Ri）=

其中C表示方案优度，α表示衡量指标的权系数，Kij表示第i个方案的第j个衡量指标。计算三个方案的优度为：

C（R1）=0.3×0.5+0.2×0+0.2×0.682+0.3×1=0.586

C（R2）=0.3×0.5+0.2×0+0.2×1+0.3×0.5=0.5

C（R3）=0.3×1+0.2×1+0.2×0.773+0.3×1=0.955

根据计算结呆可知方案的优度排序为：C（R3）>C（R1）>C（R2），可知方案三为最佳方案。

（七）设计方案展示

根据评优结果，对优选的方案R3进行深入设计，图2为整体外观设计效果，表1为重要改进部位。

按照最佳方案的要求，整个机身为全封装结构，看起来稳固可靠，机械美感突出。配色采用绿色和黑色，视觉上十分抢眼，有种猎豹的动感美。动能上机电动力驱动替换了拖拉机牵引驱动，提升了农机的机动灵活性。储存空间上加上了储料仓，可以独自承担中小面积的收获任务，降低了对载货车搭配使用的依赖性。作业区域由后方调整到了前方，有利于驾驶员观察作业情况，使整个收获作业流程更为合理。图3为马铃薯收获机各功能部件。

结论

通过运用可拓学第三创造法对现有马铃薯收获机的缺点进行分析，采用缺点例举法找出缺陷，进行拓展分析和可拓变换后得到马铃薯收获机的改进设计方案集，使用优度评价方法把抽象的衡量指标进行量化，并通过规范化关联度和权重系数合成计算关联度进行评优，对优选方案进行深入设计。可拓学第三创造法的适用性很强，该方法能为农业机械的外观设计改进提供一种行之有效的创新思路，以本文马铃薯收获机外观设计为例，根据不同产品的缺点进行不同的思维发散与收敛，并进行相应的可拓变换，使其缺点变为优点，获得新的设计方案集，再通过确定衡量指标，以子指标的形式对衡量指标进行划分，针对性地进行特征优度评价，定性分析与定量分析相结合，可以直观清晰地看到以数据形式呈现的方案评价结果，具有很强的应用空间和发展潜力。文中最后所呈现的马铃薯收获机外观设计效果尚处于概念化阶段，后期还需要进行适用性验证、工程化验证等诸多工作。

基金项目：过程装备与控制工程四川省高校重点实验室开放基金项目（GK201803）;四川轻化工大学研究生创新基金项目（Y2018082）。

参考文献

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[2]赵燕伟.机械产品可拓概念设计研究[J].中国工程科学，2001.3 （5）：67-71.

[3]胡飞，周坤，麦永治.面向产品服务系统的用户体验可拓评价方法研究[J].机械设计，2018.35（2）：109-114.

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[5]夏吉兵，汪永超，赵建平.基于可拓学理论的数控机床可靠性评价研究[J].组合机床與自动化加工技术，2015（3）：157-160.

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