基于参数化思维的个性化定制产品设计研究

吴瑜 郑其羽 李庆楠

摘要：针对日益增长的个性化定制需求对产品设计提出的挑战，探索将参数化思维应用于个性化定制产品设计的流程和方法。首先，分析了传统设计与参数化设计的特点，调研了个性化定制产品设计的需求，分析了将参数化思维应用与产品个性化定制设计的可行性，其次，提出了将参数化思维应用于个性化定制产品设计的流程和方法。最后，以个性化定制方向盘设计为例，应用得到的设计流程和方法进行方案设计。用户对最终设计方案反馈良好。提出个性化定制产品设计流程与方法得到了较好验证。将参数化思维应用于个性化定制产品设计能够较好地弥补传统设计流程和方法的缺陷，所提出的设计方法可以为将参数化思维应用于个性化定制产品设计提供一定的指导依据。

关键词：参数化设计 参数化思维 个性化定制 方向盘设计 产品设计

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2023）21-0119-04

Abstract：In view of the challenges posed by the increasing demand for personalized product design，explore the process and method of applying parametric thinking to personalized product design. Firstly，the characteristics of traditional design and parametric design are analyzed，the needs of personalized customized product design are investigated，the feasibility of applying parametric thinking and product personalized design is analyzed，and secondly，the process and method of applying parametric thinking to personalized customized product design are proposed. Finally，taking the personalized steering wheel design as an example，the obtained design process and method are applied to the scheme design.User feedback on the final design is good. The design process and method of personalized customized products were well verified. The application of parametric thinking to personalized customized product design can better make up for the shortcomings of traditional design processes and methods，and the proposed design method can provide a certain guiding basis for applying parametric thinking to personalized customized product design.

Keywords：Parametric design Parametric thinking Personalized customization Steering wheel design Product design

引言

隨着体验经济时代的到来，用户对待产品的需求不再仅仅停留在功能的改良优化层面[1]，产品的多样化、定制化需求应运而生。定制化产品要求针对不同用户提供不同的参数、尺寸、外观、甚至功能，这对传统的设计模式提出了新的挑战。参数化设计的发展使原来不可能实现的复杂结构与形式得以呈现，为个性化定制产品设计提供了新的思路和可能性。[2，3]个性化定制涉及到大量的个性化数据，参数化的思维正适合对其进行管理和应用。而现阶段个性化定制和参数化思维模式之间的对应关系尚不明确，应用方法与流程尚不完善。因此，本研究旨在总结和归纳出一套将参数化思维应用于个性化产品定制的设计流程和方法，为设计和生产提供参考。

一、参数化设计概述

（一）参数化设计概念

参数化设计在实际的应用分为两种，一种是应用参数化工具替代传统计算机辅助设计工具，使产品外观具有参数化形态；另一种是运用参数化的思维，将参数化的理念应用于整个设计流程之中。一般情况下，参数化设计指代一种设计思维方式，而不是运用某种软件或者某种建模技术[4]。

参数化思维把参数化应用于设计的全过程，指导设计师以参数化的思维处理设计问题，挖掘设计的多种可能性。设计师通过将个人思维进行梳理，再对设计相关数据进行参数化处理并建立起联系，使设计师在设计全过程中将重心放在产品的整体逻辑构建和创新推理上 [5]。应用参数化思维的设计流程是将设计的步骤转化为可视的、“可编程的”逻辑单元，并建立起关联和约束，设计流程中的每一步应该是基于参数、环环相扣的。

（二）参数化设计特点

1.数据驱动的设计方式

传统的产品设计流程中，推动设计进行的一般为设计师的主观判断，因此，设计的风格和质量容易受到设计师的主观审美，设计经验等因素的影响。参数化设计一般是由数据（参数）驱动的，设计全程以重要参数为基，将需求转化为逻辑单元，并构建参数化模型。基于参数化思维的设计更多关注问题和需求本身，受到设计师的主观判断和经验的影响较小。

2.非线性的设计流程

传统的设计流程一般是线性的，其中根据不同的需求，在不同阶段会进行方案的评审，若评审未达标则需返回上一步甚至推倒重来，是一种自上而下的设计流程[6]。参数化设计的设计流程是非线性的，往往在设计初期就完成了设计主体的构建和推敲。由于参数化设计将不同的需求转化为参数化逻辑单元，而不同的模块之间具有相互关联或约束的逻辑关系。因此在后期修改时，只需要修改对应的位置，整体就会自适应地进行变化，大大提升了设计的效率和容错率[7]。

3.合乎逻辑的设计形态

设计的形态一般由客观需求推导而出，但在传统设计中，设计形态不可避免地受到设计师主观审美的影响。参数化设计的产品形态往往更加聚焦与产品功能和需求本身，参数化设计具备强大工具可以完成如拓扑优化、随机采样、仿真模拟、多目标优化等靠设计师人力难以完成的工作，因此，参数化设计的形态往往呈现出数理逻辑性、富有律动感、非线性等特点。

二、参数化思维应用于个性化定制产品设计的可行性研究

（一）个性化定制产品需求调研

由于参数化设计数据驱动的特性，因此，本文主要选取个性定制产品中需要与人体进行接触的，可以提取并利用到人体相关参数，造型本身具备功能性的个性定制化产品进行研究。

笔者选取了7位有意向购买或正在使用个性化定制产品的用户进行深度访谈，通过设置问答环节，半结构式访谈环节，收集并整理归纳得到了个性化定制用户对个性化定制产品的需求和期望，结果见表1。

（二）产品的个性化定制需求

1.个性化尺寸需求

得益于人机工学的发展，目前绝大多数的产品的尺寸设计都可以覆盖全人群的人体数据，让大部分人都可以进行使用。但是覆盖性广的前提是牺牲了舒适性和针对性，特别是对于对人体部位具有支撑作用的产品来说，由于不同个体的人体尺寸参数不一样，因此应用了人机工学的尺寸设计有时反而会让产品原本的功能弱化甚至失效。

2.产品的个性化功能结构需求

除了更加个性化的尺寸和造型需求，个性化定制产品的功能性、舒适性往往还与个体用户的使用习惯息息相关。目前，市面上有许多应用了人机工学的，用于规范或引导用户建立更加正确的使用习惯，但由于个体用户本身的使用习惯和身体尺寸参数差异，设定好的产品形态规范和引导方式往往难以起到应有的效果。

3.产品的快速修改和调整需求

对于个性化定制产品来说，同一概念的产品进行适应性、针对性的调整和修改较为困难，修改尺寸和造型意味着模型需重新构建。因此需要一种能够在设计后期通过修改相关参数，即可完成相应设计更改的方法。

（三）参数化思维应用于产品个性化定制设计的可行性分析

明确了目前的个性化定制需求后，可以发现参数化设计的思维方式和设计手段，都可以较好地满足产品个性化定制设计的需求。针对个性化尺寸需求，可以通过采集人体相关数据的方式并应用与后续设计的方式满足；针对产品的个性化功能结构需求，参数化设计手段可以通过不同的算法，对原型的结构，形态进行修改以满足设计需求；针对产品的快速修改和调整需求，由于参数化思维要求设计初期构建逻辑关联模型，因此，在后期调整和修改上，只需要修改部分脚本或参数，即可快速生成相应的模型，满足其需求。综上所述，将参数化思维应用于产品个性化定制设计可以较好的满足其设计需求，具有较大的可行性。

三、基于参数化思维的个性化定制产品设计流程与方法

（一）基于参数化思维的个性化定制产品的设计流程

对于基于参数化思维的个性化定制產品来说，需要大量的个体参数参与到整个设计流程之中，因此区别于传统的设计和一般的参数化设计流程，应用参数化思维的个性化定制设计流程需要合理地对参数进行部署和规划，因此将设计流程按照参数为线索，分为3个阶段：参数的选定、参数的采集和转化、参数的应用3个部分。基于参数化思维的个性化定制产品的设计流程如图1。

1.参数的选定阶段

本阶段的首要目的是确定后续设计中所需参数的种类和性质，为此首先需要对个性化定之前的产品特征进行提取和确定，以对产品本身有一个明确的认知，确定产品基本的功能、结构、造型。其次需要采集个体用户的需求，以明确个性化的设计方向。结合以上内容，确定关键的设计指标。并以合理的方式构建逻辑关联模型，将产品特征、用户需求和关键指标等要素进行关联。在完成模型的构建后，即可得到目前缺失的，需要采集的参数，为下一阶段的采集与转化提供方向。

2.参数的采集与转化阶段

本阶段主要对个体差异化参数进行采集和转化，首先需要判断缺失的参数是否有相关的参数可以进行替代或补充。确定需要采集后，首先要明确采集方式，并进行采集。采集后的数据往往无法直接进行应用，因此需要采取合理的方式对数据进行转化。最终得到可以输入到模型中的参数形式，供后续使用。

3.参数的运用阶段

本阶段需要应用参数产出设计结果。首先将参数带入到前期构建的模型中，即可获得设计方案，通过一定的方式进行评估后，判断是否满足用户需求和设计需求，若不满足，则返回逻辑模型构建阶段，对逻辑模型进行微调。调整后，再次判断是否需要采集新的数据，若不需要可直接将原有数据带入到模型中，并对得到的设计方案再次评估，直到满足设计需求。

（二）基于参数化思维的个性化定制产品的设计方法

目前，关于参数化思维应用于个性化定制设计的方法目前研究尚不完善，本文主要针对其设计实施阶段的逻辑关联模型构建、个体差异化参数的采集和转化两个阶段提出可供参考的设计方法。

1.个性化定制产品逻辑关联模型构建方法

由于个性化定制产品造型本身具备功能性的特性，因此产品造型和功能往往随着个体尺寸的变化而变化，这样的变化在整体上符合个体人体对应部位的形态和尺寸，在局部上变化和个体用户的使用习惯、息息相关。体现在设计中，基于参数化思维，可以将绝大部分该品类的个性定制化产品分解为形态变化层、功能结构层两个部分。

形态变化层：由于个体之间人体参数的差异，个性化定制产品在形态上应进行相应的变化以适应用户的各项身体参数。因此，首先构建逻辑模型，逻辑模型没有确定的形态，输入不同的参数都可以生成不同的形态。

功能结构层：对于个性化定制产品而言，个人的使用习惯会对产品的功能和结构提出差异化的要求。在个性化形态确定的情况下，可以通过改变产品的局部结构来适应不同个体的使用习惯。为了实现产品局部功能和结构性能的调整，首先需要将产品进行UV细分，将产品划分成数量众多的晶格结构，并设计一系列性能不同的晶格单元用于后续的填充。

在对产品进行以上两个层级的转化后，即可在相关软件中以较为清晰的思路构建产品的形态与功能的逻辑模块。并通过适当的方式完成不同逻辑模块的关联和约束，完成产品逻辑关联模型的构建。

2.个体差异化参数的采集与转化方法

（1）形态变化层参数采集和转化方法

在参数采集的过程中，由于人体结构的复杂性、不同状态下的差异性等因素，从而对个体参数的采集提出了较大的挑战。而随着逆向工程技术的发展，目前可以利用nerfstudio快速、准确、便捷地扫描三维实体，并提供较高质量的点云和mesh面重建模型，为个体相关部位参数的采集提供了一个较好的解决方案。

在进行采集时，设计师首先需要准备好用于采集数据的产品原型，并设定好用户采集的状态等变量，这是由于人体在不同的状态下，所呈现的身体形态、肌肉状态等都呈现出不同的倾向。如以放松的状态依靠产品或以标准的坐姿依靠产品，两种形态下就会采集到完全不同的参数。在布置完成后，即可对个体对应的部位进行扫描，通过一定的数据预处理，即可得到所需的点云或三角面模型。得到的模型由于计算机算力限制往往会有部分噪点，在通过部分三角面优化软件如meshlab等工具的处理之后，就可以得到可用于参数化设计的人体部位模型。随后可基于模型完成产品原型造型的修改和调整。

（2）功能結构层参数采集和转化方法

功能结构层参数的采集和转化，其实就是对于个体用户使用习惯的采集和转化，对于不同的产品来说，由于使用方式的不同，对应的使用习惯数据采集方式也会有较大的差异。对使用习惯参数进行采集，首先需要定义所需采集的内容以及采集规则。在定义采集所需参数时，需要根据产品的功能以及使用方式进行针对性的研究。如腰枕类的产品所需提取的就是用户在一定规则下对腰枕施加的压力分布、腰部姿态等；持握类产品就需要根据设计需求采集用户持握产品时手部姿势、压力分布数据等。在定义采集规则时，需要规定用户以一定的状态完成一定的动作，这是由于习惯不是一个形态或动作可以描述的，因此需要记录一段时间内用户的行为和触点的数据，并将其整理成为热点图、压力分布图[8，9]等可应用于后续设计的参数形式。

四、设计实践

汽车是人们出行的重要代步工具之一，方向盘作为驾驶员在汽车驾驶过程中接触时间最长、使用频率最高的部件，其设计的好坏直接影响驾驶员的驾驶舒适度、操作便捷性以及驾驶安全性。随着体验经济时代的到来，用户对待产品的需求不再仅仅停留在功能的改良优化层面，方向盘的设计被寄予更多个性化期待。因此，本研究以方向盘为设计对象，应用上述个性化定制产品设计流程，展开设计实践。

（一）参数的选定阶段

1.个性化定制方向盘的功能与需求分析

在设计初期阶段，首先对用户痛点进行了采集，主要可以涵盖为以下几点：（1）由于长时间握持方向盘导致的手部出汗，一方面会影响驾驶员的驾驶体验，同时会形成一定的安全隐患。（2）在夏季或冬季，方向盘表面温度会因为太阳的照射或季节温度变得非常极端，影响驾驶员的正常持握。（3）方向盘的尺寸和直径设计可供绝大部分人使用，但对于个体来说并不是最合适和舒适的，个性化定制用户更希望得到绝佳的持握体验。可以总结得到用户希望定制化方向盘在能够提升手部握持舒适度的基础上，解决目前方向盘散热性差的问题。

将痛点进行转化后，可以得到几个关键参数指标：（1）针对手部出汗，方向盘表面温度的指标：透气（散热）性。（2）为方向盘稳定使用提供保障的基础性能：支撑性。（3）方向盘与用户的贴合程度，持握手感等的综合指标：舒适性。

2.个性化定制方向盘的逻辑关联模型构建

在进行方向盘的逻辑关联模型构建时，考虑到对于不同的个体来说，方向盘轮缘不同位置的使用时间，使用意图各不相同，因此轮缘的不同位置需要具备对应的功能、结构性。因此关联模型的构建采用uv网格细分的方式，并通过将不同性能的晶格结构填充至uv网格内的形式，完成方向盘不同位置的个性化性能需求。在模型中，输入源为形态变化层以及晶格结构，可变参数为uv细分疏密、晶格结构的杆件粗细和结果精确度。逻辑模型见图2。

在完成逻辑关联模型的构建后，即可得到需要采集的相关参数为：个体手部模型参数、个体使用习惯参数。

（二）参数的采集与转化阶段

1.方向盘个体形态参数采集与形态变化层模型构建

为了构建最符合个体用户的定制方向盘尺寸和形态，首先要对用户的个体尺寸进行采集，这里采用三维扫描重建的方式捕获用户手部模型，并在此基础上，对方向盘轮缘的直径，方向盘的局部形态进行变化。由于用户双手不同的持握习惯，因此方向盘模型最终呈现非对称的样式。手部扫描图和形态变化层模型如图3。

2.方向盘个体使用习惯参数采集和转化

对于用户习惯参数的采集，笔者首先记录了用户在实验目标的情况下驾驶时使用方向盘的情况，之后，要求用户在不同状态下完成驾驶目标，并记录用户使 用方向盘的情况。将视频数据整理转化后，可以将方向盘功能结构层分为3个功能区：转向区、握持区和支撑区。对于此用户来说，转向区只有在进行转向时会触及，触及时需要施加适量的压力，因此性能上要求透气性和舒适性尚可，支撑性良好。持握区是用户在方向盘上停留较久的区域，要求舒适性、透气性较强，支撑性尚可。支撑区是支撑方向盘和增加方向盘配重等功能的区域，用户一般不会触及，对透气性和舒适性没有特定的要求，要求支撑性较强。功能分区如图4。

（三）方案设计和评估阶段

在完成个体数据的采集后，就可以根据转化得到的性能需求，进行晶格结构的筛选，筛选出性能合适的若干晶格结构后，将其填充至对应区域中即可完成方案设计，产出了一系列初始方案。在完成设计方案后，进行了模拟验证，手部模型与方向盘模型贴合度加好，性能符合设计预期。3D打印局部模型后，用户使用反馈持握区域的舒适性有待提高，因此，重新返回逻辑模型设计阶段，修改了单元模块的设计，判断不需要进行进一步的參数采集。重新填充并打印后，用户对设计较为满意，部分初始方案和最终方案如图5。该结果表明，本研究提出的基于参数化思维的个性化定制产品设计流程和方法能够较好地满足个性化定制产品设计的需求，并在调整和修改方面具有较大优势。

结论

在经济水平不断提高的背景下，人们越来越多地开始关注产品使用体验，个性化产品定制需求亟待解决，而传统设计方法和思维难以有效地应用到个性化定制产品之中，本文结合参数化思维，为个性化定制产品设计整理出了一套具有一定泛用性的设计流程和方法，并在乘用车方向盘上进行了设计实践，验证了流程和方法的可行性，为个性化定制产品的设计研究提供了新的思路。

基金项目：湖北省引进外国人才和智力项目（2022EJD033）；武汉理工大学优秀青年团队（2023IVB084）

参考文献

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