基于Kano-FAST-E的鞋面压合机优化设计

周红宇，张林涵，刘津圻，姜雯馨，薛爽

【设计研讨】

基于Kano-FAST-E的鞋面压合机优化设计

周红宇，张林涵，刘津圻，姜雯馨，薛爽

（湖北工业大学 工业设计学院，武汉 430068）

降低鞋面压合机设备作业过程中的失误率、优化人机交互体验。基于Kano模型调研分析作业人员与企业经理对当前设备的使用感受及需求；利用FAST理论重新定义设备的功能区域并指导设计展开；基于人机工程学理论（E），对设计方案的功能布局和结构尺寸进行优化，提升人机操作效率；利用眼动试验对改进前后的功能布局进行对比分析验证，并借助李克特量表对设计方案进行用户满意度评价。完成鞋面压合机的优化设计实践，提升了设备的人机性能和用户满意度，有效提高了作业人员认读效率、减少视觉疲劳和错误操作。改进后的鞋面压合机赋予了工人更加安全、高效且人性化的操作模式，验证了Kano-FAST-E的设计策略对该设备的人机优化设计具有指导意义，也为同类设备的开发实践提供参考。

鞋面压合机；Kano模型；FAST理论；人机工程；眼动试验

压合机（又称压力机、油压机）是一种用途广泛、生产效率高、利用加热压合的方式将材料加工贴合的设备。本研究中所描述的压合机设备为制鞋工厂中用于加工鞋面的鞋面压合机。压合机工作频率快，操作单一，作业人员重复地进行上料、下料工作，易导致疲劳、肢体劳损，从而增加事故风险导致意外伤害，使部分工人丧失工作能力[1]。在压合机产品设计初期，因缺乏对员工作业时的安全考量和人性化考量，导致工人满意度较低等问题[2]。同时，在设备使用和维护过程中，不恰当的操作、忽视操作细节会影响工作效率[3]。因此，需要通过对压合机进行优化与改进设计，为作业人员提供更安全舒适的操作条件、提高操作效率。在压合机的优化研究方面，张宇宝[4]改进了压力机液压过载装置的机械结构，解决压力机过载现象；张传锦等[5]为缩短机器故障处理时间、提高生产效率提出了一种压力机故障自诊断方法；谢峰等[6]对C型压力机的机身结构进行分析，获得重量最轻的压力机机身结构。从上述文献中可知，国内对压合机的优化研究更多地注重机身结构、故障诊断等，缺乏对用户需求的挖掘和重视，对技术人员操作安全性、便捷性和人机关系尺度等问题的研究比较欠缺。在鞋面压合机产品的设计实践过程中既需要重视用户需求，也需要考量产品设计的可行性，因此本研究从工业设计角度出发，将用户期望因素和环境设计约束转化成具体设计要素，融合Kano模型与FAST理论进行用户需求分析提取及设计需求求解，同时为充分考虑设计优化的可行性，引入人机工程学理论（Ergonomics）对设计方案进行尺寸修正后得到设计方案并验证，最终完成鞋面压合机的优化设计。

1 Kano-FAST-E方法综述与流程构建

在设计研究中，Kano模型是可以通过定性、定量的方式为用户需求进行分类和排序[7]。FAST理论通过逻辑结构关系图将总功能需求逐层分解，有效实现设计目标[8]。人机工程学以人的生理、心理特性为依据，研究人、产品、环境之间的相互作用，使人机操作简便省力、安全、舒适，达到最佳状态。周祺等[9]提出了构建基于模糊Kano与情景FBS模型的创新设计方法，旨在解决情景化玩具创新性不足的问题；刘付勤等[10]提出了通过KJ-Kano-FAST设计方法来提高概念设计的完整性和准确性；刘小雯等[11]采用FAST理论和试验法研究自闭症儿童的基本骑行能力和行为特征；刘李明等[12]基于人机交互原理进行蚕蛹分拣机设计，在提高人机工效的同时，确保分拣员操作的安全性、舒适性。

由上述文献可知，现有研究在应用Kano、FAST进行产品优化创新设计时，未能有效验证设计要素的可行性、有效性及人机关系，不能真正覆盖设计的全流程。针对上述缺陷，本研究将人机工程学理论融入Kano-FAST模型中，通过对关键用户进行调研获取目标用户需求，利用Kano模型对关键需求统筹排序；建立黑箱模型，将模糊的用户需求转化为具体的产品功能描述，并构建完整的产品功能体系，输出产品结构功能划分图；引入人机工程学原理优化各部件的布局及尺寸，提高人机操作效率，输出完整的设计方案。完成设计后对功能区域进行眼动试验对比验证与用户满意度评价。将三种方法结合使用指导产品设计方案产出，从而提升设计过程的可行性与科学性，鞋面压合机设计流程架构见图1。

2 鞋面压合机设计实例

2.1 鞋面压合机结构分析

鞋面压合机初始样机如图2所示，样机为某制鞋企业鞋面加工生产线中的液压式压合设备。该样机在高温高压条件下工作，对材料加热、加压，使其胶合成型，主要由机械系统、动力系统及控制系统组成，可以细分为液压缸、立柱、数控面板、油箱、高压泵、内置液压站等结构。

2.2 基于Kano模型的压合机关键需求获取

2.2.1 用户需求要素划分

Kano模型通过获取用户满意度对需求进行排序[13]。为获取用户需求集合，对压合机现状进行相关文献研究、市场调研，总结分析后对某企业实际及企业经理进行现场访谈。以“使用设备过程中影响操作感受与工作效率的因素有哪些”为中心，对作业人员进行访谈并记录。以“考量设备的市场竞争力”为中心，对企业经理进行访谈并记录。整理分析两类人员的问题描述，得到用户需求描述集合如表1所示。

将现场访谈获取的需求描述1-8利用KJ法进行整理和扩展，把原始的描述性语言转化为功能性语言后得出若干具体需求，将需求分类归纳为功能要素1、安全性要素2、美学要素3，作为鞋面压合机的一级用户需求。4～18为二级用户需求。构建的鞋面压合机用户需求指标体系见图3。

表1 用户需求描述集合

Tab.1 Collection of user need description

图3 用户需求指标体系

2.2.2 基于Kano模型的用户需求权重分析

Kano模型通过二维非线性方法识别用户需求所属的类别[14]，本次问卷调研工作在该企业内部完成，问卷发放数量根据现场走访的不同岗位人数而定。调研对象分别为该企业设备作业人员28名，企业经理及领导7名，技术工程师4名，相关产品专家4名，相关专业学生8名，共计51人。为检验问卷的合理性，结合相关论文与专家意见来拟定问卷。结合问卷结果与Kano评估表对用户需求的属性进行分析，对每项需求的Kano属性进行区分。

为确定需求要素的属性和权重，运用Better- Worse系数分析法[15]，通过式（1）～（2）确定用户满意度提升率T、满意度下降率P，通过式（3）确定用户需求要素的初始权重ω。

将每项需求要素获得的、、、评价个数分别记为、、、。

计算第个需求要素对于用户满意度的上升率i：

计算第个需求要素对于用户满意度的下降率P：

计算第个需求要素的影响力权重ω：

由于无差异性需求（）、反向型需求（）对提升用户满意度无法产生影响，本文将主要从魅力型需求（）、期望型需求（）及必备型需求（）进行计算。将需求进行汇集并按照需求影响力顺序排列，各需求优先级排序见表2。

2.3 基于FAST理论的系统功能建立

FSAT理论是一种自顶向下的功能分析系统技术方法[16]。在确定用户需求要素后，先按照输入—运行—输出的模式将需求项转化为功能项，进行分解与拓展后按照优先级排序并建立产品功能树，最终得到完整的层级逻辑关系。

黑箱原理将设备运行的条件分为能量、物质、信息三个方面，并将关键需求高度抽象概括为设备运行时所需的技术问题，为鞋面压合机创建一个输入与输出类型的模型。鞋面压合机的运行需要电、手、结构部件、工件等要素进行相互传递和转换。机器运行所需的能量转换即电能转换为动能；物质转换即作业人员、结构零件、工件等要素转换为加工完成后的材料；信息转换即调研得到的问题通过模型转换为所期望的功能。将Kano模型得到的用户需求代入，通过黑箱模型转化得出用户所期望的功能和技术，如防止工人受伤的需求通过模型转化为安全监测功能，见图4。

表2 Kano需求属性分析及影响力结果

Tab.2 Kano need attribute analysis and impact results

图4 鞋面压合机黑箱模型

根据黑箱模型得到的产品功能和技术需求展开功能分析。从需求目的出发，由左向右延伸确定下一级子功能，直至确定最终手段。通过表3的需求影响力来排序，根据重要程度对黑箱模型输出的各功能技术进行排序、延展与划分。

首先明确鞋面压合机产品的总需求，通过子功能来实现上一级需求，如实现作业人员安全防护为总需求，对作业人员动作进行监测是实现总需求的手段，设置防夹预警是实现作业人员检测这一需求的手段，建立红外线对射系统又是实现防夹预警这一需求的手段，从左向右逐级分解，子功能为上一级的手段，上一级是子功能的目的，从上至下重要性递减，见图5。

2.4 结构布局设计考量

根据鞋面压合机FAST功能树，从人-机-环境的角度作为切入点展开优化设计，从而得到设备结构功能划分图（见图6）。

1）安全考量：为提高工作人员安全意识，根据人眼视觉习惯增加警示面板区域；为防止作业人员上下料时手部受伤，工作台面增加红外线对射系统；在设备下方增加维修窗口，方便检查维修。

2）提升人机操作效率：为提高工人识别效率，将杂乱的操作区域细化。按照人眼的阅读逻辑和使用频率分别设立学习面板、功能区域、数显预设面板等功能分区，将学习与警示面板设于左侧，功能区域与数显面板设于右侧；数显预设功能使用频率较低，将该功能设计为半回收模块，回收后整体操作面板更清晰，减少误触率。

图5 鞋面压合机功能树

图6 结构区域对比图

表3 初始样机尺寸

Tab.3 Dimension of the initial prototype

3）保证人机交互的舒适性：散热区域较高的温度会烫伤皮肤，将样机大面积的散热区域改为底部散热及背部散热，同时可以保证多组联排使用时设备能够正常散热。

2.5 鞋面压合机的人机设计优化

人机工程学根据人体结构和技能特点统一考虑工作效率、安全、舒适等要素，以提升产品用户体验，使整个系统效率达到最优[17]。根据人机工程学理论，在压合机优化设计时，应符合人体生理尺寸限制、人体感知与信息处理、人的心理与行为特征、人机的信息界面设计、作业岗位与空间设计等要求，使方案更符合人的视觉、行为逻辑，为工人提供安全舒适的作业环境[18]。经测量，初始样机设备关键尺寸数值参考如表3所示。现场调研发现，作业方式以坐姿为主，作业人员的动作主要有设置温度及压力数值、放置工件、启动设备、取出工件。

参考颜声远编著的《人机工程与产品设计》，本研究选用P50百分位男性和女性的身体数据作为产品尺寸设计的依据[19]。为了还原作业人员放松状态下的姿势，需要依情况增加衣裤修正量6 mm、增加或减去姿势修正量44 mm。

对于数显操作区域高度设置，取P50男女坐姿眼高平均数1 211 mm、1 121 mm分别增加衣裤修正量减去姿势修正量，即1 083～1 173 mm为参考尺寸范围。经测量数显操作区域的高度不符合要求范围。数显操作区域及加工区域的深度取P50女性上肢前伸长平均数764 mm以内即可，经测量其尺寸在合理范围内。

对于操作台功能键高度设置，取P50男女坐姿肘高平均数633 mm、676 mm分别增加衣裤修正量减去姿势修正量，增加小臂围65 mm，即参考尺寸区间为660～703 mm，经测量操作台功能键高度不符合最佳高度。操作台功能键需双手操作，以P50男女性坐姿两肘间宽平均数为参考，增加衣裤修正量与姿势修正量，即454～472 mm为长度范围。经测量操作台功能键符合最佳长度。为避免胸腹及肘部误触功能按键，操作面与水平夹角不超过15°[20]。经测量操作台与水平夹角为47°，不符合最佳角度。此外，各功能键尺寸不能小于P50男女食指近位指关节宽平均数17～19 mm。

为防止作业人员腿部皮肤被热风烫伤，确保腿部有足够的活动空间，将旧设备大面积正面散热改为底部及背部散热。散热孔的深度取P50男性坐姿臀膝距平均数554 mm，增加衣裤修正量和姿势修正量，增加活动空间及防烫空间50 mm，即最佳尺寸为566 mm。经测量散热孔深度不符合最佳标准。

结合人体生理尺寸、人体视觉特征和行为特征、作业岗位空间等要求，改进后的鞋面压合机尺寸见表4。改进前后的鞋面压合机尺寸对比见图7。

表4 鞋面压合机优化后尺寸

Tab.4 Dimension of upper pressing machine after optimization

图7 鞋面压合机尺寸对比（单位/mm）

2.6 鞋面压合机设计方案

从用户需求出发，通过Kano、FAST集成方法，获取关键需求、调整设备初始结构布局。以人机工程学理论为基础优化人机尺寸、提升交互体验。综上所述，鞋面压合机设计人机优化细则如表5所示。

根据前期用户需求分析、功能系统分析得出的结构区域划分结果和人机标准约束，对鞋面压合机设备进行设计方案输出，优化设计方案见图8。

表5 鞋面压合机人机优化细则

图8 鞋面压合机设计方案

3 设计验证

3.1 眼动试验

相关研究发现，人的心理认知情况可通过分析眼动数据来研究[21]。通过记录被试者的各项眼动指标来探究其认知流程、心理活动和操作习惯。该技术现已应用在产品可用性测试、网页测试、动态分析、人机交互等多个领域[22]。

3.1.1 试验准备与过程

试验目的是测试设计方案的功能布局是否能够提升信息识别效率、减轻认知负荷。试验以鞋面压合机功能区域为设计对象，分别模拟正常工作状态下、紧急情况状态下的各项眼动指标。

试验设备为tobii pro x3-120屏幕式眼动仪。试验样本为某制鞋企业现有样机正视图（样本1）、改进后的设计方案正视图（样本2），数显面板打开时的正视图（样本3）。因设备尺寸较大，将数显功能区域作为试验重点，在显示器中等比放大数显区域图片。试验对象选取相关专业研究生与制鞋企业流水线员工共10名，男女比例1∶1。其中6名为研究生，4名为作业人员。试验获得8组有效数据，2组数据因记录不全为无效数据。参与试验的所有人员惯用手均为右手，且视力正常。

1）试验开始前，试验人员向被试者简单介绍该设备的工作流程。

2）被试者保持坐姿并与显示屏平视，进行眼动仪校准。

3）开始试验1，模拟正常工作状态，被试者观察样本1、2各30 min并记录数据。

4）开始试验2，向被试者讲解设备工作步骤与应急机制，观察样本1～3各10 s后，模拟紧急状况，被试者作出眼动反应、识别急停键（识别时间超过500 ms即找到急停键）记录数据。

5）眼动仪自动记录并保存所有试验数据。完成后记录被试者在试验过程中的感受。

3.1.2 试验数据处理及分析

1）分析试验1得出的眼动指标数据与热点图。试验1中8名被试者对样本1、样本2的评估指标数据如表6所示，6名以上被试者对样本1的功能区域注视时间、注视点个数、总眼跳时间、眼跳次数、平均瞳孔直径共5项指标的数据高于样本2。由图9可知，样本1的注视热点分散在功能区域各处，无法快速识别关键信息，识别困难大；样本2的注视热点较为集中在功能区域和急停键，次要功能学习面板区域较少。

表6 眼动指标数据

Tab.6 Eye tracking metric data

2）对比试验2中样本1～3扫视路径图，见图10～12。将8名被试者样本1的扫视路径图进行比较，发现6名以上被试者的扫视路径如图10所示，轨迹交叉随意性较强、反复游离，无法第一时间识别急停键；6名以上被试者对样本2的扫视路径如图11所示，扫视轨迹清晰明确，能够快速捕捉急停键位置；6名以上被试者对样本3的扫视路径如图12所示，轨迹交叉较少、眼跳距离缩短，数显面板打开状态下也能够快速找到功能区域，经过短暂搜索后找到急停键。

综上所述，试验1结果表明现有样机的信息识别难度大、效率低、搜索任务疲劳，设计方案识别难度小、效率高，可迅速捕捉关键功能键。试验2结果表明设计方案的功能布局减少了搜索信息的反应时间，模拟紧急情况时被试者可以快速识别急停键，有效提升识别效率。

3.2 用户满意度评价

为验证设计方案生产可行性，文文以5阶Linker度量表进行设计方案验证，首先设置专家评语等级与对应标准：={1,2,3,4,5}={很满意、满意、一般、较差、非常差}，计算分值设定分别为1、2、3、4、5分，5分代表很满意，1分代表非常差。邀请最初用户调研的51名企业负责人、设备作业人员及工业设计人员进行评价，依据图3用户需求指标体系中的各个需求指标进行评价。经过计算后该设计方案的平均得分为4.52分，处于满意与非常满意之间，表明设计方案具有可行性。

图9 功能区域热点图对比

图10 样本1扫视路径

Fig.10 Saccade path of Sample 1

图11 样本2扫视路径

Fig.11 Saccade path of Sample 2

图12 样本3扫视路径

4 结语

现有压合机产品在设计初期以结构设计和结构优化为主，忽略了对用户需求的重视，缺乏对安全性、人机交互、满意度的考量，导致使用体验较差。本研究针对这一问题进行分析，提出基于Kano-FAST与人机工程学理念相结合的产品设计策略。在设计初期分析量化用户需求，设计中期优化功能结构布局，利用人机工程学理论对设备进行优化及修正，使方案更符合人的视觉逻辑、行为逻辑。经过眼动试验及评价，证明设计方案有效提高功能面板的识别效率、减轻认知负荷，为作业人员提供了更安全高效的作业环境，优化人机交互体验。后续研究会继续进行跟踪试验，确保方案的科学性，同时及时地吸取专家和市场的反馈意见，将产品的装配工艺、技术实现作为重点。

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Optimized Design of Upper Pressing Machine Based on Kano-FAST-E

ZHOU Hongyu, ZHANG Linhan, LIU Jinqi, JIANG Wenxin, XUE Shuang

(School of Industrial Design, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

The work aims to reduce the error rate in the operation process of the upper pressing machine and optimize the man-machine interaction experience. Based on the Kano model, the experience and needs of operators and enterprise managers in using the current equipment were analyzed. FAST theory was used to redefine the functional area of the equipment and guide the design development. Based on ergonomic theory (E), the functional layout and structural dimensions of the design scheme were optimized to improve the efficiency of man-machine operation. The eye tracking test was used to compare and verify the functional layout before and after improvement, and the user satisfaction evaluation of the design scheme was carried out with the help of Likert scale. The design practice of the upper pressing machine was completed, which improved the man-machine performance, effectively increased the reading efficiency of operators, and reduced visual fatigue and incorrect operation. The improved upper pressing machine gives workers a safer and more efficient and humanized operation mode, which verifies that the design strategy of Kano-FAST-E has guiding significance for the man-machine optimization design of the equipment, and also provides a reference for the development practice of similar equipment.

upper pressing machine; Kano model; FAST theory; ergonomics; eye tracking test

TB472

A

1001-3563(2024)08-0308-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.08.033

2023-12-22

国家重点研发计划子课题资助项目（2018YFD0301303-4）；湖北省教育厅教学研究项目（2021309）；国家级大学生创新创业训练计划（202110500018）