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

1.設(shè)計的歷史設(shè)計已經(jīng)從“原始社會的有意識、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“以機械化大批量生產(chǎn)”為特色的現(xiàn)代設(shè)計階段，具有許多鮮明的設(shè)計特征。20世紀前早期，一個人就可以完成整個產(chǎn)品的設(shè)計和制造20世紀的中葉人們組成不同的團隊分別負責(zé)市場、設(shè)計、制造和整體管理等20世紀80年代初期并行工程強調(diào)制造過程的改進要與產(chǎn)品的更新同步20世紀80年代協(xié)同設(shè)計以及集成生成與過程設(shè)計20世紀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21世紀計算機輔助設(shè)計得到了廣泛應(yīng)用，人工智能技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增加2.1概述

2.設(shè)計的基本活動所有這些方法和最好的實踐都是圍繞10個關(guān)鍵特征建立起來的。這10個特征基本的焦點是對團隊成員、設(shè)計工具和技術(shù)、產(chǎn)品信息以及用于產(chǎn)品開發(fā)和制造過程的集成。無論需要設(shè)計的問題是什么，總是有意或無意地進行著六個活動最佳實踐設(shè)計的10個關(guān)鍵特征1.關(guān)注產(chǎn)品的整個壽命周期2.設(shè)計團隊的作用和支持3.認識到過程和產(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.鼓勵產(chǎn)生多種概念并進行評價7.明確決策過程8.在設(shè)計的全過程中關(guān)注設(shè)計質(zhì)量9.產(chǎn)品開發(fā)和加工過程協(xié)同發(fā)展10.強調(diào)在恰當?shù)臅r機將正確的信息于適當?shù)娜藛T交流設(shè)計的六個活動1）確定設(shè)計要求或認識到要解決什么問題。2）計劃如何去解決這個問題。3）通過完善需求和分析現(xiàn)有類似問題的解決方案來理解問題。4）產(chǎn)生可供選擇的解決方案。5）通過將備選方案與設(shè)計要求比較和將它們互相比較的方法來評價備選方案。6）決定可采用的方案。2.1概述

3.設(shè)計關(guān)注全生命周期先進設(shè)計理論不僅關(guān)注產(chǎn)品的開發(fā)，還關(guān)注產(chǎn)品的生產(chǎn)銷售、使用、報廢等產(chǎn)品的全壽期過程。產(chǎn)品設(shè)計的全壽命周期產(chǎn)品設(shè)計壽命周期管理2.1概述

4.設(shè)計的解決方案通過解決問題的過程，可以獲得關(guān)于問題的知識和解決問題的可能答案。設(shè)計問題可以有很多滿足要求的答案，但沒有明顯的最佳解答。設(shè)計過程模型設(shè)計過程中的自相矛盾2.1概述

5.設(shè)計思維在先進設(shè)計過程中，設(shè)計理論與方法固然重要，但設(shè)計思維也必不可少。設(shè)計思維是一種綜合性的思考方式和解決問題的方法，它不僅僅局限于設(shè)計領(lǐng)域，而是適用于各個行業(yè)和領(lǐng)域。設(shè)計思維強調(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。設(shè)計思維工具是支撐設(shè)計思維實現(xiàn)的通用手段或方法，常用的設(shè)計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)計思維分為五個階段共情定義問題形成概念建立原型測試1.概述2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法在激烈的市場競爭環(huán)境下，快速設(shè)計并推出新產(chǎn)品已成為企業(yè)生存的關(guān)鍵，其中設(shè)計理論在產(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)計模型。對具有代表性的、被學(xué)界廣泛接受認可的現(xiàn)代設(shè)計理論進行介紹，如：TRIZ理論及其九大手法、公理設(shè)計及其域和映射機制、系統(tǒng)化設(shè)計及其內(nèi)涵。2.TRIZ2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法TRIZ是拉丁文中發(fā)明問題解決理論的詞頭。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250萬件專利的基礎(chǔ)上所提出的，是解決技術(shù)難題的原理和知識體系。TRIZ理論的簡化過程TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進化法則最終理想解40個發(fā)明原理39個工程參數(shù)和矛盾矩陣物理矛盾的分離原理物場模型標準解法發(fā)明問題解決算法科學(xué)效應(yīng)和知識庫2.TRIZ——技術(shù)系統(tǒng)進化法則2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法阿奇舒勒的技術(shù)系統(tǒng)進化論可以與自然科學(xué)中的達爾文生物進化論和斯賓塞的社會達爾文主義齊肩，被稱為“三大進化論”。技術(shù)系統(tǒng)進化分為嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期四個階段。TRIZ的技術(shù)系統(tǒng)八大進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)的不均衡進化法則、向超系統(tǒng)進化法則、向微觀級進化法則、動態(tài)性和可控性進化法則。技術(shù)系統(tǒng)進化過程2.TRIZ——最終理想解2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法系統(tǒng)的進化過程就是創(chuàng)新的過程，即系統(tǒng)總是向著更理想化的方向發(fā)展，最終理想解是進化的頂峰。最終理想解是TRIZ理論保證解法過程收斂性的重要手段。最終理想解有4個特點：a.保持了原系統(tǒng)的優(yōu)點；b.消除了原系統(tǒng)的不足；c.沒有使系統(tǒng)變得更復(fù)雜；d.沒有引入新的缺陷。2.TRIZ——40個發(fā)明原理2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法阿奇舒勒對250萬份專利進行了研究、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)明問題的解決提供了強有力的工具。2.TRIZ——矛盾矩陣2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法在對專利分析和研究過程中，阿奇舒勒發(fā)現(xiàn)，有39個工程參數(shù)在彼此相對改善和惡化，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。②技術(shù)負向參數(shù)：是指這些參數(shù)變大時，使系統(tǒng)或子系統(tǒng)的性能變差，共11個。③技術(shù)正向參數(shù)：是指這些參數(shù)變大時，使系統(tǒng)或子系統(tǒng)的性能變好，共13個。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)字表示用來解決系統(tǒng)矛盾時所使用創(chuàng)新原理的編號。2.TRIZ——矛盾矩陣2.2現(xiàn)代設(shè)計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，以獲得問題的解決或降低解決問題的難度時間分離，將矛盾雙方在不同的時間段分離開來，以獲得問題的解決或降低解決問題的難度2.TRIZ——物理矛盾的分離原理2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法條件分離，將矛盾雙方在不同的條件下分離，以獲得問題的解決或降低解決問題的難度整體與部分分離，將矛盾雙方在不同的系統(tǒng)級別分離開來，以獲得問題的解決或降低解決問題的難度3.公理設(shè)計2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法公理設(shè)計的目標是為設(shè)計建立一個科學(xué)基礎(chǔ)，通過為設(shè)計者提供一個基于邏輯和理性思維過程及工具的理論基礎(chǔ)來改進設(shè)計活動。該理論認為設(shè)計是一個自頂向下的過程，為從概念設(shè)計到制造的整個產(chǎn)品開發(fā)過程提供了實用性指導(dǎo)框架，設(shè)計公理為設(shè)計的合理性與優(yōu)劣以及設(shè)計方案的選擇提供了有效的評判準則。利用公理設(shè)計理論可增強設(shè)計的創(chuàng)造性、設(shè)計方案的穩(wěn)健性、可制造性及可維護性，建立能使企業(yè)受益的設(shè)計科學(xué)基礎(chǔ)，提升設(shè)計學(xué)的科學(xué)性。3.公理設(shè)計——域2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法域是公理設(shè)計中最基本和最重要的概念，貫穿于整個設(shè)計過程。公理設(shè)計理論將整個設(shè)計過程劃分為四個不同的設(shè)計活動，即四個域，它們分別為用戶域、功能域、物理域和過程域。域的結(jié)構(gòu)3.公理設(shè)計——映射2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法產(chǎn)品的設(shè)計過程實際上就是四個域之間的映射過程。四個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程相應(yīng)于產(chǎn)品設(shè)計階段。建立物理域和過程域之間映射關(guān)系的過程相應(yīng)于過程設(shè)計階段。3.公理設(shè)計——設(shè)計公理2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法獨立公理

當有兩個以上的功能要求時，設(shè)計方案必須滿足每一個功能要求，而不影響其他的功能要求，這就要求選擇設(shè)計參數(shù)時，保持功能要求的獨立性。信息公理

在所有滿足獨立性公理的設(shè)計中，信息含量最少的設(shè)計是最好的設(shè)計，它是用來對設(shè)計方案進行評價和比較的原則第一公理第二公理3.系統(tǒng)化設(shè)計2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法20世紀70年代，德國學(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)計方法學(xué)，將工程設(shè)計過程主要分為四個階段：明確任務(wù)階段、概念設(shè)計階段、具體化設(shè)計階段和詳細設(shè)計階段。該方法中概念設(shè)計階段的核心是建立待設(shè)計產(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2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法系統(tǒng)化設(shè)計的特點主要包括以下三個方面：（1）以輸入、輸出的具體內(nèi)容為思考的出發(fā)點，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)思與評價同時進行的設(shè)計方法。（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”兩個方向向黑箱內(nèi)部內(nèi)容逐步深入的。3.系統(tǒng)化設(shè)計2.2現(xiàn)代設(shè)計理論與方法在大數(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)動型的產(chǎn)品設(shè)計方法和相關(guān)理論，如：智能產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計、數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、眾包設(shè)計、群體智能創(chuàng)新設(shè)計。智能產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)眾包設(shè)計海洋垃圾回收智能機器人系統(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)進行規(guī)劃、對垃圾進行智能回收的海洋垃圾回收系統(tǒng)為例進行案例分析，對系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計流程進行介紹。首先對國內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品進行調(diào)研。SEACLEARFREDMr.TrashWheelSeabinClearbotNeo海洋垃圾回收智能機器人系統(tǒng)2.3

典型案例

在分析對比其他競品的基礎(chǔ)上，進行新產(chǎn)品開發(fā)，并對本次產(chǎn)品開發(fā)目的和要求進行了詳細規(guī)劃。設(shè)計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構(gòu)的產(chǎn)品集成如此眾多的諸如環(huán)境探測、污染源識別、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器人系統(tǒng)2.3

典型案例

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

垃圾收集/處理固體吸濾式機械臂

石油撇油器收集化學(xué)制劑新型方式（電磁吸附等）

垃圾分類機器人工

目標識別/避障激光雷達攝像頭識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)機器人系統(tǒng)形態(tài)矩陣海洋垃圾回收智能機器人系統(tǒng)2.3

典型案例

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

單片機+NUC迷你電腦續(xù)航時間長大容量鋰電池對環(huán)境友好鋁合金+碳纖維信號收發(fā)穩(wěn)定北斗+GPS平臺算法算法精良，魯棒性好人工智能+強化學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)收集精確行業(yè)先進傳感器人機交互界面簡潔操作界面按鍵數(shù)≤5說明準確說明書頁數(shù)≤50產(chǎn)品設(shè)計準備表海洋垃圾回收智能機器人系統(tǒng)2.3

典型案例

海洋垃圾回收系統(tǒng)的主要功能是檢測海洋垃圾分布情況并進行回收路徑規(guī)劃，最終實現(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。功能載體特征儲存能量電池容量≥20000mAh體積Vg=0.02m3控制運動伺服電機扭矩T≥10Nm功能載體特性海洋垃圾回收智能機器人系統(tǒng)2.3

典型案例

針對上述功能載體、形態(tài)矩陣和概念設(shè)計方案結(jié)果，完成海洋垃圾回收系統(tǒng)的樣圖繪制。該系統(tǒng)主要由檢測機器人和回收機器人組成。其中，檢測機器人由六個驅(qū)動器控制移動，在機身上安裝有檢測裝置與信號裝置，主要負責(zé)檢測海洋中垃圾在不同深度的分布情況。海洋垃圾回收機器人布置圖與設(shè)計細節(jié)圖海洋垃圾回收智能機器人系統(tǒng)2.3

典型案例

對于設(shè)計好的海洋垃圾回收系統(tǒng)，每個部件都經(jīng)過分模塊設(shè)計，并可用有序的組裝安排進