基于FBS-TRIZ模型的蔬果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)研究.pdf

第 46 卷 第 12 期 包 裝 工 程 2025 年 6 月 PACKAGING ENGINEERING 83 收稿日期 2025 01 29 通信作者 基于 FBS TRIZ 模型的蔬果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)研究 鞏超 宋欣儒 張龍 鄭雨薇 金碩 朱家誼 湯羽京 北京理工大學(xué) 北京 100081 摘要 目的 為解決采摘機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中 功能實(shí)現(xiàn)與用戶體驗(yàn)脫節(jié) 的問題 旨在構(gòu)建一套以用 戶體驗(yàn)為導(dǎo)向的功能識(shí)別與優(yōu)化路徑 提升人機(jī)裝備交互系統(tǒng)的適配性與用戶滿意度 方法 首先 采 用扎根理論 聚焦裝備特性 從現(xiàn)有文獻(xiàn)中提煉蔬果采摘機(jī)器人核心功能 構(gòu)建功能框架 其次 結(jié)合 用戶行為特征和典型使用情境開展用戶調(diào)研 融合深度訪談與 Kano 模型識(shí)別影響滿意度的核心功能要 素 最后 基于 FBS 模型構(gòu)建 功能 行為 結(jié)構(gòu) 映射 并利用 TRIZ 發(fā)明原理 為化解設(shè)計(jì)矛盾生成 創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案提供理論指導(dǎo) 結(jié)果 通過結(jié)合典型用戶場(chǎng)景下的主觀評(píng)估 引入 JACK 人體工效仿真工 具對(duì)關(guān)鍵交互動(dòng)作進(jìn)行模擬分析 結(jié)果表明 優(yōu)化方案在操作便捷性 協(xié)作安全性等方面表現(xiàn)優(yōu)異 顯 著提升用戶滿意度 結(jié)論 本研究建立的用戶體驗(yàn)導(dǎo)向功能識(shí)別與設(shè)計(jì)優(yōu)化路徑 強(qiáng)化了功能邏輯與體 驗(yàn)感知的協(xié)同 FBS TRIZ 融合策略為解決蔬果采摘機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的用戶體驗(yàn)瓶頸提供了規(guī)范化 可復(fù)制的參考框架 具有良好的推廣應(yīng)用潛力 關(guān)鍵詞 蔬果采摘機(jī)器人 用戶體驗(yàn) FBS TRIZ 融合模型 中圖分類號(hào) TB472 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1001 3563 2025 12 0083 14 DOI 10 19554 ki 1001 3563 2025 12 007 Design of Vegetable and Fruit Picking Robot Based on FBS TRIZ Model GONG Chao SONG Xinru ZHANG Long ZHENG Yuwei JIN Shuo ZHU Jiayi TANG Yujing Beijing Institute of Technology Beijing 100081 China ABSTRACT The work aims to solve the problem of disconnection between function implementation and user expe rience in the industrialization process of picking robots construct a user experience oriented path for function recogni tion and optimization and improve the adaptability and user satisfaction of the human machine interaction system of the whole machine Firstly focusing on device characteristics the grounded theory was used to extract the core functions of vegetable and fruit picking robots from existing literature and construct a functional framework Then combined with user behavior characteristics and typical usage scenarios user research was conducted and in depth interviews were inte grated with Kano models to identify the core functional elements that affected satisfaction Finally based on the FBS model a functional behavioral structural mapping was constructed and the TRIZ invention principle was utilized to pro vide theoretical guidance for resolving design conflicts and generating innovative design solutions Through combination with subjective evaluation in typical user scenarios and the introduction of JACK ergonomic simulation tools key inter active actions were simulated and analyzed The results indicated that the optimization scheme performed excellently in terms of operational convenience and collaborative security significantly improving user satisfaction The user expe rience oriented functional identification and design optimization path established in this study strengthens the synergy between functional logic and experience perception The FBS TRIZ fusion strategy provides a standardized and replicable reference framework for solving the user experience bottleneck in the industrialization process of vegetable and fruit picking robots and has good potential for promotion and application KEY WORDS vegetable and fruit picking robot user experience FBS TRIZ fusion mode 84 包 裝 工 程 2025 年 6 月 全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正面臨糧食需求增長(zhǎng)與勞動(dòng)力短 缺的結(jié)構(gòu)性矛盾 在智慧農(nóng)業(yè)背景下 推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 向自動(dòng)化 智能化加速轉(zhuǎn)型 已成為提高我國(guó)農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)效率與可持續(xù)性的關(guān)鍵路徑 1 當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 對(duì)采摘機(jī)器人的需求快速剛需化 產(chǎn)業(yè)化已成為其未 來發(fā)展的核心目標(biāo)和必然趨勢(shì) 2 通過文獻(xiàn)研究發(fā) 現(xiàn) 傳統(tǒng)采摘機(jī)器人的研究多以技術(shù)驅(qū)動(dòng)為主 側(cè)重 作業(yè)效率與環(huán)境適應(yīng)性 對(duì)用戶使用體驗(yàn)關(guān)注顯著不 足 導(dǎo)致產(chǎn)品功能與用戶使用體驗(yàn)之間存在沖突 在 此背景下 引入工業(yè)設(shè)計(jì)視角 有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)思維 與工程技術(shù)的深度融合 推動(dòng)傳統(tǒng)采摘機(jī)器人從專業(yè) 裝備向用戶導(dǎo)向型產(chǎn)品轉(zhuǎn)變 3 因此 本研究旨在構(gòu)建基于用戶體驗(yàn)的功能優(yōu)化 路徑 探索 FBS TRIZ 融合方法在采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)優(yōu) 化中的應(yīng)用實(shí)踐 響應(yīng)采摘機(jī)器人作業(yè)對(duì)象動(dòng)態(tài)行為 特征 裝備自身特性 復(fù)雜作業(yè)環(huán)境等特殊要求 為 農(nóng)業(yè)智能裝備的用戶導(dǎo)向創(chuàng)新提供理論與方法參考 并對(duì)以采摘機(jī)器人為代表的農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具 有現(xiàn)實(shí)推動(dòng)意義 1 采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀分析 1 1 技術(shù)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向的采摘機(jī)器人創(chuàng)新路徑區(qū)域?qū)Ρ?我國(guó)對(duì)采摘機(jī)器人的研發(fā)已經(jīng)超過 20 年 2020 年 起大量企業(yè)涌入采摘機(jī)器人產(chǎn)業(yè) 從此開啟了我國(guó)采 摘機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化時(shí)代 但企業(yè)多面向科教 示范進(jìn) 行單臺(tái)定制 與美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家直接面向農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)應(yīng)用相比 技術(shù)表現(xiàn)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程都較為落后 4 6 通過對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)的系統(tǒng)梳理以分析發(fā)展現(xiàn) 狀 深度學(xué)習(xí) 機(jī)器視覺 末端執(zhí)行器 機(jī)械臂 路 徑規(guī)劃等技術(shù)術(shù)語高頻出現(xiàn)在研究論述中 陳青等 7 針對(duì)現(xiàn)階段蘋果采摘機(jī)器人采摘速度低 成功率低等 問題 從農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合 優(yōu)化識(shí)別算法 多傳感器融 合 多臂合作 人機(jī)協(xié)作等方面提出未來研究方向的 重點(diǎn) 王明友等 8 針對(duì)菇類及其生長(zhǎng)環(huán)境的特性 結(jié) 合菇類采摘機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 從結(jié)構(gòu)優(yōu)化 視覺算法 智能控制系統(tǒng) 多臂協(xié)同四個(gè)方面提出未來菇類采摘 機(jī)器人發(fā)展方向 孫成宇等 4 對(duì)國(guó)內(nèi)外蔬菜采摘機(jī)器 人研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了評(píng)估 重點(diǎn)對(duì)目標(biāo)識(shí) 別 定位和末端執(zhí)行器的優(yōu)化等方面存在的不足進(jìn)行 了分析并做出展望 整體來看 國(guó)內(nèi)研究已涵蓋多類 作業(yè)對(duì)象與典型應(yīng)用場(chǎng)景 技術(shù)路線日趨多元 但仍 以關(guān)鍵模塊的技術(shù)突破為主 缺乏對(duì)系統(tǒng)協(xié)同機(jī)制及 復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)行為特征的深入響應(yīng) 相比之下 歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在采摘機(jī)器人研發(fā)方 面已形成更為系統(tǒng)的研究范式 一方面 同樣專注于 識(shí)別精度 避障 復(fù)雜場(chǎng)景適應(yīng)等核心子系統(tǒng)的開發(fā) 另一方面 研究思路正從單點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化向系統(tǒng)集成轉(zhuǎn) 變 9 由不同研究小組開發(fā)的子系統(tǒng)的優(yōu)化和集成并 不容易實(shí)現(xiàn) 部分學(xué)者呼吁建立開放的協(xié)作文化以匯 集不同研究小組的人才和力量 并加快解決方案的制 定 此外 部分研究提出 在自主作業(yè)尚難以完全替 代人工的階段 人機(jī)協(xié)作機(jī)制可作為緩解技術(shù)瓶頸的 過渡策略 10 這一趨勢(shì)表明 國(guó)外研究不僅關(guān)注采摘 作業(yè)對(duì)象的行為特征與作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性 也重視技 術(shù)性能與應(yīng)用適應(yīng)性的雙向協(xié)調(diào) 綜合上述文獻(xiàn)分析可知 我國(guó)在采摘機(jī)器人領(lǐng)域 已經(jīng)取得了許多技術(shù)突破并重視對(duì)不同生產(chǎn)場(chǎng)景的 響應(yīng)和作業(yè)對(duì)象特性的適配探索 當(dāng)前研究仍普遍呈 現(xiàn)以技術(shù)突破為導(dǎo)向 對(duì)系統(tǒng)集成與交互機(jī)制關(guān)注不 足 致使產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程推進(jìn)緩慢 國(guó)外研究已從技術(shù)優(yōu) 化逐步邁向系統(tǒng)集成與協(xié)作機(jī)制的研究并探索開放 協(xié)作文化和人機(jī)協(xié)同策略 以應(yīng)對(duì)當(dāng)前自主采摘尚未 完全成熟的現(xiàn)實(shí)局限 兩者在研究思路與路徑上存在 差異 也為采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)研究提供了互補(bǔ)的視野與 方法啟示 凸顯了構(gòu)建以用戶體驗(yàn)為導(dǎo)向 融合系統(tǒng) 約束條件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略的重要性 1 2 工業(yè)設(shè)計(jì)介入的產(chǎn)業(yè)化范式轉(zhuǎn)型 全球采摘機(jī)器人的產(chǎn)品化進(jìn)程正在不斷加速 推 動(dòng)采摘機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程演進(jìn)對(duì)提升我國(guó)農(nóng)業(yè)競(jìng)爭(zhēng) 力 應(yīng)對(duì)勞動(dòng)力短缺及推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有戰(zhàn)略意 義 制約采摘機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要原因除技術(shù) 外 還包括有效市場(chǎng)需求不足 創(chuàng)新能力和動(dòng)力不足 產(chǎn)學(xué)研協(xié)同機(jī)制不健全 用戶認(rèn)知和接受障礙 市場(chǎng) 競(jìng)爭(zhēng)與產(chǎn)業(yè)生態(tài)等問題 11 采摘機(jī)器人等裝備制造類 產(chǎn)品的功能明確 內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且穩(wěn)定 工業(yè)設(shè) 計(jì)在其傳統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)過程中處于附屬地位 但隨著行 業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn) 工業(yè)設(shè)計(jì)在提升產(chǎn)品品質(zhì) 品 牌價(jià)值 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力等方面起到主導(dǎo)作用 使越來 越多學(xué)者和企業(yè)開始關(guān)注其在采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)研發(fā) 中的路徑與策略 董佳麗等 12 強(qiáng)調(diào) 以拖拉機(jī)為例的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)裝 備主要以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng) 但隨著社會(huì)的發(fā)展 用戶 的可選擇性也逐漸增多 企業(yè)意識(shí)到用戶需求的重要 性 產(chǎn)品設(shè)計(jì)也逐漸由技術(shù)導(dǎo)向轉(zhuǎn)化為需求導(dǎo)向 趙 可恒 13 認(rèn)為 產(chǎn)業(yè)升級(jí)創(chuàng)新離不開工業(yè)設(shè)計(jì) 從造 型設(shè)計(jì) 人機(jī)關(guān)系改良 品牌創(chuàng)建與管理等層面提出 了工業(yè)設(shè)計(jì)參與裝備制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)的基本路徑 敖進(jìn) 等 3 對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)主導(dǎo)下的非標(biāo)裝備設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)研 究以謀求產(chǎn)業(yè)升級(jí)的路徑 認(rèn)為工業(yè)設(shè)計(jì)思維不僅在 前期概念設(shè)計(jì)階段發(fā)揮引領(lǐng)作用 更能在中后期起到 協(xié)調(diào)作用 效用評(píng)估和落地推廣作用 貫穿了工程設(shè) 計(jì)全流程 工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)科視域在采摘機(jī)器人等農(nóng)業(yè)裝 備設(shè)計(jì)的創(chuàng)新升級(jí)中能夠有效彌合當(dāng)前技術(shù)驅(qū)動(dòng)導(dǎo) 向下的研究范式局限 從用戶需求出發(fā)系統(tǒng)性整合科 技 生產(chǎn) 文化與藝術(shù)等資源并轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力 在裝備研發(fā)的全生命周期中發(fā)揮獨(dú)特作用 13 14 既有研究已明確工業(yè)設(shè)計(jì)在造型優(yōu)化 全流程協(xié) 同 需求導(dǎo)向轉(zhuǎn)型等方向?qū)r(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)的多維價(jià) 第 46 卷 第 12 期 鞏超 等 基于 FBS TRIZ 模型的蔬果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)研究 85 值 但在面向采摘機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的實(shí)踐中 仍普遍存 在系統(tǒng)化設(shè)計(jì)工具缺失問題 尤其在用戶需求獲取與 技術(shù)功能構(gòu)建之間 缺乏結(jié)構(gòu)化 可操作的中介工具 與方法論支撐 導(dǎo)致 需求 功能 映射鏈條存在斷 層 制約了以用戶體驗(yàn)為核心的設(shè)計(jì)理念在采摘機(jī)器 人為代表的農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)流程中的有效轉(zhuǎn)化 2 融合 FBS 和 TRIZ 的采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)理 論創(chuàng)新 2 1 FBS 模型與 TRIZ 理論的概述及互補(bǔ)性分析 利用策略化創(chuàng)新的思想 使用具有可操作性和可 視化的創(chuàng)新方法指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是解決裝備產(chǎn)品設(shè)計(jì) 中不同問題的有效方法 15 針對(duì)這些具體方法進(jìn)行組 合和完善 以解決某一系列具體問題 改變了傳統(tǒng)設(shè) 計(jì)僅憑經(jīng)驗(yàn)和直覺的設(shè)計(jì)模式 從策略化創(chuàng)新思想的角度出發(fā) TRIZ 和 FBS 分 別被視為面向問題和面向目的的創(chuàng)新方法 TRIZ 發(fā) 明問題解決理論是一種基于技術(shù)進(jìn)化規(guī)律的系統(tǒng)創(chuàng) 新方法 能夠結(jié)構(gòu)化地解決問題 快速生成創(chuàng)新方案 但存在對(duì)早期需求定義不足 提供的解決方案較為抽 象等問題 16 功能 行為 結(jié)構(gòu)模型 FBS 作為知識(shí) 表示模型 能夠從三個(gè)層次系統(tǒng)地解釋設(shè)計(jì)問題的本 質(zhì)及解決方案 實(shí)現(xiàn)從抽象需求到具體化 形式化設(shè) 計(jì)的映射 17 兩種方法分別彌補(bǔ)了 FBS在創(chuàng)新方案生成不足和 TRIZ 對(duì)需求定義模糊的缺點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性與創(chuàng)新 性的平衡 但缺乏對(duì)裝備特性 使用人群特征 作業(yè) 場(chǎng)景等領(lǐng)域特殊性的響應(yīng) 席上琳等 18 在 FBS TRIZ 融合模型的基礎(chǔ)上 聚焦人機(jī)環(huán)相互影響下的特殊需 求 利用數(shù)字仿真場(chǎng)景輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化 構(gòu)建地壟式栽 培草莓采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)方法理論框架 胡鵬驍?shù)?19 提出了基于 SA FBS TRIZ 理論的可變功能應(yīng)急產(chǎn)品 設(shè)計(jì)方法 關(guān)注不同場(chǎng)景下功能到結(jié)構(gòu)的映射變化 利用 TRIZ 分析和化解矛盾最終獲得設(shè)計(jì)方案 通過梳理現(xiàn)有研究可以發(fā)現(xiàn) 當(dāng)前該融合方法在 產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用已日臻成熟 雖多聚焦于普適性 的技術(shù)路徑和功能實(shí)現(xiàn)層面 但對(duì)作業(yè)環(huán)境等領(lǐng)域特 殊性的關(guān)注已開始在設(shè)計(jì)方法改良中有所體現(xiàn) 然而 對(duì)用戶滿意度驅(qū)動(dòng)機(jī)制的系統(tǒng)性分析仍存在顯著缺 失 12 這種局限性導(dǎo)致該方法雖能為采摘機(jī)器人的結(jié) 構(gòu)改良 性能升級(jí)提供技術(shù)指導(dǎo) 卻未能在考慮裝備 領(lǐng)域特殊性的前提下 將功能屬性對(duì)用戶滿意度的差 異化影響納入設(shè)計(jì)決策框架 導(dǎo)致采摘機(jī)器人在用戶 體驗(yàn)方面的提升缺乏可量化的理論依據(jù) 進(jìn)而限制了 采摘機(jī)器人的市場(chǎng)滲透與產(chǎn)業(yè)規(guī)模化進(jìn)程 2 2 基于 FBS 和 TRIZ 的蔬果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)研究 框架 為確保新的設(shè)計(jì)研究框架在蔬果采摘機(jī)器人設(shè) 計(jì)領(lǐng)域的適用性與有效性 有必要在方法體系中引入 針對(duì)該領(lǐng)域關(guān)鍵特性的適配性約束 基于 人 機(jī) 環(huán) 系統(tǒng)視角 本文從裝備特性 使用者行為特征與作業(yè) 場(chǎng)景三方面出發(fā) 作為約束對(duì)象嵌入設(shè)計(jì)流程之中 以增強(qiáng)模型對(duì)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的響應(yīng)能力 針對(duì)傳統(tǒng) FBS TRIZ 融合模型在蔬果采摘機(jī)器人 設(shè)計(jì)研究前期調(diào)研階段需求捕獲存在的局限性 20 本 研究構(gòu)建了基于扎根理論與 Kano 模型的系統(tǒng)性研究 框架 見圖 1 1 以裝備特性作為約束條件篩選國(guó)內(nèi)外相關(guān)文 獻(xiàn) 通過系統(tǒng)梳理國(guó)內(nèi)外蔬果采摘機(jī)器人相關(guān)研究 運(yùn)用主題建模與扎根理論三級(jí)編碼方法 提取蔬果采 摘機(jī)器人核心功能 2 以作業(yè)場(chǎng)景作為約束條件 采用多輪半結(jié)構(gòu) 化訪談獲取用戶在特定場(chǎng)景下的原始需求陳述 通過 比較分析法建立需求陳述與文獻(xiàn)功能集的映射關(guān)系 進(jìn)而甄別出對(duì)用戶使用體驗(yàn)產(chǎn)生顯著影響的關(guān)鍵功 能特征 3 進(jìn)而以使用者行為特征作為約束條件 基于 初步識(shí)別的用戶體驗(yàn)相關(guān)功能特征 構(gòu)建 Kano 模型 調(diào)查問卷進(jìn)行量化評(píng)估 最終確定符合使用者行為特 征能夠?qū)τ脩魸M意度產(chǎn)生顯著影響的關(guān)鍵功能子集 通過這一系統(tǒng)性研究框架 識(shí)別并量化與用戶體 驗(yàn)直接相關(guān)的功能特征 并在上述三個(gè)約束條件的指 導(dǎo)下 將與用戶體驗(yàn)相關(guān)的功能作為 FBS 模型中 Function 層輸入 FBS TRIZ 框架 指導(dǎo)后續(xù)的功 能開發(fā)和優(yōu)化 在設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證評(píng)估階段 進(jìn)一步引 入作業(yè)場(chǎng)景作為約束條件 通過構(gòu)建典型任務(wù)情境驗(yàn) 證設(shè)計(jì)方案在目標(biāo)環(huán)境的應(yīng)用有效性 此種以領(lǐng)域特殊性為前提 用戶體驗(yàn)為核心的功 能約束 不僅完善了從需求獲取到功能提取再到體驗(yàn) 驗(yàn)證的研究鏈路 更有效將后續(xù)設(shè)計(jì)研究重點(diǎn)聚焦于 采摘機(jī)器人在真實(shí)作業(yè)場(chǎng)景中的交互適應(yīng)性與用戶 滿意度提升 3 蔬果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)示例 3 1 采摘機(jī)器人核心功能提取 本節(jié)旨在提煉出具備概括性與可操作性的蔬果 采摘機(jī)器人核心功能要素 并為后續(xù)與用戶體驗(yàn)需求 的關(guān)聯(lián)分析提供結(jié)構(gòu)化基礎(chǔ) 鑒于當(dāng)前我國(guó)蔬果采摘機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程尚處于 初級(jí)階段 市場(chǎng)中采摘機(jī)器人產(chǎn)品數(shù)量較少 直接獲 取成熟產(chǎn)品功能集的可行性受限 為此 將文獻(xiàn)深度 編碼作為采摘機(jī)器人核心功能的提取路徑 在 CNKI 中國(guó)知網(wǎng) Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索蔬果采摘機(jī) 器人相關(guān)文獻(xiàn) 檢索時(shí)間均聚焦到 2020年 1 月至 2025 年 4 月 同時(shí)排除會(huì)議 報(bào)紙 圖書等形式和被引次 數(shù)較低的文獻(xiàn) 通過閱讀摘要將符合裝備特性作為約 86 包 裝 工 程 2025 年 6 月 圖 1 基于 FBS TRIZ 的蔬果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)研究框架 Fig 1 Design and research framework of vegetable and fruit picking robot based on FBS TRIZ 束條件篩選 排除內(nèi)容關(guān)聯(lián)度較弱的文獻(xiàn) 共納入符 合約束條件的中文文獻(xiàn) 15 篇 英文文獻(xiàn) 6 篇 作為 后續(xù)文獻(xiàn)分析的原始資料 在功能要素的識(shí)別過程中 本研究采用開放編 碼 主軸編碼 選擇編碼三階段方法 以提高核心功能 集提取的系統(tǒng)性與邏輯一致性 首先 在開放編碼階 段 圍繞蔬果采摘機(jī)器人的典型作業(yè)流程對(duì)所選文獻(xiàn) 進(jìn)行逐段梳理 提取具有代表性的原始功能表征詞并 進(jìn)行初步概念歸類 其次 在主軸編碼階段 建立采 摘機(jī)器人功能間的內(nèi)在聯(lián)系與層級(jí)結(jié)構(gòu) 最后 在選 擇編碼階段 綜合功能出現(xiàn)頻率 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)度等維 度 對(duì)核心功能進(jìn)行篩選歸納 最終形成涵蓋識(shí)別 采收 移動(dòng) 控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的功能子集 見表 1 本小節(jié)梳理并歸納出蔬果采摘機(jī)器人在實(shí)際應(yīng) 用中具有代表性的核心功能要素 形成結(jié)構(gòu)化功能表 征框架 為后續(xù)構(gòu)建用戶體驗(yàn)導(dǎo)向的設(shè)計(jì)邏輯提供了 功能維度的基礎(chǔ)支撐 可以發(fā)現(xiàn) 國(guó)內(nèi)外對(duì)蔬果采摘 機(jī)器人的相關(guān)研究主要側(cè)重于技術(shù)驅(qū)動(dòng)效率提高和 系統(tǒng)穩(wěn)定性的優(yōu)化 功能往往作為技術(shù)實(shí)現(xiàn)的隱含結(jié) 果被間接呈現(xiàn) 而較少以用戶視角或系統(tǒng)功能邏輯進(jìn) 行明確描述與界定 下一階段將以此功能集為參照 深入挖掘用戶在實(shí)際操作過程中的體驗(yàn)感知與潛在 需求 實(shí)現(xiàn)功能層與體驗(yàn)層的有機(jī)映射 為采摘機(jī)器 人設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化與迭代提供方向指引 3 2 基于用戶體驗(yàn)的功能需求識(shí)別 由于當(dāng)前蔬果采摘機(jī)器人產(chǎn)品形態(tài)尚不成熟 直 接基于產(chǎn)品反饋構(gòu)建體驗(yàn)評(píng)價(jià)體系的可行性有限 因 此 在前一節(jié)基于文獻(xiàn)的核心功能體系構(gòu)建基礎(chǔ)上 本節(jié)進(jìn)一步引入用戶視角 第 46 卷 第 12 期 鞏超 等 基于 FBS TRIZ 模型的蔬果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)研究 87 表 1 蔬果采摘機(jī)器人核心功能要素 Tab 1 Core functional elements of vegetable and fruit picking robots 功能主題 功能表征 實(shí)例 A 1 識(shí)別定位果實(shí) 光學(xué)視覺 圖像視覺 智能感知 超 聲傳感器等 通過視覺系統(tǒng)獲取多幅點(diǎn)云圖像建立果樹的三維點(diǎn)云模 型 獲取果實(shí)位置信息 21 A 2 果實(shí)采 收 運(yùn) 機(jī)械臂 末端執(zhí)行器 收集果實(shí)的傳 送帶等 果園智能機(jī)器人可以在果園里配合導(dǎo)航系統(tǒng) 紅外系統(tǒng)等 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋果 收果 分級(jí)等 22 A 3 自主行走 自主導(dǎo)航 無人駕駛 智能履帶底盤 多輪驅(qū)動(dòng)等 與現(xiàn)在設(shè)施種植軌道配套的自主移動(dòng)平臺(tái) 22 A 4 智慧決策 任務(wù)規(guī)劃 路徑規(guī)劃 故障診斷 知識(shí) 推理等 智能決策 包括任務(wù)規(guī)劃 路徑規(guī)劃 軌跡規(guī)劃 運(yùn)動(dòng)規(guī) 劃等 23 A 5 操作平臺(tái) 界面 人機(jī)交互界面 移動(dòng)端等 在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中 恰當(dāng)?shù)乜紤]人機(jī)交互 可使得人們?cè)?使用采摘機(jī)械作業(yè)時(shí) 更加省力舒適 24 A 6 常態(tài)監(jiān)控 實(shí)時(shí)作業(yè)監(jiān)控 遠(yuǎn)程監(jiān)控 無人機(jī)等 通過系統(tǒng)搭建采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控 開發(fā)了視覺與 DGPS 結(jié)合的導(dǎo)航系統(tǒng) 25 A 7 人工輔助 輔助人工 人工判斷 輔助勞動(dòng)者采收等 集成了人工判斷和機(jī)器人精確運(yùn)動(dòng)能力 7 A 8 語音控制 語音控制 在采摘機(jī)器人作業(yè)過程中 如果需要對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn) 程控制 可以向機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)出語音指令 26 為全面了解蔬果采摘機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中直接 影響用戶體驗(yàn)的功能 通過多輪深度訪談收集目標(biāo) 用戶群體的原始需求要素 訪談對(duì)象覆蓋北京 浙 江 廣東 湖北 江西等多個(gè)省級(jí)行政區(qū)域種植不同 蔬果的種植戶 訪談過程以作業(yè)場(chǎng)景為約束 圍繞用 戶使用采摘機(jī)器人過程中的操作體驗(yàn) 情感與信任 因素 使用困惑與期望改進(jìn)方向等方面展開 旨在從 真實(shí)使用情境中挖掘影響體驗(yàn)的關(guān)鍵 因素 采用 NVivo 對(duì)訪談資料進(jìn)行編碼 構(gòu)建影響用戶體驗(yàn)的核 心主題并進(jìn)一步抽象整合出與用戶體驗(yàn)高度相關(guān)的 功能特征 在逐步提煉體驗(yàn)導(dǎo)向功能的過程中 首先 通過 逐句分析訪談文本 識(shí)別出如 操作步驟太多記不住 機(jī)器遇到障礙需要人幫忙跨過障礙 等具體表達(dá) 將其標(biāo)記為初級(jí)節(jié)點(diǎn) 操作引導(dǎo)缺失 缺乏維護(hù)指 示 等 其次 將具有關(guān)聯(lián)性的初級(jí)節(jié)點(diǎn)歸類形成中 層主題 如 操作流程引導(dǎo) 遠(yuǎn)程控制方式 工作 狀態(tài)反饋 等功能體驗(yàn)維度 最終 整理和歸納的過 程并非完全開放性探索 而是基于文獻(xiàn)編碼所建立的 核心功能集為參照 以已有功能類別為框架進(jìn)行映射 與整合 27 建立體驗(yàn)要素與技術(shù)功能之間的結(jié)構(gòu)化 關(guān)聯(lián) 表 2 展示了此分析路徑中的代表性功能項(xiàng) 例 如 用戶關(guān)于 設(shè)置路徑和引導(dǎo)流程 的陳述 經(jīng)過 編碼整合為 在操作平臺(tái) 界面進(jìn)行操作引導(dǎo) B 1 最終歸入 操作平臺(tái) 界面 A 1 用戶希望機(jī)器人 反饋當(dāng)前工作狀態(tài)與進(jìn)度 歸為 反饋機(jī)器人工作 狀態(tài) 進(jìn)度 B 4 對(duì)應(yīng) 常態(tài)監(jiān)控 A 6 而關(guān)于 人工輔助越障 人工復(fù)檢采摘 的表述則被編碼 為 反饋人機(jī)協(xié)作需求 B 6 映射到 常態(tài)監(jiān)控 A 6 功能維度 完整映射關(guān)系如表 2 所示 為克服深度訪談階段用戶樣本量有限所可能帶 來的主觀性偏差 增強(qiáng)研究結(jié)論的代表性與客觀性 在初步提煉的影響用戶體驗(yàn)的功能特征的基礎(chǔ)上 引 入 Kano 模型問卷調(diào)查 Kano 模型在本研究中承擔(dān)了 以使用人群特征為約束條件 篩選對(duì)用戶滿意度提升 具有顯著作用的關(guān)鍵功能子集的重要作用 通過收集 表 2 體驗(yàn)相關(guān)功能要素 來源與核心功能要素映射關(guān)系表 Tab 2 Mapping relationship between experience related functional elements sources and core functional elements 體驗(yàn)相關(guān)功能要素及編號(hào) 來源節(jié)點(diǎn) 映射核心功能要素 B 1 在操作平臺(tái) 界面進(jìn)行操作引導(dǎo) 設(shè)置路徑和初始參數(shù) 引導(dǎo)操作流程等 A 5 操作平臺(tái) 界面 B 2 故障診斷及維護(hù)引導(dǎo) 緊急故障維護(hù)指南等 A 6 常態(tài)監(jiān)控 B3 語音控制 語音控制等 8 語音控制 B 4 反饋機(jī)器人工作狀態(tài) 進(jìn)度 定位反饋 工作進(jìn)度反饋 監(jiān)控機(jī)器人作業(yè)等 A 6 常態(tài)監(jiān)控 B 5 遠(yuǎn)程控制 在手機(jī)或其他移動(dòng)端口操作等 A 5 操作平臺(tái) 界面 B 6 反饋人機(jī)協(xié)作需求 人工輔助跨越障礙 人工復(fù)檢采摘 避免磕碰果農(nóng)等 A 6 常態(tài)監(jiān)控 B 7 收集時(shí)避免損傷水果 收集果實(shí)等 2 果實(shí)采 收 運(yùn) B 8 控制工作中機(jī)器人改變路徑 自主行走 預(yù)設(shè)路徑碾壓作物等 A 7 人工輔助 輔助人工 88 包 裝 工 程 2025 年 6 月 目標(biāo)用戶群體對(duì)不同功能特征的滿意度評(píng)價(jià) 實(shí)現(xiàn)以 用戶群體特征為前提的功能分類與優(yōu)化取舍 最終 將各功能需求要素區(qū)分為魅力屬性 A 期待屬性 O 無差異屬性 I 必備屬性 M 反向?qū)傩?R 和可疑屬性 Q 如表 3 所示 以獲取對(duì)提升 用戶滿意度具有顯著影響的功能 28 本次調(diào)研通過線上 線下渠道共計(jì)發(fā)放 123 份問 卷 其中有效問卷 120 份 根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果 計(jì)算 Better Worse 滿意度系數(shù)如表 4 所示 對(duì)各項(xiàng)功能需 求進(jìn)行屬性分類 表 3 Kano 模型評(píng)價(jià)結(jié)果分類對(duì)照表 Tab 3 Classification of Kano model evaluation results 功能 負(fù)向題 很不喜歡 1 分 勉強(qiáng)接受 2 分 無所謂 3 分 理所當(dāng)然 4 分 很喜歡 5 分 正向題 很不喜歡 1 分 Q R R R R 勉強(qiáng)接受 2 分 M I I I R 無所謂 3 分 M I I I R 理所當(dāng)然 4 分 M I I I R 很喜歡 5 分 O A A A Q 表 4 用戶功能需求分類結(jié)果 Tab 4 Classification results of user functional requirements 編號(hào) M O A I R Q B W 要素類型 B 1 61 67 2 50 7 50 24 17 2 50 1 67 10 43 66 96 M B 2 12 50 45 83 0 00 37 50 2 50 1 67 47 83 60 87 O B 3 10 00 1 67 5 83 78 33 2 50 1 67 7 83 12 17 I B 4 56 67 5 83 7 50 24 17 5 00 0 83 14 16 66 37 M B 5 5 00 5 83 50 83 35 83 0 83 1 67 58 12 11 11 A B 6 10 83 20 83 37 50 27 50 1 67 1 67 60 34 32 76 A B 7 3 33 0 00 7 50 85 83 3 33 0 00 7 76 3 45 I B 8 14 17 45 83 11 67 26 67 0 83 0 83 58 47 61 02 O 由如圖 2 所示的 Better Worse 系數(shù)分析可知 與 用戶體驗(yàn)相關(guān)的功能要素中 共有 6 項(xiàng)需求應(yīng)在蔬果 采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)中體現(xiàn) 其中 必備需求功能包括操 作引導(dǎo) B 1 和反饋機(jī)器人工作狀態(tài)和進(jìn)度 B 4 如缺失必備功能將直接引發(fā)用戶不滿 期望需求功能 包括故障診斷及維護(hù)引導(dǎo) B 2 及控制工作中的機(jī)器 人改變路徑 B 8 其實(shí)現(xiàn)程度直接影響用戶對(duì)產(chǎn)品 滿意度 魅力需求功能包括遠(yuǎn)程控制 B 5 和反饋人 機(jī)協(xié)作需求 B 6 此兩項(xiàng)功能能夠顯著提高用戶體 驗(yàn) 應(yīng)作為設(shè)計(jì)改良重點(diǎn)加以關(guān)注 上述結(jié)論表明 圖 2 Better Worse 系數(shù)分析 Fig 2 Better Worse coefficient analysis chart 在后續(xù)設(shè)計(jì)研究中需首要保證 B 1 B 4 兩項(xiàng)必備功能 的操作穩(wěn)定性與流暢性 其次通過優(yōu)化功能 B 2 B 8 提高效率與可控性 而后在保證不干擾基礎(chǔ)功能的前 提下實(shí)現(xiàn)功能 B 5 B 6 以進(jìn)一步增強(qiáng)整體用戶體驗(yàn) 3 3 采摘機(jī)器人的 FBS 模型推導(dǎo) 在前期研究過程中 識(shí)別了蔬果采摘機(jī)器人在 實(shí)際作業(yè)場(chǎng)景中對(duì)用戶體驗(yàn)產(chǎn)生顯著影響的六項(xiàng)核 心功能 這些功能充分考慮了用戶對(duì)優(yōu)化體驗(yàn)和提 升附加價(jià)值的創(chuàng)新訴求 將六項(xiàng)功能作為采摘機(jī)器 人設(shè)計(jì)要素 利用 FBS 模型進(jìn)行功能 行為 結(jié)構(gòu)映 射 揭示三個(gè)層次之間的邏輯關(guān)系 29 為后續(xù)矛盾挖 掘與 TRIZ 求解提供依據(jù) 基于 FBS 模型的映射關(guān)系 如圖 3 所示 在 FBS 模型對(duì)功能層 行為層 結(jié)構(gòu)層依次推導(dǎo) 的過程中充分考慮裝備特性 使用人群特征 作業(yè)場(chǎng) 景三項(xiàng)約束因素帶來的影響 提高基于 TRIZ 解決問 題的精確度和有效性 從而識(shí)別不同層次間相互影響 和制約的因素 以最大限度揭示潛在的矛盾沖突并消 除其對(duì)系統(tǒng)性能與用戶體驗(yàn)的消極影響 通過 FBS 模型對(duì)功能層 行為層與結(jié)構(gòu)層的系 統(tǒng)映射 明確了各功能要素的實(shí)現(xiàn)路徑與所需支撐結(jié) 第 46 卷 第 12 期 鞏超 等 基于 FBS TRIZ 模型的蔬果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)研究 89 圖 3 基于 FBS 模型的映射關(guān)系 Fig 3 Mapping relationship based on FBS Model 構(gòu)并在推導(dǎo)過程中識(shí)別出多個(gè)關(guān)鍵沖突 見表 5 這 些沖突并非孤立存在 而是由多種行為與結(jié)構(gòu)之間的 耦合關(guān)系所引發(fā) 在制約功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)也對(duì)用戶體 驗(yàn)造成潛在影響 例如 在操作平臺(tái) 界面進(jìn)行操作引導(dǎo) 功能 對(duì)應(yīng)用戶 明確預(yù)完成任務(wù) 調(diào)節(jié)參數(shù) 等行為 而這些行為又要求相應(yīng)結(jié)構(gòu)模塊 如任務(wù)輸入和引導(dǎo) 模塊 參數(shù)調(diào)整與設(shè)置等模塊予以支持 通過映射 不僅揭示目標(biāo)功能實(shí)現(xiàn)的路徑 也進(jìn)一步暴露出因多 任務(wù)協(xié)同 操作鏈條復(fù)雜與用戶期望簡(jiǎn)潔操作之間的 不匹配所引發(fā)的操作簡(jiǎn)潔性與任務(wù)復(fù)雜度之間的結(jié) 構(gòu)性矛盾 3 4 基于 TRIZ 的設(shè)計(jì)要素矛盾沖突求解 TRIZ 是找出并解決產(chǎn)品概念方案沖突矛盾的有 效手段 本研究在 FBS 模型推導(dǎo)基礎(chǔ)上識(shí)別出影響 功能實(shí)現(xiàn)與用戶體驗(yàn)沖突矛盾 為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)策 略 將其轉(zhuǎn)化為 TRIZ 矛盾矩陣中待改善的參數(shù)和惡 化的參數(shù) 如表 5 所示 以應(yīng)用發(fā)明原理尋找可行解 決策略 結(jié)合設(shè)計(jì)思維的迭代優(yōu)化 提出相應(yīng)的解決 方案 30 將在前文共 5 個(gè)小節(jié)中圍繞表 5 所列矛盾 依次展開分析求解 3 4 1 操作簡(jiǎn)潔性與任務(wù)復(fù)雜度間的矛盾 矛盾介紹 操作簡(jiǎn)潔性體現(xiàn)在用戶對(duì)減少操作 步驟 精簡(jiǎn)界面布局以降低學(xué)習(xí)和使用成本的訴求 任務(wù)復(fù)雜度則表現(xiàn)為系統(tǒng)需支持多功能模塊的操作 行為并承載豐富的信息 這一矛盾在實(shí)際應(yīng)用中尤為 突出 為改善 No 33 操作方便性 如 采摘標(biāo)準(zhǔn)預(yù)設(shè) 抓握力度調(diào)節(jié) 環(huán)境校準(zhǔn) 等功能的多重入口頻 繁造成誤觸和尋觸負(fù)擔(dān) 應(yīng)當(dāng)對(duì)復(fù)雜任務(wù)所需的多維 功能需進(jìn)行取舍和整合 這與 No 36 系統(tǒng)復(fù)雜性產(chǎn)生 表 5 基于 TRIZ 的采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)沖突構(gòu)建 Tab 5 Conflict construction in design of picking robots based on TRIZ 沖突構(gòu)建 對(duì)應(yīng)的參數(shù) 矛盾類型 沖突一 操作簡(jiǎn)潔性與任務(wù)復(fù)雜度之間的矛盾 待改善 No 33 操作方便性 技術(shù)矛盾 惡化 No 36 系統(tǒng)復(fù)雜性 沖突二 信息反饋豐富性與用戶受干擾程度間的矛盾 待改善 No 24 信息丟失 技術(shù)矛盾 惡化 No 37 控制與測(cè)量的復(fù)雜度 沖突三 模塊化易維護(hù)性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性間的矛盾 待改善 No 34 可維修性 技術(shù)矛盾 惡化 No 14 物體強(qiáng)度 沖突四 協(xié)作安全性與作業(yè)效率間的矛盾 待改善 No 31 物體產(chǎn)生的有害因素 技術(shù)矛盾 惡化 No 39 效率 沖突五 控制靈活性與執(zhí)行可靠性間的矛盾 待改善 No 35 適應(yīng)性 技術(shù)矛盾 惡化 No 27 可靠性 90 包 裝 工 程 2025 年 6 月 沖突 任務(wù)復(fù)雜度的實(shí)現(xiàn)要求清晰呈現(xiàn)多重功能 此 二者在交互流程與界面布局中形成一對(duì)技術(shù)矛盾 矛盾解決 根據(jù)阿奇舒勒矛盾矩陣 No 33 操作 方便性的改善導(dǎo)致 No 36 系統(tǒng)復(fù)雜性惡化 對(duì)應(yīng)的解 決方法是發(fā)明原理 No 32 改變顏色 No 26 復(fù)制 No 12 等勢(shì)性 No 17 維數(shù)變化 其中 No 17 維數(shù) 變化 原理適用于通過拓展系統(tǒng)交互維度來同時(shí)容納 復(fù)雜功能與簡(jiǎn)化操作流程 因而更契合人機(jī)交互場(chǎng)景 中對(duì)信息層級(jí)控制與界面模塊組織的雙重需求 相比 之下 No 32 更適用于提示類交互優(yōu)化 No 26 和 No 12 則適用于硬件或功能備份機(jī)制 難以在不增加 系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的前提下有效解決交互復(fù)雜度問題 因此 選取 No 17 維數(shù)變化原理進(jìn)行設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化 該原理強(qiáng)調(diào) 通過引入新的維度拓展系統(tǒng)功能和操作方式 結(jié)合蔬 果采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程和本地操作系統(tǒng)的交互特征 引入 多維折疊與堆疊式信息層 如圖 4 所示 加入 x 軸對(duì) 多個(gè)采摘機(jī)器人進(jìn)行管理 用戶可通過橫向滑動(dòng)切換 不同機(jī)器人管理界面 機(jī)器人工作狀態(tài)反饋等多信息 復(fù)合功能 將利用 y 軸隱藏非用戶高頻需求信息 縱 向滑動(dòng)在高頻 完整信息間切換并將核心功能排列于 主界面 各參數(shù)設(shè)置等高級(jí)功能沿 z 軸隱藏入次級(jí)界 面 用戶在主界面對(duì)主功能進(jìn)行選擇 進(jìn)入 高級(jí)設(shè) 置層 通過多維交互路徑結(jié)合 在維持界面操作簡(jiǎn) 潔性的前提下 確保系統(tǒng)能夠承載復(fù)雜功能 符合復(fù) 雜系統(tǒng)人機(jī)交互界面模塊化 分層化的趨勢(shì) 該設(shè)計(jì)解決方案不僅有助于提高用戶在高頻操 作中的效率與準(zhǔn)確性 也確保系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜任務(wù)的支持 能力 實(shí)現(xiàn) 界面簡(jiǎn)潔性 與 系統(tǒng)復(fù)雜性 的平衡 符合復(fù)雜系統(tǒng)人機(jī)交互的模塊化與分層化趨勢(shì) 3 4 2 信息反饋豐富性與用戶受干擾程度間的矛盾 矛盾介紹 信息反饋豐富性在多個(gè)功能間都有體 現(xiàn) 如操作引導(dǎo) 故障提示 機(jī)器人常態(tài)反饋等 這 一需求在與果農(nóng)的訪談中曾得到體現(xiàn) 用戶普遍表達(dá) 出對(duì)信息透明度和及時(shí)性的需求 以提升對(duì)采摘機(jī)器 人運(yùn)行狀況的認(rèn)知并增強(qiáng)人機(jī)交互的信任感 用戶受 干擾程度體現(xiàn)在頻繁或冗余的信息反饋可能造成用 戶認(rèn)知負(fù)荷增加 導(dǎo)致誤操作或作業(yè)效率下降 形成 使用體驗(yàn)上的負(fù)面干擾 這一矛盾表現(xiàn)為在提升 No 24 信息丟失參數(shù) 增強(qiáng)信息傳達(dá)密度與及時(shí)性以 滿足操作認(rèn)知需求的同時(shí) 可能加劇 No 37 控制與測(cè) 量的復(fù)雜度 尤其在反饋機(jī)制與提示系統(tǒng)共同運(yùn)行的 場(chǎng)景下 該復(fù)雜性會(huì)顯著影響用戶的操作流暢性與注 意力分配 從而構(gòu)成一對(duì)典型的技術(shù)矛盾 矛盾解決 由阿奇舒勒矛盾矩陣可得到 改善參 數(shù) No 24 信息丟失和惡 化 參數(shù) No 37 控制與測(cè)量 的復(fù) 雜度對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理為 No 33 同質(zhì)性和 No 35 參數(shù)變 化 在采摘機(jī)器人信息交互的具體場(chǎng)景中 No 35 參 數(shù)變化原理最能支持反饋內(nèi)容 形式與頻率的動(dòng)態(tài)調(diào) 節(jié) 便于用戶根據(jù)情境靈活調(diào)整信息傳達(dá)強(qiáng)度 具有 良好的人機(jī)適配性 相比之下 No 33 強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)材料 或?qū)傩砸恢滦?適用于減少?gòu)?fù)雜元件間差異但無法有 效處理反饋形式多樣性 基于 No 35 參數(shù)變化原理指 導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)踐 通過多級(jí)可調(diào)節(jié)反饋機(jī)制消除矛盾 如 圖 5 所示 用戶根據(jù)環(huán)境 工作內(nèi)容等條件的變化調(diào) 節(jié)提示頻率 如常態(tài)工作時(shí)選擇通過呼吸燈 輕微振 動(dòng)等形式傳達(dá)信息 避免常態(tài)反饋等功能帶來的持續(xù) 干擾 而風(fēng)雨天氣 復(fù)雜地面等用戶希望增加反饋內(nèi) 容與頻率的情況 可調(diào)節(jié)反饋形式為在故障警示 請(qǐng) 求人機(jī)協(xié)作關(guān)鍵事件時(shí)觸發(fā)機(jī)器人燈光 蜂鳴器及遠(yuǎn) 程端彈窗等功能 同理 用戶可按需啟動(dòng)或關(guān)閉不同 功能模塊的操作引導(dǎo)功能 實(shí)現(xiàn)信息豐富性與用戶受 干擾度間的動(dòng)態(tài)平衡 圖 4 多維界面設(shè)計(jì)方案 Fig 4 Multidimensional interface design scheme 第 46 卷 第 12 期 鞏超 等 基于 FBS TRIZ 模型的蔬果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)研究 91 圖 5 參數(shù)調(diào)節(jié)信息密度及強(qiáng)度設(shè)計(jì)方案 Fig 5 Design scheme for parameter adjustment information density and strength 該設(shè)計(jì)解決方案實(shí)現(xiàn)了 反饋豐富性 與 干擾 控制性 的動(dòng)態(tài)平衡 在提升交互透明度的同時(shí)規(guī)避 系統(tǒng)復(fù)雜性過高帶來的使用負(fù)擔(dān) 增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng) 性和人因友好性 3 4 3 模塊化易維護(hù)性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性間的矛盾 矛盾介紹 模塊化易維護(hù)性源于用戶對(duì)設(shè)備快速 故障診斷及引導(dǎo)式維護(hù)的需求 尤其在作業(yè)強(qiáng)度較 高 環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)景中 能夠通過結(jié)構(gòu)模塊劃分提升 檢修效率 降低維護(hù)門檻 該功能通常要求將復(fù)雜結(jié) 構(gòu)劃分為若干可獨(dú)立拆卸 替換的單元模塊 便