基于形態(tài)轉(zhuǎn)化的模塊化電動(dòng)工具設(shè)計(jì)研究

劉曉東 錢峰 王文廣

關(guān)鍵詞：形態(tài)轉(zhuǎn)化;模塊化;電動(dòng)工具設(shè)計(jì)

電動(dòng)工具發(fā)展至今已經(jīng)趨于成熟，其在實(shí)用性與專業(yè)性上都達(dá)到較高的水平，在功能多樣化上也在不斷探索。隨著電動(dòng)工具向著多功能、低成本方向發(fā)展，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法急需不斷的迭代和更新，從而使新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)更好的滿足用戶需求。目前，電動(dòng)工具在模塊化與形態(tài)轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)上都有著新的嘗試，這些方法的提出都為功能多樣化提供了可能性。本文通過(guò)兩種設(shè)計(jì)方法結(jié)合的方式進(jìn)行嘗試，探究形態(tài)轉(zhuǎn)化與模塊化結(jié)合的可能性，尋求電動(dòng)工具多功能化設(shè)計(jì)的新方式。

1 形態(tài)轉(zhuǎn)化與模塊化概述

1.1 形態(tài)轉(zhuǎn)化概述

“形態(tài)轉(zhuǎn)換”（Trans-formation）是指系統(tǒng)為了執(zhí)行新功能或改變當(dāng)前的功能屬性值，自身“形態(tài)”改換的行為[1]。在自然界與人類生產(chǎn)生活中可以利用形態(tài)轉(zhuǎn)化改變自身特性以應(yīng)對(duì)不同情況。產(chǎn)品的功能與形態(tài)有著密切聯(lián)系，其形態(tài)優(yōu)劣決定了其對(duì)用戶需求的影響。一個(gè)事物具有同時(shí)存在的多形態(tài)，這類似于量子力學(xué)中的“態(tài)疊加原理”，即如果A1 和A2 都是體系的本征態(tài)，那么根據(jù)薛定諤方程可知C1A1 + C2A2 也是體系的本征態(tài)。通過(guò)該方程我們可以類比得到產(chǎn)品多種不同形態(tài)的疊加，也是產(chǎn)品的一種形態(tài)[2]。因此，在理論上任何客觀存在的事物都存在多重形態(tài)。形態(tài)轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)在于它不會(huì)破壞產(chǎn)品的完整性，其組件不會(huì)在數(shù)量上產(chǎn)生變化，亦不用準(zhǔn)備用于替換作用的功能模塊。但是，其形態(tài)在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中是連續(xù)的，部件之間不允許存在中斷的狀態(tài)。

1.2 模塊化概述

自20 世紀(jì)中期西方一些國(guó)家開(kāi)始提出“模塊化”的概念，起初致力于工程技術(shù)領(lǐng)域的模塊化設(shè)計(jì)在短短幾十年里就被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。模塊化在現(xiàn)代化中成為了廣泛的概念，成為在方法論上分析和解決復(fù)雜問(wèn)題的哲學(xué)性的新思考方法。從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，研究系統(tǒng)的構(gòu)成形式，用分解和組合的方法，建立模塊體系，并運(yùn)用模塊組合成系統(tǒng)的過(guò)程，即為模塊化[3]。從這個(gè)觀點(diǎn)看，系統(tǒng)由各種功能模塊組成，產(chǎn)品可作為系統(tǒng)中的模塊，也可作為模塊組成的系統(tǒng)。從這個(gè)意義上說(shuō)，在工業(yè)設(shè)計(jì)方面，可以為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)開(kāi)辟新的途徑。

2 電動(dòng)工具概述

電動(dòng)工具是一種由電磁旋轉(zhuǎn)式或往復(fù)式小容量電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)作業(yè)裝置工作頭進(jìn)行工作的手提式或移動(dòng)式的生產(chǎn)工具[4]。電動(dòng)工具種類繁多、功能多樣，因其具有方便攜帶、功能多樣、操作簡(jiǎn)易、效率高、強(qiáng)度低等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于高鐵建設(shè)、船舶制造、汽車工業(yè)、航天航空、木業(yè)加工、金屬加工等生產(chǎn)領(lǐng)域。

從德國(guó)FEIN 公司造出第一臺(tái)電動(dòng)工具起，電動(dòng)工具的發(fā)展經(jīng)歷了四代，在材料、電子技術(shù)、電池、及永磁材料等方面都在不斷更新，并在20 世紀(jì)80 至90 年代逐漸完善并大量發(fā)展。從電動(dòng)工具設(shè)計(jì)新態(tài)勢(shì)來(lái)看，國(guó)外對(duì)于DIY 級(jí)別的產(chǎn)品在功能上有了更多樣化的創(chuàng)新，國(guó)內(nèi)以小米為代表的企業(yè)打破了傳統(tǒng)電動(dòng)工具固有的造型，賦予其新鮮的造型血液。且國(guó)內(nèi)外各大企業(yè)都開(kāi)始嘗試將模塊化與形態(tài)轉(zhuǎn)化應(yīng)用到電動(dòng)工具的功能創(chuàng)新設(shè)計(jì)當(dāng)中。

3 基于形態(tài)轉(zhuǎn)化的模塊化電動(dòng)工具設(shè)計(jì)流程

3.1 形態(tài)分析與功能模塊分解

通過(guò)研究角磨機(jī)與手電鉆的形態(tài)從而確定其整體功能與各個(gè)功能模塊的功能。對(duì)行業(yè)代表性六個(gè)品牌的角磨機(jī)與手電鉆進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)出市面上最常見(jiàn)的角磨機(jī)形態(tài)，其形態(tài)區(qū)分在于有無(wú)副手柄，并且手柄作為一個(gè)單獨(dú)的功能模塊可以拆卸。電鉆均近似手槍的形態(tài)，并且觸發(fā)功能的方式均為扣動(dòng)扳機(jī)。可以對(duì)角磨機(jī)和手電鉆進(jìn)行整體功能和單獨(dú)功能模塊的分析。

直觀上看角磨機(jī)輸出軸和輸入軸呈90°夾角，因此其角磨片的軸線方向會(huì)垂直于機(jī)身的軸心線，這種形態(tài)能大程度提高手部對(duì)角磨機(jī)的控制，減少摩擦力引發(fā)的操作事故。但是與機(jī)身軸心方向垂直且與角磨片軸線方向垂直的摩擦力會(huì)因機(jī)身固有長(zhǎng)度而在手部放大，因此角磨機(jī)左側(cè)可以安裝一個(gè)該摩擦力方向的手柄，用來(lái)穩(wěn)定角磨機(jī)。將其拆分成各個(gè)功能模塊，可以分為三個(gè)大的模塊，分別為機(jī)身、機(jī)頭、手柄，分別對(duì)應(yīng)的是動(dòng)力輸出功能、打磨與拋光功能、固定功能。細(xì)分主要功能組件如下：開(kāi)關(guān)、主軸鎖、照明燈、掛繩、換擋開(kāi)關(guān)、保護(hù)罩等等。

手電鉆在整體上的造型和功能一目了然，其形態(tài)與手槍相似，承受的是電機(jī)軸心方向的力，實(shí)現(xiàn)的是鉆孔、拆裝螺絲等功能。手槍由虎口來(lái)承受開(kāi)槍帶來(lái)的后坐力，同時(shí)虎口起到了一個(gè)旋轉(zhuǎn)中心的作用，旋轉(zhuǎn)中心與后坐力方向不相交，槍口易產(chǎn)生上抬，需要除拇指與食指以外的手指來(lái)固定手柄以防止槍口上揚(yáng)。手電鉆使用時(shí)受到的反作用力與手槍后坐力方向一致，因此手電鉆的形態(tài)接近于手槍。將其拆分成大的功能模塊，可以分為機(jī)身和鉆頭，手柄雖然與機(jī)身是一體，但它具有單獨(dú)的功能。細(xì)分主要功能組件還有正反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)、可調(diào)速控制開(kāi)關(guān)、變速開(kāi)關(guān)、扭矩旋鈕等等。

3.2 形態(tài)轉(zhuǎn)化

結(jié)合對(duì)角磨機(jī)與手電鉆的形態(tài)分析與模塊分解，運(yùn)用形態(tài)簡(jiǎn)化的方法，對(duì)產(chǎn)品的形態(tài)采取直觀上的研究。列舉市面上具有代表性的六款角磨機(jī)和手電鉆，解除部分人機(jī)工程學(xué)對(duì)形態(tài)的約束，將其概括成幾何形態(tài)，見(jiàn)表1。

借此可以很直觀的看出它們?cè)谛螒B(tài)上的相似之處，如圖1 所示。依據(jù)形態(tài)轉(zhuǎn)化概念，設(shè)想角磨機(jī)的副手柄與手電鉆的主手柄相互融合，由一個(gè)手柄代替兩個(gè)手柄的功能。因此機(jī)身主體與手柄可以結(jié)合為整體作為形態(tài)轉(zhuǎn)化的主體對(duì)象進(jìn)行研究。

3.3 模塊化設(shè)計(jì)實(shí)施

根據(jù)已劃分的功能和形態(tài)轉(zhuǎn)化研究形成整體的功能模塊，可以確定主要模塊包含：A 機(jī)身與手柄的結(jié)合體、B 鉆頭、C 打磨機(jī)頭、D 加長(zhǎng)握把（新增模塊）、E 電池。具體功能劃分如圖2 所示。

依據(jù)形態(tài)轉(zhuǎn)化研究可知，A 的形態(tài)基本確定，從功能輸入輸出關(guān)系來(lái)看，A 為B 或C 提供動(dòng)力，E 為A 提供電能，D 為新增模塊，彌補(bǔ)A 在角磨機(jī)狀態(tài)下的漏洞，同時(shí)幾乎所有功能模塊都附著于A。

根據(jù)圖可知，A 對(duì)B、C 兩個(gè)部件是功能的輸出，A 對(duì)D、E是功能的輸入，各個(gè)功能模塊圍繞A 進(jìn)行發(fā)散。A 的基礎(chǔ)造型基本確定，B、C、D、E 要在形態(tài)上適應(yīng)A，其基礎(chǔ)造型要根據(jù)布局確定，可將A 定義為主動(dòng)型模塊，B、C、D、E 定義為被動(dòng)型模塊。根據(jù)功能分析和各部件之間關(guān)系，對(duì)5 個(gè)模塊進(jìn)行組合，形成數(shù)個(gè)組合方案，將其劃分為手電鉆和角磨機(jī)兩種形態(tài)進(jìn)行對(duì)比研究，如圖3 所示。

3.4 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)量表

針對(duì)這六種模塊化組合方式，對(duì)左側(cè)和右側(cè)兩種形態(tài)進(jìn)行組合，可以形成9 組形態(tài)轉(zhuǎn)化組合，分別為X1-Y1、X1-Y2、X1-Y3、X2-Y1、X2-Y2、X2-Y3、X3-Y1、X3-Y2、X3-Y3 采用五點(diǎn)量表法對(duì)重組后的造型在簡(jiǎn)易性、安全性和實(shí)用性上進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)權(quán)重打分的方式，設(shè)置5 分級(jí)量表，1 分為“微弱”，3 分為“一般”，5 分為“極強(qiáng)”，1—5 分滿足度正向依次遞增。向60 名典型用戶發(fā)放問(wèn)卷，受訪者包括低學(xué)歷使用電動(dòng)工具頻繁的與高學(xué)歷的能夠?qū)﹄妱?dòng)工具在工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)等方面做出評(píng)價(jià)的人群。收回有效問(wèn)卷54 份，其中男性34 人、女性20 人，年齡為21—52 歲。對(duì)收回的問(wèn)卷進(jìn)行處理，得出一組數(shù)據(jù)，如表2 所示。

經(jīng)過(guò)綜合評(píng)價(jià)，初步得出組合X1-Y3 綜合得分最高。在后期的創(chuàng)意迭代設(shè)計(jì)中會(huì)延續(xù)X1-Y3 的組合方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.5 設(shè)計(jì)方案實(shí)施

3.5.1 人機(jī)設(shè)計(jì)

依據(jù)上文研究所得到的數(shù)據(jù)，能夠得到一個(gè)概括的模型，其約束了人機(jī)設(shè)計(jì)的范圍，同時(shí)指引了其設(shè)計(jì)方向。通過(guò)觀察產(chǎn)品使用時(shí)與手密切接觸的部位，可以明確需要考慮人機(jī)設(shè)計(jì)的兩個(gè)部位：新增手柄和機(jī)身手柄。

手柄作為電動(dòng)工具中接觸最多的部位，在電動(dòng)工具的人機(jī)設(shè)計(jì)中起著重中之重的作用。據(jù)UKHSE 報(bào)道，平均每年超過(guò)25%的傷害是由把手造成的[5]。改善電動(dòng)工具對(duì)手部的傷害是手柄人機(jī)工程學(xué)研究的重點(diǎn)。針對(duì)手柄的人機(jī)設(shè)計(jì)，應(yīng)著重考慮形狀、傾斜角度與形態(tài)。

1） 手柄尺寸設(shè)計(jì)。其中在尺寸方面手柄跨度是研究手柄人機(jī)工程學(xué)的重要因素， 在早期研究中主流采用肌電圖（electromyogram，EMG）去測(cè)試握持電動(dòng)工具手柄時(shí)人手臂肌肉的活動(dòng)情況。不同電動(dòng)工具的手柄，功能形式不同，存在不同的最佳手柄跨度。已有研究表明，手槍式的手柄，一般最佳手柄跨度為5cm—6cm，直筒式的為4.06cm—6.10cm [6]。因此，在手柄跨度上控制在這個(gè)范圍內(nèi)最佳。

2） 手柄形狀與傾斜角度設(shè)計(jì)。雖然在電動(dòng)工具使用中，主要接觸部位為手指和手掌，但是手腕為主要受力部位。在虎口處設(shè)計(jì)凹槽，會(huì)將受力主體轉(zhuǎn)向虎口，從而保護(hù)手腕。在作業(yè)施力的過(guò)程中，尤其在高度作業(yè)時(shí)，大部分的力都集中在虎口上，避免了手指、手掌長(zhǎng)期受壓。并且在電動(dòng)工具設(shè)計(jì)中不會(huì)出現(xiàn)手指凹槽，人手的尺寸都不相同，會(huì)導(dǎo)致部分人群手指的不吻合，這樣會(huì)加大壓力和振動(dòng)帶來(lái)的危害。

傾斜角的設(shè)計(jì)要依附于關(guān)節(jié)連線角度，手柄的軸線方向應(yīng)與指關(guān)節(jié)連線方向大致平行，這樣才會(huì)形成最舒適的握姿。根據(jù)瑞典阿特拉斯· 科普柯公司出版的《當(dāng)代人體工程學(xué)的工具》中推薦的最佳角度通常為70°，如圖4 所示 [7]。

3.5.2 色彩設(shè)計(jì)

色彩本身并沒(méi)有情感，在自然界中色彩只是客觀存在著一種物理現(xiàn)象，其與物體本身能夠反射光的波長(zhǎng)有關(guān)。色彩所具有的情感來(lái)源于人們生活中的經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)促使形成色彩上的共感。這些感覺(jué)包括動(dòng)感、溫度感、重量感、硬度感、重量感、距離感等等。往往色彩的純度、明度、飽和度以及色相對(duì)這些感覺(jué)都有或多或少的影響，同時(shí)色彩共感對(duì)使用電動(dòng)工具時(shí)的心理狀態(tài)也有著微妙的影響。

不同人之間色彩共感也存在著微妙差異，針對(duì)色彩的飽和度、純度以及明度對(duì)于運(yùn)動(dòng)感、重量感、硬度感的影響進(jìn)行調(diào)研，對(duì)20—50 歲人群進(jìn)行調(diào)查，發(fā)放問(wèn)卷40 份，收回有效問(wèn)卷38 份，調(diào)研數(shù)據(jù)如圖5 所示。

電動(dòng)工具作為一種特殊的作業(yè)工具，其自身具有一些特定的屬性，包括危險(xiǎn)性、力量感、重量感、操作具有循環(huán)往復(fù)性等。因此在電動(dòng)工具色彩設(shè)計(jì)上可以根據(jù)這些特征進(jìn)行取舍。調(diào)查研究結(jié)果顯示，高飽和度、高純度以及高明度在視覺(jué)上更具運(yùn)動(dòng)感和硬度感，而重量感較差。色彩的硬度感可提供電動(dòng)工具視覺(jué)上的堅(jiān)固感，間接提升用戶的安全感;低重量感能夠降低用戶心理上的疲憊感;色彩的運(yùn)動(dòng)感是一種力量的體現(xiàn)，能夠降低用戶使用電動(dòng)工具時(shí)的松懈感，間接降低操作事故的發(fā)生概率。因此，在進(jìn)行電動(dòng)工具色彩設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)?shù)氖褂酶唢柡投?、高純度以及高明度的色彩?/p>

3.5.3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)意迭代

以確定的組合形式為基礎(chǔ)進(jìn)行外觀造型創(chuàng)意，由設(shè)計(jì)人員通過(guò)發(fā)散、匯聚及討論，獲得相應(yīng)的角磨機(jī)與手電鉆的雛形創(chuàng)意方案，如圖6 所示。設(shè)計(jì)人員依據(jù)這兩種電動(dòng)工具在人機(jī)工程學(xué)、色彩、尺寸上的要求以及實(shí)際操作中的穩(wěn)定性、作業(yè)效率等要求，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估篩選及迭代，獲得更明確的設(shè)計(jì)方案，最后進(jìn)行細(xì)致的草圖繪制，如圖7 所示。

設(shè)計(jì)人員繼續(xù)優(yōu)選創(chuàng)意方案并利用計(jì)算機(jī)輔助方法，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行二維平面設(shè)計(jì)方案的精細(xì)化表達(dá)及三維數(shù)據(jù)構(gòu)建，手電鉆與角磨機(jī)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)如圖8 所示。

4 結(jié)語(yǔ)

產(chǎn)品的功能是產(chǎn)品形態(tài)的依據(jù)，產(chǎn)品的形態(tài)要依附于功能而存在。在一個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)多種功能，必定會(huì)形成多重形態(tài)。利用形態(tài)轉(zhuǎn)化與模塊化結(jié)合的思路，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段實(shí)施形態(tài)轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行應(yīng)用探索，為電動(dòng)工具在功能多樣化設(shè)計(jì)上提供參考。電動(dòng)工具的發(fā)展方向以專業(yè)化為主，在功能的轉(zhuǎn)化與多功能化創(chuàng)新上有著巨大的空缺，電動(dòng)工具在多功能化方向上還存在廣闊的前景。