孫晟澤,趙旭

(1.吉林藝術學院，長春 130000；2.西安交通大學，西安 710000)

1 引言

人因工效學是根據(jù)人的心理、生理和身體結構等因素，研究人、機械、環(huán)境相互間的合理關系，以保證人們安全、健康、舒適地工作[1]。它關注人以及人與產(chǎn)品、系統(tǒng)、流程的交互，它追求目標之一就是人們某些期望價值。人因工效學需要以人的因素為中心，指導產(chǎn)品、系統(tǒng)、流程或者環(huán)境設計[2]。

在知識產(chǎn)權日益發(fā)展的前提下，專利權的逐步進入人們視野。在產(chǎn)品創(chuàng)新設計過程中，專利文獻查閱成為了必要手段，專利文獻數(shù)量日益增長，知識庫資源日益龐大[3]。通過查詢專利知識庫，可以對設計思路和方法所進行直接判斷，保證毫無頭緒創(chuàng)新研究和侵犯他人專利權益而給自身帶來損失[4]。

隨著中國市場對知識產(chǎn)權重視程度不斷提高，對知識產(chǎn)權架構建立和維護日益增強[5]。因此，中國企業(yè)在產(chǎn)品設計創(chuàng)新的過程中，應該充分挖掘企業(yè)自身專利，并進行維護和自主創(chuàng)新，創(chuàng)造自己的新專利。依照當前我國所處的專利現(xiàn)狀，專利組合設計是產(chǎn)品創(chuàng)新設計核心之一，開發(fā)專利組合，構建知識產(chǎn)權壁壘，對核心專利全面保障[6]。

本文的技術路線圖如圖1所示

圖1 技術路線圖

2 TRIZ方法簡介

TRIZ是創(chuàng)新方法典型代表[7]TRIZ是拉西文(Teoniya Resheniya IZobreatatelskikh Zadatch)的略寫，意思是“發(fā)明問題解決理論”。TRIZ創(chuàng)新方法的核心就是提取模型，將特殊問題轉換為一般模型，運用工具得到一般解，將一般解轉化為特殊問題領域解，得到解決方案[8]。

TRIZ是由前蘇聯(lián)發(fā)明家Genrich S.Altshuller與一批研究人員在1946-1985年間，通過分析世界各國近250萬份專利并綜合多學科領域原理和法則而建立起來的理論體系[9-10]。

3 產(chǎn)品專利查全率、查準率驗證

產(chǎn)品專利的查全率和查準率是基于專利數(shù)據(jù)信息反映專利檢索出樣本效果的重要指標。

(1)產(chǎn)品專利查全率驗證，是衡量專利檢索系統(tǒng)從集合中檢出專利是否全面的一項指標。

根據(jù)專利檢索系統(tǒng)軟件對目標產(chǎn)品進行關鍵詞“樂譜架”搜索得到全球共有1766件。專利數(shù)量較大，取全球近五年的565項專利作為研究對象，將其中前25%作為專利樣本約為141項，作為產(chǎn)品專利樣本集合S。

根據(jù)產(chǎn)品專利檢索系統(tǒng)中全球近五年(2013-2017)的申請主體專利數(shù)量匯總，經(jīng)過人工閱讀剔除無關的專利12項，作為驗證產(chǎn)品專利樣本的數(shù)量總和為55項，約為全球近五年的565項專利這一研究對象的10%。經(jīng)過人工篩選的相關專利集合設定為驗證集合P。

根據(jù)對樣本集合S和驗證樣本集合P人工閱讀對照發(fā)現(xiàn)，專利樣本查全率=P∩S/Sx100%=141∩55/55x100%=46/55x100%≈83.7%，專利查全率在80%～90%之間，說明專利樣本查全率達到標準。

(2)產(chǎn)品專利查準率驗證是衡量專利檢索系統(tǒng)從專利集合中檢出專利成功度指標。

滿足要求的產(chǎn)品專利樣本集合S人工閱讀后，與目標產(chǎn)品相關的專利數(shù)量為124件，即集合S1。專利樣本查準率=S1/S=124/141x100%≈87.9%，專利查準率在80%～90%之間，說明產(chǎn)品專利樣本查準率達到標準。

4 基于專利樣本的功能需求分析

表1 功能需求表

通過對專利樣本的三維度技術功效矩陣分析，將時間、技術、功效三者融合在一起，確定出三種功能需求，即基本功能需求、期望功能需求、意外功能需求，如表1所示。

5 基于人因工效學的功能設計

5.1 產(chǎn)品的視覺功能設計

5.1.1 角度調節(jié)

樂譜的譜臺設計時，以五線譜本為例，即為正常書籍，視距范圍大致為300 mm到350 mm，保證認讀速度和準確性。樂譜的譜臺設計時，根據(jù)視距范圍大致為300 mm到350 mm，選取垂直視野中人眼上下最大的轉動角向上25°向下30°，水平視野中人眼左右各5°至30°作為依據(jù)，譜本的打開長度和寬度分別為420 mm和300 mm。由此進行人眼水平面和垂直面的設計，如圖2、圖3所示。

圖2 人眼水平面設計

圖3 眼垂直面設計

人眼水平面的設計以雙目左右各30°的視野、雙目視距為70 mm、正常觀察視距350 mm為依據(jù)，由此可以得到A邊長度為350MM/2+350MM/2+70 mm=420 mm。剛好與樂譜本長度相一致，在正常書籍中都留有左右頁邊距，所以A邊長度滿足設計要求即420 mm。

人眼垂直面的設計以雙目上下轉動角度25°向下30°和常觀察視距300 mm至350 mm為依據(jù)，打開的譜本寬度為300 mm，只要在扇形A區(qū)域內(nèi)存在大于等于300 mm的兩點形成的直線，即為符合設計要求。視距、視野這三個角度出發(fā)，可以設計出一款進行角度調節(jié)又符合人眼感官特性參數(shù)標準譜臺。三維模型圖如圖4所示。

圖4 樂譜的譜臺面三維模型圖

5.1.2 亮度調節(jié)

樂譜的譜臺面采用雙面設計，一面設置保證太陽能供電的電池板，另一面為正常使用時的譜臺。根據(jù)打開譜本單行五線譜的長度，設置左右設置等長度的柔光燈源，使得樂譜的譜臺面呈現(xiàn)多段列式光源布局，而且燈源位置存在上下移動的滑軌和固定裝置，以滿足不同的需求。

感光控制開關為到達特定亮度時，形成閉合回路，太陽能電池進行供電使得柔光燈源發(fā)光，達到照明的目的。感光開關所所控制的光敏電阻與一個滑動變阻器串聯(lián)，可以調節(jié)滑動變阻器的滑片位置，改變特定亮度，從而滿足各種的需求方式。還有一個總開關是針對感光功能開啟與關閉。

5.1.3 防錯功能

設計出帶有防錯功能和提高認知過程的譜臺面。三維模型圖如圖5所示。

圖5 防錯功能三維模型圖

樂譜的譜臺面，一側設置滑軌，另一側設置滾輪，中間設置擋板將兩側連接，電機控制滑軌間隔移動，間隔時間可以根據(jù)樂譜的不同進行調節(jié)，實現(xiàn)擋板隨曲調進行移動。

5.2 產(chǎn)品的聽覺功能設計

5.2.1 節(jié)拍校對

人耳的聽覺系統(tǒng)各項特征，在節(jié)拍校對器的選擇上更傾向于電子節(jié)拍校對器，可以減弱聲音干擾；功能多樣，如調音、計時、時鐘等功能；成本費用相對低廉。

產(chǎn)品該項功能可以進行優(yōu)化設計，補充不同頻率的閃爍燈來實現(xiàn)不同種節(jié)拍功能，保留原有電子節(jié)拍器功能的前提下，可以大大的減弱聲音的干擾，實現(xiàn)節(jié)拍功能；此外還可以依據(jù)演奏者的熟練程度，增強或者減弱不同頻率的閃爍燈的光強度，免除學習者的依賴性，使得表演出于自然，進而提升演奏者的實力。

5.2.2 音樂治療

中國傳統(tǒng)音樂的五個音階，即宮、商、角、徵、羽，主要是利用這五種音階為主音建立了五種調式，與五行學說相對應，即宮屬土，商屬金，角屬木，徵屬火，羽屬水。五行學說中，肝屬木，心屬火，脾屬土，肺屬金，腎屬水?！端貑?陰陽應象大論》指出，怒傷肝；喜傷心；思傷脾；憂傷肺；恐傷腎。根據(jù)中國民族音樂的特點可以將樂曲分為五種情緒感受的表現(xiàn)形式，即釋放感、歡愉感、抒發(fā)感、傾訴感、振奮感，并分別與怒、喜、思、憂、恐對應。辨證施樂的原則主要是同氣相求和情志相勝。得到辯證施樂的對應表，如表2所示。

表2 辯證施樂的對應表

由此，在樂譜架上設置樂曲播放器，存儲上述五種類型樂曲，分別將五種樂曲類型對應五種按鈕，處于不同情緒感受時播放相應樂曲，緩解不同情緒感受，保持身心健康。

5.3 產(chǎn)品的站姿/坐姿功能設計

5.3.1 高度調節(jié)

高度調節(jié)設計與人體站姿尺寸參數(shù)的眼高、肩高和頭部偏轉角存在特定聯(lián)系，人體立正時，頭部偏轉角α=0°自然視線與水平線夾角β=15°；人體放松站立時，頭部偏轉角α=15°自然視線與水平線夾角β=30°，如圖6、圖7所示。

圖6 人體立姿示意圖

圖7 立姿狀態(tài)示意圖

樂譜架使用時主要是參照人體尺寸參數(shù)的眼高和有關頭部偏轉肩高這兩項人體尺寸參數(shù)。將人體眼部和肩部看作指點可以繪制出人體質點簡圖，人體在站立放松時會以肩部所在軸為圓點，以眼高和肩高高度差R為半徑進行偏轉，所以以實際眼高B=肩高+cos15°×(眼高-肩高)，如圖8所示。

圖8 人體眼部、肩部質點簡圖

同時，參照GB/T10000-199《中國成年人人體尺寸》，按照男女性別分別繪制男子眼高、肩高、立姿實際眼高參數(shù)數(shù)據(jù)表和女子眼高、肩高、立姿實際眼高參數(shù)數(shù)據(jù)表，如表3、表4所示。(cos15°≈0.966)

表3 男子眼高、肩高、立姿實際眼高參數(shù)數(shù)據(jù)表(單位：mm)

表4 女子眼高、肩高、立姿實際眼高參數(shù)數(shù)據(jù)表(單位：mm)

根據(jù)實際立姿眼高和人眼閱讀正常視距(300 mm-350 mmm)進行樂譜架的高度設計，譜架高度簡圖如圖9所示，譜架高度C=實際眼高B-sin15°×正常視距。

根據(jù)取中原則，正常視距為325 mm，譜架高度匯總表如表5、表6所示。

圖9 譜架高度簡圖

表5 譜架高度數(shù)據(jù)表(男子) (單位：mm)

表6 譜架高度數(shù)據(jù)表(女子) (單位：mm)

譜架的高度調節(jié)設計采用棘輪機構進行調節(jié)，利用齒條的間距保證較小高度的變化，保證相應的視野高度，譜架高度設計的三維模型圖如圖10所示。

圖10 譜架高度設計的三維模型圖

利用目視化管理，在齒條兩側分別作出刻度標簽，以便針對不同人群進行相應調節(jié)高度，(以男子18-60歲為例子)齒距間隙標簽簡圖如圖11所示。

圖11 齒距間隙標簽簡圖

5.3.2 站/坐姿勢轉換

坐姿舒適和維持主要與頸椎、腰椎、坐深、小腿(含足高)有關，而站姿舒適和維持主要與頸椎和腰椎有關。坐站姿勢交替設計中，滿足坐姿四個參數(shù)，在站姿狀態(tài)時，可以進行調節(jié)移動即可。參照GB/T10000-199《中國成年人人體尺寸》，按照男女性別分別進行頸椎點、腰椎點、坐深、小腿(含足高)數(shù)據(jù)收集，腰椎點可以選擇臍高作為數(shù)據(jù)收集點，查閱資料發(fā)現(xiàn)臍高=0.6H(H為人體身高)。

坐站姿勢轉換的設計，采用頸部、腰部、腿部板塊分離設計，如圖12所示，頸部板塊設置凸起，以保證舒適度和姿勢維持；利用目視化方法左右側滑軌上分別標出男子和女子不同年齡的對應的頸部高度，同時帶有鎖緊和松緊裝置。腰部板塊設置凸起，以保證舒適度和姿勢維持；利用目視化方法左右側滑軌上分別標出男子和女子不同年齡的對應的腰部高度，帶有鎖緊和松緊裝置。如圖13所示。

圖12 頸部板塊

圖13 腰部板塊

站姿時，腿部板塊與頸部板塊、腰部板塊處于同一水平面，以維持站姿穩(wěn)定。坐姿時，腿部板塊安裝折疊支架，保證坐姿穩(wěn)定。腿部板塊和頸部板塊、腰部板塊一樣，可在滑軌上移動，折疊支架為伸縮桿，兩者共同滿足小腿數(shù)據(jù)參數(shù)。如圖14所示。

圖14 腿部板塊

另外，腿部板塊設置多節(jié)長條可折疊，以保證人體的坐深數(shù)據(jù)參數(shù)，具體形態(tài)結構如圖15所示。坐站姿勢轉換總體三維模型圖如圖16所示。

圖15 腿部板塊平面圖

圖16 總體三維模型圖

5.4 產(chǎn)品的翻頁功能設計

為了解放雙手翻頁，防止演奏中斷和間歇而導致的演奏事故，翻頁功能的實現(xiàn)可以利用電動摩擦滾動裝置翻頁，上下兩個電機帶動摩擦軸進行移動，根據(jù)接觸點壓力傳感器進行壓力調節(jié)實現(xiàn)翻頁的功能，如圖17所示。

圖17 電動摩擦滾動翻頁裝置

6 功能優(yōu)化組合設計及專利布局

TRIZ創(chuàng)新方法理論主要在技術創(chuàng)新領域得到廣泛應用。TRIZ理論與功能優(yōu)化組合設計融合流程圖如圖18所示。

圖18 TRIZ理論與功能優(yōu)化組合設計融合流程圖

6.1 視覺功能的優(yōu)化設計

6.1.1 角度調節(jié)

視覺功能的角度調節(jié)裝置如圖19所示，此結構可以實現(xiàn)樂譜的譜臺面角度調節(jié)的功能。然而，形狀外觀需要進行優(yōu)化設計使得惡化該結構的靜止時總體積，由此產(chǎn)生一對技術矛盾。

圖19 視覺功能的角度調節(jié)裝置

對技術矛盾進行解決：

結合發(fā)明原理形成方案：應用原理14曲面化，將曲柄滑塊機構設置為半弧形機構，應用原理7嵌套原理，設置半弧形機構采用棘輪機構進行嵌套，如圖20所示。

圖20 角度調節(jié)優(yōu)化裝置簡圖

6.1.2 亮度調節(jié)

視覺功能的亮度調節(jié)裝置如圖21所示，此結構可以實現(xiàn)樂譜的譜臺面亮度調節(jié)功能。演奏時樂譜本符號識別只需要局部亮度，原來的設計中整體亮度會產(chǎn)生資源浪費。由此，就產(chǎn)生功能類物理矛盾——強與弱。

圖21 視覺功能的亮度調節(jié)裝置

對物理矛盾進行解決：

依據(jù)發(fā)明原理，將增加控制器設置周期性動態(tài)指令，使得部分LED光源隨時間的變化進行動態(tài)性亮度轉換，演奏者可以進行樂譜識別的基礎上實現(xiàn)節(jié)約能源。

6.1.3 防錯功能

視覺功能的防錯功能裝置如圖22所示，此結構可以實現(xiàn)防錯功能。然而，兩側的擋板是共同運動的，實則僅需一側擋板移動另一側不需要進行移動。由此，就產(chǎn)生功能類物理矛盾——運動與靜止。

圖22 視覺功能的防錯功能裝置

對物理矛盾進行解決：

依據(jù)發(fā)明原理，可以將左右兩個擋板進行合并用皮帶輪連接，并利用逆向原理一側在頂端時，另一側在底端，皮帶輪旋轉進而帶動兩側板塊進行周期性上下往復運動，利用曲面化的方式將兩側板塊采用柔性塑料板制成，使得可以通過皮帶輪轉彎處。三維模型圖如圖23所示。

圖23 防錯功能優(yōu)化裝置簡圖

6.2 站座姿勢功能優(yōu)化設計

站座姿勢轉換的功能主要起人體的輔助支撐作用，所以只進行高度調節(jié)的優(yōu)化設計。高度調節(jié)裝置如圖24所示，此結構可以實現(xiàn)樂譜的譜臺面高度調節(jié)的功能。演奏時樂譜架特定高度，需要高度調節(jié)桿較高；然而，非演奏時樂譜架需要進行存放，需要高度調節(jié)桿較低。由此，就產(chǎn)生集合類物理矛盾——長與短。

圖24 高度調節(jié)裝置

對物理矛盾進行解決：

依據(jù)發(fā)明原理，可以采用分割支架并利用嵌套的方式，實現(xiàn)高度調節(jié)，便于儲存整理。如圖25所示。

圖25 高度調節(jié)優(yōu)化裝置簡圖

6.3 翻頁功能的優(yōu)化設計

腳踏式摩擦翻頁裝置在翻頁中，存在一定的作用不足，有時不能實現(xiàn)翻頁。為了解決該問題，可以進行物質-場分析，即紙張為S1，摩擦輪為S2，重力場G，存在完整的物-場模型，其中S2對S1存在作用不足。

得到最終的解決方案：

鐵磁材料通過粘合劑附著在紙張上，實現(xiàn)電磁場引導鐵磁材料和紙張進行翻頁。上部、下部局部鐵磁材料代替整塊的材料，設置隔頁的鐵磁材料上下分布放置。鐵磁材料在紙張的上部時，下一頁鐵磁材料在紙張下部與電磁鐵相互吸引，實現(xiàn)只翻一頁的效果；當鐵磁材料在紙張的下部時，下一頁的鐵磁材料在紙張上部與另一電磁鐵相互吸引，實現(xiàn)只翻一頁效果。模型圖如圖26所示。

圖26 翻頁功能優(yōu)化裝置簡圖

6.4 產(chǎn)品功能的組合設計

將優(yōu)化設計后的視覺功能設計、站/坐姿勢功能設計以及翻頁功能的優(yōu)化設計與原有的聽覺功能設計和姿勢轉換設計進行結合，三維模型如圖27所示。

圖27 總體三維模型圖

6.5 關鍵核心技術的專利布局設計

樂譜架的專利布局技術基于以下幾個步驟進行展開，如圖28所示。

圖28 專利布局流程圖

防錯和音樂治療功能進行儲備式布局，如圖29所示。角度調節(jié)和翻頁功能進行保護式和對抗式布局，如圖30、31所示。

圖29 儲備式布局模式圖

圖30 保護式布局模式圖

圖31 對抗式布局模式圖

7 討論

針對樂譜架關于視覺功能設計，充分考慮了視距和人眼轉動角，設計出一款進行角度調節(jié)又符合人眼感官特性參數(shù)標準譜臺；充分考慮了演奏者處于不同環(huán)境的亮度，從設計出具有感光控制的多段列式光源布局；同時為了防止演奏時的錯誤，特別設置的隨演奏進行的可移動擋板。

針對樂譜架關于聽覺功能設計，設置相應的節(jié)拍校對器，使得初學者能夠更適于練習；隨著熟練度的增加，該功能可以逐步以不同頻率的燈光進行替換；充分考慮演奏者的情緒變化，以五音、五行、五志為載體，辨證施樂，到達音樂治療的目的。

針對樂譜架關于站姿/坐姿功能設計，在高度調節(jié)方面，充分考慮動態(tài)變化的人體尺寸參數(shù)來設計棘輪機構齒距來實現(xiàn)功能；在站/坐姿勢轉換方面，以滿足人體頸椎、腰椎、坐深、小腿(含足高)參數(shù)來保證舒適度設計了頸部和腰部凸起板塊以及腿部折疊板塊。

為了解放雙手翻頁，降低疲勞和演奏中斷間歇，特別設置了摩擦式自動翻頁裝置。

同時運用TRIZ創(chuàng)新方法理論，對視覺功能的角度調節(jié)、亮度調節(jié)、防錯功能和站座姿勢功能以及翻頁功能進行了創(chuàng)新設計，使得產(chǎn)品更具備創(chuàng)新性和實用性。

在設計過程中，防錯功能和音樂治療屬于創(chuàng)新程度高且屬于空白點功能可以采用儲備式布局方式申請知識產(chǎn)權保護；角度調節(jié)的創(chuàng)新程度較高且屬于基本熱度功能的技術點可以采用保護式布局方式申請知識產(chǎn)權保護；翻頁功能創(chuàng)新程度高且屬于研究熱點的功能可以采用對抗式的布局方式。

8 結論

在特定技術領域以專利策略為導向符合人因環(huán)節(jié)技術要求系統(tǒng)流程化產(chǎn)品創(chuàng)新設計的普適性方法，歸結為以下幾個步驟：

(1)根據(jù)專利檢索系統(tǒng)得到產(chǎn)品專利的數(shù)據(jù)樣本并驗證有效性：

(2)依據(jù)數(shù)據(jù)樣本進行三維度技術功效分析得到各類需求功能；

(3)將功能需求結合人因設計環(huán)節(jié)的標準參數(shù)進行合理化設計；

(4)運用TRIZ創(chuàng)新方法理論進行創(chuàng)新優(yōu)化設計和功能組合設計；

(5)結合專利相關知識對關鍵核心技術進行專利分類布局設計。