張騰騰 程文婷

摘要：為規(guī)范巡檢類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，提升最終設(shè)計(jì)的用戶(hù)滿(mǎn)意度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分布合理、造型美觀、使用人性化等目標(biāo)，文章基于對(duì)巡檢機(jī)器人全周期設(shè)計(jì)流程的系統(tǒng)分析，提出了一種將KANO模型、QFD（質(zhì)量屋）與TRIZ相關(guān)理論融合的全周期設(shè)計(jì)流程模型。首先進(jìn)行KANO問(wèn)卷分析，得到提高巡檢效率的用戶(hù)需求及重要度排序，以此確定QFD的關(guān)鍵需求要素，然后利用質(zhì)量屋對(duì)巡檢機(jī)器人的質(zhì)量特性進(jìn)行映射，并對(duì)質(zhì)量屋的用戶(hù)需求與質(zhì)量特性關(guān)系進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，確定重點(diǎn)設(shè)計(jì)要素。其次劃分重點(diǎn)設(shè)計(jì)要素的矛盾矩陣，借助40條發(fā)明原理、技術(shù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)等，優(yōu)化得出最終的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。文章集成KANO和QFD理論，有效彌補(bǔ)了用戶(hù)需求分析過(guò)于依賴(lài)感性的局限，并結(jié)合TRIZ理論縮短了解決巡檢機(jī)器人矛盾的時(shí)間。應(yīng)用結(jié)果表明，這種集成方法能有效指導(dǎo)巡檢類(lèi)機(jī)器產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：KANO；QFD；TRIZ；巡檢機(jī)器人；全周期設(shè)計(jì)流程

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242；TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）09-00-03

隨著數(shù)字技術(shù)和人工智能的不斷發(fā)展，巡檢類(lèi)機(jī)器人在變電站的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越廣泛。在巡檢強(qiáng)度大的變電站，利用好現(xiàn)有巡檢機(jī)器人，為傳統(tǒng)人工巡檢減負(fù)增效，為電網(wǎng)巡檢人員及時(shí)獲取設(shè)備狀態(tài)提供準(zhǔn)確依據(jù)，對(duì)大幅減少供電事故方面具有重要意義［1］。但目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的大部分巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)主要以功能為導(dǎo)向，從結(jié)構(gòu)堆疊入手，未充分考慮巡檢機(jī)器人適應(yīng)巡檢環(huán)境的潛在需求及行駛路況的復(fù)雜性和多元性［2］，同時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)環(huán)境感知器的干涉方面缺乏突破性的創(chuàng)新方案［3］。因此，如何從產(chǎn)品創(chuàng)新方法層面解決前述諸多問(wèn)題及在設(shè)計(jì)過(guò)程中過(guò)于依賴(lài)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的問(wèn)題，提高巡檢機(jī)器人的巡檢效率和用戶(hù)滿(mǎn)意度，值得進(jìn)一步思考。

1 KANO、QFD、TRIZ的集成設(shè)計(jì)方法

基于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程的規(guī)范研究，學(xué)術(shù)界已有一定的成果。石元伍等利用KANO模型獲悉了醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的關(guān)鍵用戶(hù)需求及重要度，并在用戶(hù)需求與質(zhì)量特性矩陣分析上進(jìn)行了成功的實(shí)踐，提出了運(yùn)用KANO理論能夠較好地解決QFD中顧客需求滿(mǎn)意評(píng)價(jià)信息不準(zhǔn)確、不確定的問(wèn)題［4］。劉宗明等利用KANO問(wèn)卷分析，獲取了較為準(zhǔn)確的兒童家具輕設(shè)計(jì)用戶(hù)需求，并基于TRIZ矛盾解決方法研究了兒童家具輕設(shè)計(jì)的矛盾沖突，建立了創(chuàng)新功能模型，得到了創(chuàng)新的兒童輕設(shè)計(jì)方法［5］。張彩麗等研究了TRIZ和QFD的集成模式，得到了確定及解決問(wèn)題的創(chuàng)新設(shè)計(jì)新思路［6］。但總體上缺乏對(duì)全周期設(shè)計(jì)流程的探討與實(shí)踐，單一使用某種理論或集成其中兩種理論，較少兼顧產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整體流程，在獲取關(guān)鍵需求和定義上會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。

QFD作為用戶(hù)需求與質(zhì)量特性關(guān)系矩陣的分析方法，能夠較為理想地分析出設(shè)計(jì)重點(diǎn)要素，但在用戶(hù)需求獲取上缺乏客觀性和準(zhǔn)確性，輸出的設(shè)計(jì)重點(diǎn)要素也不具有解決矛盾的有效方法，因此，還需引入用戶(hù)需求和設(shè)計(jì)矛盾解決方法。本研究引入TRIZ矛盾解決理論，可以較為理想地解決前述設(shè)計(jì)重點(diǎn)要素的矛盾，而引入的KANO模型則可以解決QFD中關(guān)鍵用戶(hù)需求及其重要度數(shù)據(jù)，對(duì)用戶(hù)核心需求的判斷及后期設(shè)計(jì)決策具有重要意義。

本研究綜合運(yùn)用KANO-QFD-TRIZ集成方法。首先利用KANO模型確定關(guān)鍵用戶(hù)需求及重要度，其次借助QFD方法將用戶(hù)需求映射為質(zhì)量特性，結(jié)合用戶(hù)需求與質(zhì)量特性矩陣的分析，輸出其設(shè)計(jì)重點(diǎn)要素及矛盾問(wèn)題，最后利用TRIZ矛盾解決理論，深入分析其設(shè)計(jì)重點(diǎn)要素之間的矛盾沖突，通過(guò)40條發(fā)明原理、技術(shù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)等優(yōu)化得出最終設(shè)計(jì)方案。

2 基于KANO、QFD、TRIZ的巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 量化KANO獲取用戶(hù)需求重要度

本研究以變電站場(chǎng)景下的巡檢機(jī)器人為例，闡述基于KANO-QFD-TRIZ集成理論對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過(guò)程。用戶(hù)需求要素的提取是KANO問(wèn)卷調(diào)查的關(guān)鍵步驟，對(duì)目標(biāo)用戶(hù)真實(shí)需求的反映，將直接影響KANO數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。本研究選取某變電站15名有豐富經(jīng)驗(yàn)的巡檢運(yùn)維老員工進(jìn)行需求訪(fǎng)談，根據(jù)主要性能、輔助性能、操作性需求和經(jīng)濟(jì)性需求進(jìn)行分類(lèi)，并對(duì)巡檢機(jī)器人的用戶(hù)需求進(jìn)行收集和整理分析。

根據(jù)前述確定的用戶(hù)需求開(kāi)展KANO問(wèn)卷調(diào)研，本次調(diào)查以某大型變電站的運(yùn)維人員及維修人員為主要對(duì)象，發(fā)放問(wèn)卷共計(jì)100份，回收有效問(wèn)卷96份，問(wèn)卷有效率為96%。問(wèn)卷從主要性能、操作性、可靠性這三個(gè)方面設(shè)置了14個(gè)需求指標(biāo)。KANO問(wèn)卷設(shè)置為正反兩個(gè)問(wèn)題。正向?yàn)椋喝绻麧M(mǎn)足某需求，你感覺(jué)如何？反向?yàn)椋喝绻麤](méi)滿(mǎn)足某需求，你感覺(jué)如何？受訪(fǎng)者分別從正反兩個(gè)問(wèn)題選擇5項(xiàng)滿(mǎn)意度的任意一項(xiàng)，這5項(xiàng)的滿(mǎn)意度分別為很滿(mǎn)意、理應(yīng)如此、無(wú)所謂、不滿(mǎn)意和很不滿(mǎn)意。然后統(tǒng)計(jì)分析KANO調(diào)查問(wèn)卷的結(jié)果，計(jì)算出平均滿(mǎn)意度得分和不滿(mǎn)意度得分。常見(jiàn)的需求分類(lèi)是將滿(mǎn)意度之間的關(guān)系與質(zhì)量特性直接進(jìn)行對(duì)應(yīng)劃分，屬于簡(jiǎn)單的二維屬性歸類(lèi)方式，當(dāng)需求要素的正反兩項(xiàng)數(shù)值接近時(shí)，容易誤判屬性分類(lèi)。為提高需求重要度的準(zhǔn)確性，根據(jù)KANO模型的定量參數(shù)公式計(jì)算出需求的重要程度，該定量參數(shù)公式可由某項(xiàng)需求的平均用戶(hù)滿(mǎn)意度和平均不滿(mǎn)意度的平方表示。

通過(guò)KANO的分析結(jié)果，利用Better-Worse坐標(biāo)（滿(mǎn)足該需求時(shí)的平均用戶(hù)滿(mǎn)意度得分，未滿(mǎn)足該需求時(shí)的平均用戶(hù)滿(mǎn)意度得分）系數(shù)來(lái)劃分各個(gè)需求的屬性區(qū)間：當(dāng)Better＞2時(shí)，Worse＜2為必備因素；當(dāng)Better＞2時(shí)，Worse＞2為期望因素；當(dāng)Better＜2時(shí)，Worse＞2為魅力因素；當(dāng)Better＜2時(shí)，Worse＜2為無(wú)差異因素。根據(jù)巡檢機(jī)器人的Better-Worse坐標(biāo)可知，巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)首先滿(mǎn)足因素可以實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境、可以輸出表盤(pán)等檢查日志、遇到異常信號(hào)能夠報(bào)警、具有較強(qiáng)的耐臟耐磨性能、安裝方便快捷且成本不能太昂貴，其次滿(mǎn)足因素適用室內(nèi)和室外路況、能區(qū)分異常信號(hào)的源頭和維修起來(lái)方便快捷，最后滿(mǎn)足因素機(jī)器人可以定期自檢報(bào)修、感知器不能受驅(qū)動(dòng)底盤(pán)影響、可以更換組件升級(jí)和維護(hù)費(fèi)用低。而對(duì)無(wú)差異因素具備改裝的后續(xù)潛力來(lái)說(shuō)，并不會(huì)影響用戶(hù)滿(mǎn)意度，可將具備改裝的后續(xù)潛力因素刪除。

2.2 基于KANO-QFD模型的質(zhì)量特性映射分析

本研究以量化KANO得到的用戶(hù)需求要素為基礎(chǔ)，通過(guò)QFD拓展巡檢機(jī)器人的功能特性，從而構(gòu)建需求要素與功能要求的質(zhì)量屋，以此得到功能要求權(quán)重及巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)重點(diǎn)?；诹炕疜ANO提取的巡檢機(jī)器人需求要素，對(duì)功能要求進(jìn)行映射與拓展，旨在提升功能設(shè)計(jì)要求的合理性與轉(zhuǎn)化質(zhì)量。首先將一級(jí)用戶(hù)需求要素映射為質(zhì)量二級(jí)特征，然后拓展二級(jí)用戶(hù)需求，并結(jié)合質(zhì)量二級(jí)特征的類(lèi)別劃分得到質(zhì)量三級(jí)特征。利用映射關(guān)系進(jìn)行可視化拓展，可得出對(duì)應(yīng)的質(zhì)量特性。

質(zhì)量屋是確定用戶(hù)需求與功能特性關(guān)系的圖示方法，能夠較為直觀地展示功能需求對(duì)相應(yīng)用戶(hù)需求的貢獻(xiàn)和影響程度。質(zhì)量屋的天花板采用巡檢機(jī)器人功能要求要素，左墻采用用戶(hù)需求要素。質(zhì)量屋由6名資深巡檢人員評(píng)分，將用戶(hù)需求與功能要求的相關(guān)程度表示為強(qiáng)相關(guān)、中等相關(guān)、弱相關(guān)和無(wú)相關(guān)，分別記為5分、3分、1分和0分。依次計(jì)算二級(jí)功能要求的絕對(duì)權(quán)重，并分析用戶(hù)需求重要度與功能要求關(guān)系指標(biāo)，最終獲得影響用戶(hù)滿(mǎn)意度的關(guān)鍵工程特性及重點(diǎn)設(shè)計(jì)要素。根據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)可知，圖像采集、造型簡(jiǎn)潔醒目、獨(dú)立的感知器布局、感應(yīng)器模塊化、伸縮與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)都是有較高權(quán)重的功能要求，這些功能要求將是巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。

從質(zhì)量屋的用戶(hù)需求與功能要求關(guān)系矩陣可以看出，在巡檢機(jī)器人快速行駛的要求下，既要滿(mǎn)足輪式移動(dòng)又要滿(mǎn)足履帶移動(dòng)以適應(yīng)復(fù)雜的巡檢路況，是底盤(pán)結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)重點(diǎn)；攝像云臺(tái)的伸縮與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)可自鎖、維修與保養(yǎng)時(shí)的結(jié)構(gòu)可拆卸性，是伸縮機(jī)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)重點(diǎn)；感應(yīng)器模塊化、獨(dú)立的感知器布局、多感應(yīng)器的整合是多維感知應(yīng)用的設(shè)計(jì)重點(diǎn)；圖像采集、報(bào)警組件及無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)是攝像云臺(tái)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)；有效降低風(fēng)阻的流線(xiàn)型造型、零部件的模塊化設(shè)計(jì)和材料工藝合理是整體外觀的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

2.3 TRIZ矛盾沖突分析及問(wèn)題解決

根據(jù)巡檢機(jī)器人質(zhì)量屋的功能要求展開(kāi)表，對(duì)各個(gè)功能要求進(jìn)行兩兩相關(guān)性分析，以此構(gòu)建成質(zhì)量屋的屋頂。根據(jù)前述分析結(jié)果可以看出，巡檢機(jī)器人的質(zhì)量特性要素主要存在6對(duì)技術(shù)沖突和2對(duì)物理沖突，并用“—”來(lái)表示兩兩要素間的矛盾沖突。輪式移動(dòng)不適用于復(fù)雜的室外巡檢路況，而越障性能強(qiáng)的履帶移動(dòng)又不能滿(mǎn)足快速行駛需求，因此認(rèn)為快速行駛—復(fù)雜路況、快速行駛—履帶移動(dòng)、輪式移動(dòng)—履帶移動(dòng)為負(fù)沖突。報(bào)警組件與無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)加載到攝像云臺(tái)上，會(huì)增加伸縮機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)和能耗，因此認(rèn)為伸縮與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)—報(bào)警組件、伸縮與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)—無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)為負(fù)沖突。

通過(guò)TRIZ的矛盾解決方法及40條推薦發(fā)明原理，深入分析前述設(shè)計(jì)重點(diǎn)元素的矛盾沖突，列出問(wèn)題并求解［7］。對(duì)巡檢機(jī)器人快速行駛—復(fù)雜路況、快速行駛—履帶移動(dòng)、履帶移動(dòng)—輪式移動(dòng)這3對(duì)底盤(pán)功能的矛盾沖突，根據(jù)TRIZ分離發(fā)明原理，通過(guò)將輪、履分成可拆卸的獨(dú)立部分，預(yù)先設(shè)定巡檢路況，并選擇相應(yīng)的移動(dòng)方式，獲得最佳的巡檢行駛方式。針對(duì)攝像云臺(tái)部分的報(bào)警組件—伸縮與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)—伸縮與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)這2對(duì)矛盾，根據(jù)TRIZ拆出發(fā)明原理，將攝像云臺(tái)的報(bào)警組件和無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)拆分出去，使伸縮機(jī)構(gòu)達(dá)到最佳工作狀態(tài)。針對(duì)環(huán)境感知器—結(jié)構(gòu)整合這對(duì)物理矛盾沖突，根據(jù)TRIZ分離發(fā)明原理，將環(huán)境感知器組件從底盤(pán)結(jié)構(gòu)中獨(dú)立出來(lái)，配置在攝像云臺(tái)附近并伴隨其伸縮或旋轉(zhuǎn)作業(yè)，以避免受驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)干涉，并保證巡檢數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過(guò)TRIZ矛盾沖突發(fā)明原理分析與推理，得到以下創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)方案。

第一，根據(jù)巡檢機(jī)器人底盤(pán)功能的沖突，提出一種輪履可切換的底盤(pán)設(shè)計(jì)方案。在變電站室內(nèi)路況下，切換為行駛速度較快的輪式方案；在惡劣天氣、經(jīng)過(guò)臺(tái)階、電阻軟石層等復(fù)雜室外巡檢環(huán)境下，切換為越障能力強(qiáng)的履帶方案，履帶采用分體式三角履帶，具有靈活性好、越障速度快等優(yōu)勢(shì)。

第二，根據(jù)環(huán)境感知器與底盤(pán)結(jié)構(gòu)整合的沖突，提出一種多維感知倉(cāng)獨(dú)立分布概念設(shè)計(jì)方案。為避免受底盤(pán)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在工作時(shí)產(chǎn)生噪聲、發(fā)熱等干涉因素影響，對(duì)底盤(pán)功能進(jìn)行拆分重組，將多維感知倉(cāng)移到伸縮機(jī)構(gòu)頂部，并隨著攝像云臺(tái)共同進(jìn)行伸縮及旋轉(zhuǎn)工作，感知器采用相互獨(dú)立的置放布局，便于感知器的模塊化自定義。

3 結(jié)語(yǔ)

為解決設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)巡檢類(lèi)產(chǎn)品時(shí)無(wú)法規(guī)范設(shè)計(jì)流程的問(wèn)題，避免在設(shè)計(jì)流程中過(guò)于依賴(lài)感性分析，本研究提出了KANO、QFD與TRIZ理論相融合的全周期設(shè)計(jì)流程，以變電站巡檢機(jī)器人為例進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法能提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，并應(yīng)用于巡檢類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)范中。

文章基于KANO模型獲得影響用戶(hù)滿(mǎn)意度的關(guān)鍵需求及重要度排序，彌補(bǔ)了質(zhì)量屋在用戶(hù)需求提取方面的局限。借助對(duì)用戶(hù)需求與質(zhì)量特性關(guān)系矩陣的分析，獲得設(shè)計(jì)重點(diǎn)要素與矛盾種類(lèi)，最后利用TRIZ矛盾解決理論，深入分析設(shè)計(jì)重點(diǎn)要素之間的矛盾沖突，通過(guò)40條發(fā)明原理、技術(shù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)等優(yōu)化得出最終設(shè)計(jì)方案。精簡(jiǎn)了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程規(guī)范，可以為巡檢類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提供新思路及理論支持，從而幫助設(shè)計(jì)人員更高效地抓取設(shè)計(jì)重點(diǎn)，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)過(guò)程。

文章亦存在不足，對(duì)續(xù)航能力及人機(jī)交互方式的研究，還需在今后進(jìn)一步探索與完善。

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作者簡(jiǎn)介：張騰騰（1995—），男，江蘇徐州人，碩士在讀，系本文通訊作者，研究方向：產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

程文婷（1984—），女，江西南昌人，博士，副教授，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與理論。