基于FBS-TRIZ模型的蔬果采摘機器人設(shè)計研究.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 模型的蔬果采摘機器人設(shè)計研究 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 為解決采摘機器人產(chǎn)業(yè)化進程中 功能實現(xiàn)與用戶體驗脫節(jié) 的問題 旨在構(gòu)建一套以用 戶體驗為導(dǎo)向的功能識別與優(yōu)化路徑 提升人機裝備交互系統(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)有文獻中提煉蔬果采摘機器人核心功能 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)計矛盾生成 創(chuàng)新設(shè)計方案提供理論指導(dǎo) 結(jié)果 通過結(jié)合典型用戶場景下的主觀評估 引入 JACK 人體工效仿真工 具對關(guān)鍵交互動作進行模擬分析 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導(dǎo)向功能識別與設(shè)計優(yōu)化路徑 強化了功能邏輯與體 驗感知的協(xié)同 FBS TRIZ 融合策略為解決蔬果采摘機器人產(chǎn)業(yè)化進程中的用戶體驗瓶頸提供了規(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 蔬果采摘機器人 用戶體驗 FBS TRIZ 融合模型 中圖分類號 TB472 文獻標(biāo)志碼 A 文章編號 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與勞動力短 缺的結(jié)構(gòu)性矛盾 在智慧農(nóng)業(yè)背景下 推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 向自動化 智能化加速轉(zhuǎn)型 已成為提高我國農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)效率與可持續(xù)性的關(guān)鍵路徑 1 當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 對采摘機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 2 通過文獻研究發(fā) 現(xiàn) 傳統(tǒng)采摘機器人的研究多以技術(shù)驅(qū)動為主 側(cè)重 作業(yè)效率與環(huán)境適應(yīng)性 對用戶使用體驗關(guān)注顯著不 足 導(dǎo)致產(chǎn)品功能與用戶使用體驗之間存在沖突 在 此背景下 引入工業(yè)設(shè)計視角 有助于實現(xiàn)設(shè)計思維 與工程技術(shù)的深度融合 推動傳統(tǒng)采摘機器人從專業(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)建基于用戶體驗的功能優(yōu)化 路徑 探索 FBS TRIZ 融合方法在采摘機器人設(shè)計優(yōu) 化中的應(yīng)用實踐 響應(yīng)采摘機器人作業(yè)對象動態(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 并對以采摘機器人為代表的農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)化進程具 有現(xiàn)實推動意義 1 采摘機器人研究現(xiàn)狀分析 1 1 技術(shù)驅(qū)動導(dǎo)向的采摘機器人創(chuàng)新路徑區(qū)域?qū)Ρ?我國對采摘機器人的研發(fā)已經(jīng)超過 20 年 2020 年 起大量企業(yè)涌入采摘機器人產(chǎn)業(yè) 從此開啟了我國采 摘機器人的產(chǎn)業(yè)化時代 但企業(yè)多面向科教 示范進 行單臺定制 與美國等西方發(fā)達國家直接面向農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)應(yīng)用相比 技術(shù)表現(xiàn)及產(chǎn)業(yè)化進程都較為落后 4 6 通過對國內(nèi)相關(guān)文獻的系統(tǒng)梳理以分析發(fā)展現(xiàn) 狀 深度學(xué)習(xí) 機器視覺 末端執(zhí)行器 機械臂 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 針對現(xiàn)階段蘋果采摘機器人采摘速度低 成功率低等 問題 從農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合 優(yōu)化識別算法 多傳感器融 合 多臂合作 人機協(xié)作等方面提出未來研究方向的 重點 王明友等 8 針對菇類及其生長環(huán)境的特性 結(jié) 合菇類采摘機器人發(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)同四個方面提出未來菇類采摘 機器人發(fā)展方向 孫成宇等 4 對國內(nèi)外蔬菜采摘機器 人研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進行了評估 重點對目標(biāo)識 別 定位和末端執(zhí)行器的優(yōu)化等方面存在的不足進行 了分析并做出展望 整體來看 國內(nèi)研究已涵蓋多類 作業(yè)對象與典型應(yīng)用場景 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 缺乏對系統(tǒng)協(xié)同機制及 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)達國家在采摘機器人研發(fā)方 面已形成更為系統(tǒng)的研究范式 一方面 同樣專注于 識別精度 避障 復(fù)雜場景適應(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 人機協(xié)作機制可作為緩解技術(shù)瓶頸的 過渡策略 10 這一趨勢表明 國外研究不僅關(guān)注采摘 作業(yè)對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) 綜合上述文獻分析可知 我國在采摘機器人領(lǐng)域 已經(jīng)取得了許多技術(shù)突破并重視對不同生產(chǎn)場景的 響應(yīng)和作業(yè)對象特性的適配探索 當(dāng)前研究仍普遍呈 現(xiàn)以技術(shù)突破為導(dǎo)向 對系統(tǒng)集成與交互機制關(guān)注不 足 致使產(chǎn)業(yè)化進程推進緩慢 國外研究已從技術(shù)優(yōu) 化逐步邁向系統(tǒng)集成與協(xié)作機制的研究并探索開放 協(xié)作文化和人機協(xié)同策略 以應(yīng)對當(dāng)前自主采摘尚未 完全成熟的現(xiàn)實局限 兩者在研究思路與路徑上存在 差異 也為采摘機器人設(shè)計研究提供了互補的視野與 方法啟示 凸顯了構(gòu)建以用戶體驗為導(dǎo)向 融合系統(tǒng) 約束條件的創(chuàng)新設(shè)計策略的重要性 1 2 工業(yè)設(shè)計介入的產(chǎn)業(yè)化范式轉(zhuǎn)型 全球采摘機器人的產(chǎn)品化進程正在不斷加速 推 動采摘機器人產(chǎn)業(yè)化進程演進對提升我國農(nóng)業(yè)競爭 力 應(yīng)對勞動力短缺及推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有戰(zhàn)略意 義 制約采摘機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要原因除技術(shù) 外 還包括有效市場需求不足 創(chuàng)新能力和動力不足 產(chǎn)學(xué)研協(xié)同機制不健全 用戶認(rèn)知和接受障礙 市場 競爭與產(chǎn)業(yè)生態(tài)等問題 11 采摘機器人等裝備制造類 產(chǎn)品的功能明確 內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜且穩(wěn)定 工業(yè)設(shè) 計在其傳統(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)化進程的推進 工業(yè)設(shè)計在提升產(chǎn)品品質(zhì) 品 牌價值 市場競爭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)注其在采摘機器人設(shè)計研發(fā) 中的路徑與策略 董佳麗等 12 強調(diào) 以拖拉機為例的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)裝 備主要以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動 但隨著社會的發(fā)展 用戶 的可選擇性也逐漸增多 企業(yè)意識到用戶需求的重要 性 產(chǎn)品設(shè)計也逐漸由技術(shù)導(dǎo)向轉(zhuǎn)化為需求導(dǎo)向 趙 可恒 13 認(rèn)為 產(chǎn)業(yè)升級創(chuàng)新離不開工業(yè)設(shè)計 從造 型設(shè)計 人機關(guān)系改良 品牌創(chuàng)建與管理等層面提出 了工業(yè)設(shè)計參與裝備制造產(chǎn)業(yè)升級的基本路徑 敖進 等 3 對工業(yè)設(shè)計主導(dǎo)下的非標(biāo)裝備設(shè)計進行系統(tǒng)研 究以謀求產(chǎn)業(yè)升級的路徑 認(rèn)為工業(yè)設(shè)計思維不僅在 前期概念設(shè)計階段發(fā)揮引領(lǐng)作用 更能在中后期起到 協(xié)調(diào)作用 效用評估和落地推廣作用 貫穿了工程設(shè) 計全流程 工業(yè)設(shè)計學(xué)科視域在采摘機器人等農(nóng)業(yè)裝 備設(shè)計的創(chuàng)新升級中能夠有效彌合當(dāng)前技術(shù)驅(qū)動導(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)實生產(chǎn)力 在裝備研發(fā)的全生命周期中發(fā)揮獨特作用 13 14 既有研究已明確工業(yè)設(shè)計在造型優(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)計的多維價 第 46 卷 第 12 期 鞏超 等 基于 FBS TRIZ 模型的蔬果采摘機器人設(shè)計研究 85 值 但在面向采摘機器人產(chǎn)業(yè)化的實踐中 仍普遍存 在系統(tǒng)化設(shè)計工具缺失問題 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 制約了以用戶體驗為核心的設(shè)計理念在采摘機器 人為代表的農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計流程中的有效轉(zhuǎn)化 2 融合 FBS 和 TRIZ 的采摘機器人設(shè)計理 論創(chuàng)新 2 1 FBS 模型與 TRIZ 理論的概述及互補性分析 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)計是解決裝備產(chǎn)品設(shè)計 中不同問題的有效方法 15 針對這些具體方法進行組 合和完善 以解決某一系列具體問題 改變了傳統(tǒng)設(shè) 計僅憑經(jīng)驗和直覺的設(shè)計模式 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 表示模型 能夠從三個層次系統(tǒng)地解釋設(shè)計問題的本 質(zhì)及解決方案 實現(xiàn)從抽象需求到具體化 形式化設(shè) 計的映射 17 兩種方法分別彌補了 FBS在創(chuàng)新方案生成不足和 TRIZ 對需求定義模糊的缺點 實現(xiàn)了系統(tǒng)性與創(chuàng)新 性的平衡 但缺乏對裝備特性 使用人群特征 作業(yè) 場景等領(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 聚焦人機環(huán)相互影響下的特殊需 求 利用數(shù)字仿真場景輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化 構(gòu)建地壟式栽 培草莓采摘機器人設(shè)計方法理論框架 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)計方法 關(guān)注不同場景下功能到結(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)路徑和功能實現(xiàn)層面 但對作業(yè)環(huán)境等領(lǐng)域特 殊性的關(guān)注已開始在設(shè)計方法改良中有所體現(xiàn) 然而 對用戶滿意度驅(qū)動機制的系統(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器人的結(jié) 構(gòu)改良 性能升級提供技術(shù)指導(dǎo) 卻未能在考慮裝備 領(lǐng)域特殊性的前提下 將功能屬性對用戶滿意度的差 異化影響納入設(shè)計決策框架 導(dǎo)致采摘機器人在用戶 體驗方面的提升缺乏可量化的理論依據(jù) 進而限制了 采摘機器人的市場滲透與產(chǎn)業(yè)規(guī)?；M程 2 2 基于 FBS 和 TRIZ 的蔬果采摘機器人設(shè)計研究 框架 為確保新的設(shè)計研究框架在蔬果采摘機器人設(shè) 計領(lǐng)域的適用性與有效性 有必要在方法體系中引入 針對該領(lǐng)域關(guān)鍵特性的適配性約束 基于 人 機 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) 場景三方面出發(fā) 作為約束對象嵌入設(shè)計流程之中 以增強模型對實際應(yīng)用環(huán)境的響應(yīng)能力 針對傳統(tǒng) FBS TRIZ 融合模型在蔬果采摘機器人 設(shè)計研究前期調(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內(nèi)外相關(guān)文 獻 通過系統(tǒng)梳理國內(nèi)外蔬果采摘機器人相關(guān)研究 運用主題建模與扎根理論三級編碼方法 提取蔬果采 摘機器人核心功能 2 以作業(yè)場景作為約束條件 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功能集的映射關(guān)系 進而甄別出對用戶使用體驗產(chǎn)生顯著影響的關(guān)鍵功 能特征 3 進而以使用者行為特征作為約束條件 基于 初步識別的用戶體驗相關(guān)功能特征 構(gòu)建 Kano 模型 調(diào)查問卷進行量化評估 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 識別并量化與用戶體 驗直接相關(guān)的功能特征 并在上述三個約束條件的指 導(dǎo)下 將與用戶體驗相關(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)計方案驗證評估階段 進一步引 入作業(yè)場景作為約束條件 通過構(gòu)建典型任務(wù)情境驗 證設(shè)計方案在目標(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 驗證的研究鏈路 更有效將后續(xù)設(shè)計研究重點聚焦于 采摘機器人在真實作業(yè)場景中的交互適應(yīng)性與用戶 滿意度提升 3 蔬果采摘機器人設(shè)計示例 3 1 采摘機器人核心功能提取 本節(jié)旨在提煉出具備概括性與可操作性的蔬果 采摘機器人核心功能要素 并為后續(xù)與用戶體驗需求 的關(guān)聯(lián)分析提供結(jié)構(gòu)化基礎(chǔ) 鑒于當(dāng)前我國蔬果采摘機器人產(chǎn)業(yè)化進程尚處于 初級階段 市場中采摘機器人產(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 將文獻深度 編碼作為采摘機器人核心功能的提取路徑 在 CNKI 中國知網(wǎng) Web of Science 數(shù)據(jù)庫中檢索蔬果采摘機 器人相關(guān)文獻 檢索時間均聚焦到 2020年 1 月至 2025 年 4 月 同時排除會議 報紙 圖書等形式和被引次 數(shù)較低的文獻 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 的蔬果采摘機器人設(shè)計研究框架 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 共納入符 合約束條件的中文文獻 15 篇 英文文獻 6 篇 作為 后續(xù)文獻分析的原始資料 在功能要素的識別過程中 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 圍繞蔬果采摘機器人的典型作業(yè)流程對所選文獻 進行逐段梳理 提取具有代表性的原始功能表征詞并 進行初步概念歸類 其次 在主軸編碼階段 建立采 摘機器人功能間的內(nèi)在聯(lián)系與層級結(jié)構(gòu) 最后 在選 擇編碼階段 綜合功能出現(xiàn)頻率 技術(shù)可實現(xiàn)度等維 度 對核心功能進行篩選歸納 最終形成涵蓋識別 采收 移動 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器人在實際應(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)建用戶體驗導(dǎo)向的設(shè)計邏輯提供了 功能維度的基礎(chǔ)支撐 可以發(fā)現(xiàn) 國內(nèi)外對蔬果采摘 機器人的相關(guān)研究主要側(cè)重于技術(shù)驅(qū)動效率提高和 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 行明確描述與界定 下一階段將以此功能集為參照 深入挖掘用戶在實際操作過程中的體驗感知與潛在 需求 實現(xiàn)功能層與體驗層的有機映射 為采摘機器 人設(shè)計方案的優(yōu)化與迭代提供方向指引 3 2 基于用戶體驗的功能需求識別 由于當(dāng)前蔬果采摘機器人產(chǎn)品形態(tài)尚不成熟 直 接基于產(chǎn)品反饋構(gòu)建體驗評價體系的可行性有限 因 此 在前一節(jié)基于文獻的核心功能體系構(gòu)建基礎(chǔ)上 本節(jié)進一步引入用戶視角 第 46 卷 第 12 期 鞏超 等 基于 FBS TRIZ 模型的蔬果采摘機器人設(shè)計研究 87 表 1 蔬果采摘機器人核心功能要素 Tab 1 Core functional elements of vegetable and fruit picking robots 功能主題 功能表征 實例 A 1 識別定位果實 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)獲取多幅點云圖像建立果樹的三維點云模 型 獲取果實位置信息 21 A 2 果實采 收 運 機械臂 末端執(zhí)行器 收集果實的傳 送帶等 果園智能機器人可以在果園里配合導(dǎo)航系統(tǒng) 紅外系統(tǒng)等 實現(xiàn)自動尋果 收果 分級等 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)動等 與現(xiàn)在設(shè)施種植軌道配套的自主移動平臺 22 A 4 智慧決策 任務(wù)規(guī)劃 路徑規(guī)劃 故障診斷 知識 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 運動規(guī) 劃等 23 A 5 操作平臺 界面 人機交互界面 移動端等 在機械設(shè)計過程中 恰當(dāng)?shù)乜紤]人機交互 可使得人們在 使用采摘機械作業(yè)時 更加省力舒適 24 A 6 常態(tài)監(jiān)控 實時作業(yè)監(jiān)控 遠(yuǎn)程監(jiān)控 無人機等 通過系統(tǒng)搭建采摘機器人遠(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 輔助勞動者采收等 集成了人工判斷和機器人精確運動能力 7 A 8 語音控制 語音控制 在采摘機器人作業(yè)過程中 如果需要對采摘機器人進行遠(yuǎn) 程控制 可以向機器人控制系統(tǒng)發(fā)出語音指令 26 為全面了解蔬果采摘機器人在實際應(yīng)用中直接 影響用戶體驗的功能 通過多輪深度訪談收集目標(biāo) 用戶群體的原始需求要素 訪談對象覆蓋北京 浙 江 廣東 湖北 江西等多個省級行政區(qū)域種植不同 蔬果的種植戶 訪談過程以作業(yè)場景為約束 圍繞用 戶使用采摘機器人過程中的操作體驗 情感與信任 因素 使用困惑與期望改進方向等方面展開 旨在從 真實使用情境中挖掘影響體驗的關(guān)鍵 因素 采用 NVivo 對訪談資料進行編碼 構(gòu)建影響用戶體驗的核 心主題并進一步抽象整合出與用戶體驗高度相關(guān)的 功能特征 在逐步提煉體驗導(dǎo)向功能的過程中 首先 通過 逐句分析訪談文本 識別出如 操作步驟太多記不住 機器遇到障礙需要人幫忙跨過障礙 等具體表達 將其標(biāo)記為初級節(jié)點 操作引導(dǎo)缺失 缺乏維護指 示 等 其次 將具有關(guān)聯(lián)性的初級節(jié)點歸類形成中 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行映射 與整合 27 建立體驗要素與技術(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 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 界面進行操作引導(dǎo) B 1 最終歸入 操作平臺 界面 A 1 用戶希望機器人 反饋當(dāng)前工作狀態(tài)與進度 歸為 反饋機器人工作 狀態(tài) 進度 B 4 對應(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 體驗相關(guān)功能要素及編號 來源節(jié)點 映射核心功能要素 B 1 在操作平臺 界面進行操作引導(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 界面 B 2 故障診斷及維護引導(dǎo) 緊急故障維護指南等 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 反饋機器人工作狀態(tài) 進度 定位反饋 工作進度反饋 監(jiān)控機器人作業(yè)等 A 6 常態(tài)監(jiān)控 B 5 遠(yuǎn)程控制 在手機或其他移動端口操作等 A 5 操作平臺 界面 B 6 反饋人機協(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 收集時避免損傷水果 收集果實等 2 果實采 收 運 B 8 控制工作中機器人改變路徑 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)用戶群體對不同功能特征的滿意度評價 實現(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 計算 Better Worse 滿意度系數(shù)如表 4 所示 對各項功能需 求進行屬性分類 表 3 Kano 模型評價結(jié)果分類對照表 Tab 3 Classification of Kano model evaluation results 功能 負(fù)向題 很不喜歡 1 分 勉強接受 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 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 用戶體驗相關(guān)的功能要素中 共有 6 項需求應(yīng)在蔬果 采摘機器人設(shè)計中體現(xiàn) 其中 必備需求功能包括操 作引導(dǎo) B 1 和反饋機器人工作狀態(tài)和進度 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引導(dǎo) B 2 及控制工作中的機器 人改變路徑 B 8 其實現(xiàn)程度直接影響用戶對產(chǎn)品 滿意度 魅力需求功能包括遠(yuǎn)程控制 B 5 和反饋人 機協(xié)作需求 B 6 此兩項功能能夠顯著提高用戶體 驗 應(yīng)作為設(shè)計改良重點加以關(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)計研究中需首要保證 B 1 B 4 兩項必備功能 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 提下實現(xiàn)功能 B 5 B 6 以進一步增強整體用戶體驗 3 3 采摘機器人的 FBS 模型推導(dǎo) 在前期研究過程中 識別了蔬果采摘機器人在 實際作業(yè)場景中對用戶體驗產(chǎn)生顯著影響的六項核 心功能 這些功能充分考慮了用戶對優(yōu)化體驗和提 升附加價值的創(chuàng)新訴求 將六項功能作為采摘機器 人設(shè)計要素 利用 FBS 模型進行功能 行為 結(jié)構(gòu)映 射 揭示三個層次之間的邏輯關(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 景三項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 除其對系統(tǒng)性能與用戶體驗的消極影響 通過 FBS 模型對功能層 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 模型的蔬果采摘機器人設(shè)計研究 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)過程中識別出多個關(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) 在制約功能實現(xiàn)的同時也對用戶體 驗造成潛在影響 例如 在操作平臺 界面進行操作引導(dǎo) 功能 對應(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)功能實現(xiàn)的路徑 也進一步暴露出因多 任務(wù)協(xié)同 操作鏈條復(fù)雜與用戶期望簡潔操作之間的 不匹配所引發(fā)的操作簡潔性與任務(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)上識別出影響 功能實現(xiàn)與用戶體驗沖突矛盾 為進一步優(yōu)化設(shè)計策 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 操作簡潔性與任務(wù)復(fù)雜度間的矛盾 矛盾介紹 操作簡潔性體現(xiàn)在用戶對減少操作 步驟 精簡界面布局以降低學(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)對復(fù)雜任務(wù)所需的多維 功能需進行取舍和整合 這與 No 36 系統(tǒng)復(fù)雜性產(chǎn)生 表 5 基于 TRIZ 的采摘機器人設(shè)計沖突構(gòu)建 Tab 5 Conflict construction in design of picking robots based on TRIZ 沖突構(gòu)建 對應(yīng)的參數(shù) 矛盾類型 沖突一 操作簡潔性與任務(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 控制與測量的復(fù)雜度 沖突三 模塊化易維護性與結(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)交互維度來同時容納 復(fù)雜功能與簡化操作流程 因而更契合人機交互場景 中對信息層級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)變化原理進行設(shè)計轉(zhuǎn)化 該原理強調(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 多個采摘機器人進行管理 用戶可通過橫向滑動切換 不同機器人管理界面 機器人工作狀態(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)置等高級功能沿 z 軸隱藏入次級界 面 用戶在主界面對主功能進行選擇 進入 高級設(shè) 置層 通過多維交互路徑結(jié)合 在維持界面操作簡 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)人機交互界面模塊化 分層化的趨勢 該設(shè)計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)對復(fù)雜任務(wù)的支持 能力 實現(xiàn) 界面簡潔性 與 系統(tǒng)復(fù)雜性 的平衡 符合復(fù)雜系統(tǒng)人機交互的模塊化與分層化趨勢 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功能間都有體 現(xiàn) 如操作引導(dǎo) 故障提示 機器人常態(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 出對信息透明度和及時性的需求 以提升對采摘機器 人運行狀況的認(rèn)知并增強人機交互的信任感 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) 增強信息傳達密度與及時性以 滿足操作認(rèn)知需求的同時 可能加劇 No 37 控制與測 量的復(fù)雜度 尤其在反饋機制與提示系統(tǒng)共同運行的 場景下 該復(fù)雜性會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 控制與測量 的復(fù) 雜度對應(yīng)的發(fā)明原理為 No 33 同質(zhì)性和 No 35 參數(shù)變 化 在采摘機器人信息交互的具體場景中 No 35 參 數(shù)變化原理最能支持反饋內(nèi)容 形式與頻率的動態(tài)調(diào) 節(jié) 便于用戶根據(jù)情境靈活調(diào)整信息傳達強度 具有 良好的人機適配性 相比之下 No 33 強調(diào)系統(tǒng)材料 或?qū)傩砸恢滦?適用于減少復(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)計實踐 通過多級可調(diào)節(jié)反饋機制消除矛盾 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)工作時選擇通過呼吸燈 輕微振 動等形式傳達信息 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 求人機協(xié)作關(guān)鍵事件時觸發(fā)機器人燈光 蜂鳴器及遠(yuǎn) 程端彈窗等功能 同理 用戶可按需啟動或關(guān)閉不同 功能模塊的操作引導(dǎo)功能 實現(xiàn)信息豐富性與用戶受 干擾度間的動態(tài)平衡 圖 4 多維界面設(shè)計方案 Fig 4 Multidimensional interface design scheme 第 46 卷 第 12 期 鞏超 等 基于 FBS TRIZ 模型的蔬果采摘機器人設(shè)計研究 91 圖 5 參數(shù)調(diào)節(jié)信息密度及強度設(shè)計方案 Fig 5 Design scheme for parameter adjustment information density and strength 該設(shè)計解決方案實現(xiàn)了 反饋豐富性 與 干擾 控制性 的動態(tài)平衡 在提升交互透明度的同時規(guī)避 系統(tǒng)復(fù)雜性過高帶來的使用負(fù)擔(dān) 增強了系統(tǒng)的適應(yīng) 性和人因友好性 3 4 3 模塊化易維護性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性間的矛盾 矛盾介紹 模塊化易維護性源于用戶對設(shè)備快速 故障診斷及引導(dǎo)式維護的需求 尤其在作業(yè)強度較 高 環(huán)境復(fù)雜的場景中 能夠通過結(jié)構(gòu)模塊劃分提升 檢修效率 降低維護門檻 該功能通常要求將復(fù)雜結(jié) 構(gòu)劃分為若干可獨立拆卸 替換的單元模塊 便