遙控車概念設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)圖表法應(yīng)用研究

羅天慧 姜可

摘要：探索工業(yè)設(shè)計(jì)如何參與復(fù)雜結(jié)構(gòu)玩具的設(shè)計(jì)過程，幫助達(dá)成更優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果。以某玩具遙控車的底盤設(shè)計(jì)為例，對形態(tài)學(xué)圖表法進(jìn)行實(shí)踐，結(jié)合底盤的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，補(bǔ)充方法的步驟。調(diào)整和完善了形態(tài)學(xué)圖表法的步驟，幫助梳理復(fù)雜結(jié)構(gòu)玩具的設(shè)計(jì)過程。能夠簡化設(shè)計(jì)問題，產(chǎn)生更多差異性備選方案。得出了美觀、具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)方案。形態(tài)學(xué)圖表法調(diào)整后，可以適用于遙控車底盤的概念設(shè)計(jì)過程，指導(dǎo)部件選取、構(gòu)架設(shè)計(jì)等步驟，得到具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì) 玩具車構(gòu)架設(shè)計(jì) 形態(tài)學(xué)圖表法 概念設(shè)計(jì)

中圖分類號：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）05-0024-04

引言

玩具車輛設(shè)計(jì)通常是按照真車的外形進(jìn)行仿制，設(shè)計(jì)要求主要集中在車體外觀。而底盤包裹在外殼下，對該部分的設(shè)計(jì)需求較少。但在部分設(shè)計(jì)案例中，玩具車需要通過對玩具車的底盤進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，拓展玩法、增強(qiáng)趣味性，就產(chǎn)生了對底盤部分的設(shè)計(jì)需求。而底盤部分設(shè)計(jì)僅考慮外觀因素難以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此工業(yè)設(shè)計(jì)需要使用合理的工程設(shè)計(jì)知識與方法作為指導(dǎo)，在保障設(shè)計(jì)合理性的同時(shí)達(dá)到美觀的效果。

一、概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是在確定目標(biāo)任務(wù)之后，尋求解決方案的過程。概念設(shè)計(jì)具有發(fā)散特征和創(chuàng)新性，是一個(gè)求解可能存在的各種方案并最終確定綜合最優(yōu)方案的過程。通常是通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砑捌浣M合等，得出求解方案[2]。

弗倫奇（French，1999）曾提出一種設(shè)計(jì)模型，梳理了工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)流程，如圖1所示。其中矩形表示設(shè)計(jì)行為或設(shè)計(jì)階段，圓形表示設(shè)計(jì)輸出。

在該模型中，概念設(shè)計(jì)是基于問題的描述，給出多種解決方案的階段。本文中玩具遙控車底盤的概念設(shè)計(jì)指：確定產(chǎn)品功能特性等指標(biāo)后，部件的選取、底盤構(gòu)架的設(shè)計(jì)及外觀優(yōu)化過程。

概念設(shè)計(jì)階段決定了整體方案的創(chuàng)新及美觀程度，概念設(shè)計(jì)方案是評估及優(yōu)化的前提，對后續(xù)設(shè)計(jì)起著重要作用。且在概念設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的設(shè)計(jì)缺陷，細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)階段較難彌補(bǔ)，可能導(dǎo)致概念設(shè)計(jì)過程反復(fù)，影響產(chǎn)品開發(fā)周期。本玩具車設(shè)計(jì)案例中，希望進(jìn)行玩法創(chuàng)新。就產(chǎn)生了通過對底盤結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)需求。所以為了達(dá)到較為滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果，避免設(shè)計(jì)步驟重復(fù)，需要使用合理方法，增加備選方案的數(shù)量。在概念設(shè)計(jì)階段提多個(gè)出具有創(chuàng)新性、差異性的方案進(jìn)行比較和優(yōu)選[3]。

二、形態(tài)學(xué)圖表法

形態(tài)學(xué)圖表法又稱“形態(tài)綜合法”、“形態(tài)矩陣法”或“棋盤格法”，是形態(tài)分析法的一支，在20世紀(jì)40年代由美國加州理工學(xué)院FritzZwicky提出，被廣泛地應(yīng)用在設(shè)計(jì)工程、制造工程、工業(yè)工程、人機(jī)工程及建筑設(shè)計(jì)等各領(lǐng)域，后得到多位學(xué)者的修改及補(bǔ)充[4]

形態(tài)分析法的目標(biāo)在于搜集問題所有理論上可能解，以參數(shù)分解和問題構(gòu)建為基礎(chǔ)，是一種引導(dǎo)構(gòu)造性發(fā)明的非定量建模方法，適用于概念設(shè)計(jì)階段。通過系統(tǒng)化分析將所有能構(gòu)成解決方案的元素、組件或次級解決方案以圖表的形式羅列出來，搜集產(chǎn)品或設(shè)備形態(tài)上的所有理論可能解，實(shí)現(xiàn)從文字描述到具體形態(tài)的轉(zhuǎn)化。然后通過排除不合理方案完成從具體形態(tài)到合理形態(tài)的轉(zhuǎn)化。這使設(shè)計(jì)過程更加直觀、有條理，可以在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較多備選方案，并促進(jìn)產(chǎn)生更多具有創(chuàng)新性的組合方式。根據(jù)Nigel Cross的表述，形態(tài)學(xué)圖表法的使用包括四個(gè)步驟[5]，如圖2所示。

（1）列出產(chǎn)品關(guān)鍵特征或功能。即先經(jīng)過分析，將產(chǎn)品分解為多個(gè)相互獨(dú)立的處于同一等級的功能（2）針對產(chǎn)品的每個(gè)特征或功能列出可能的實(shí)現(xiàn)方法或結(jié)構(gòu)解。（3）繪制圖表，呈現(xiàn)所有可能的次級方案。對各功能的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行排列組合生成大量備選方案。（4）確定可行的次級解決方案，去除不具可行性或存在沖突的方案。

三、設(shè)計(jì)背景與調(diào)研

（一）設(shè)計(jì)背景

目前市面上的遙控玩具車主要有兩大類，第一類是車模類玩具，通常是廠家根據(jù)轎車、跑車、越野、SUV等按比例縮小后生產(chǎn)制造。有較大市場占比，但缺乏新意。第二類是自主研發(fā)的玩具遙控車。為了不同的使用體驗(yàn)，在玩法和外觀上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，是玩具遙控車設(shè)計(jì)創(chuàng)新的新方向問。

該遙控玩具車定位為：可適應(yīng)不同玩法、場景的創(chuàng)新型遙控玩具車。由于對遙控車玩法和使用場景影響最大的是底盤部分，想要增強(qiáng)趣味性和可玩性，只對外觀進(jìn)行變動不足以完成目標(biāo)，因此需要考慮不同的玩法、場景下的特點(diǎn)，針對底盤部分進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)改進(jìn)。

（二）遙控車調(diào)研

通過對玩具遙控車的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有玩法主要有兩種。第一種是競速玩法，第二種為越野玩法。

在競速玩法中，場地多為平坦賽道（如圖3所示），有一定的急轉(zhuǎn)區(qū)域，對遙控車的性能需求為：提速快、良好的平穩(wěn)性。通常該場景下的遙控車底盤通常較低，以降低重心，減小風(fēng)阻，保障快速行駛時(shí)的平穩(wěn)性，防止急轉(zhuǎn)時(shí)飛出賽道。

在越野玩法中，場地多為不平坦或顛簸的路面（如圖4所示），有一定坡度、尺寸不同的障礙或臺階。對遙控車的需求為：較好的爬坡能力、良好的通過性和較好的緩沖減震性能。通常該場景下的遙控車設(shè)計(jì)特點(diǎn)為：1.輪胎偏大，摩擦力強(qiáng)。2.驅(qū)動電機(jī)有較強(qiáng)的驅(qū)動力。3.底盤較高，可以較好通過一些凹凸路面，防止托底、損傷底盤部件。4.懸架有較強(qiáng)緩沖減震性能，在通過較大障礙物或顛簸路面時(shí)保持平穩(wěn)的姿態(tài)。

（三）設(shè)計(jì)需求梳理

由上可知，兩種玩法對應(yīng)的路面場景不同，設(shè)計(jì)也有較大區(qū)別。主要矛盾點(diǎn)在于底盤的通過性和重心高度。障礙物較多或不平路面上，需要較高的底盤提供較好通過性。而在平坦彎道上需要更低的底盤降低重心和風(fēng)阻，達(dá)到更好的穩(wěn)定性。依照定位，該遙控車可以適應(yīng)競速和越野兩種玩法。因此考慮為玩具遙控車設(shè)計(jì)可調(diào)姿的底盤，通過底盤姿態(tài)調(diào)整實(shí)現(xiàn)不同場景匹配。

同時(shí)為了進(jìn)一步豐富遙控車的玩法，提升趣味性和可玩性。考慮對底盤進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，即把每個(gè)輪胎及其相連結(jié)構(gòu)設(shè)置為一個(gè)獨(dú)立模塊，底盤由四個(gè)相同模塊組成。玩家可自由組合不同車身和底盤模塊，探索多種玩法，滿足個(gè)性化需求，同時(shí)方便維修。

四、遙控車底盤設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)圖表法的應(yīng)用

由于底盤部分涉及的部件較多，結(jié)構(gòu)方案對外觀影響較大，設(shè)計(jì)過程要同時(shí)考慮合理性和外觀兩個(gè)方面。如果在概念設(shè)計(jì)階段使用形態(tài)學(xué)圖表法，產(chǎn)生多種結(jié)構(gòu)方案，配合草圖展現(xiàn)方案外觀進(jìn)行篩選，可以更快產(chǎn)生多種創(chuàng)新性方案，提高設(shè)計(jì)效率。本次底盤概念設(shè)計(jì)過程主要劃分為部件選取、構(gòu)架設(shè)計(jì)、方案細(xì)化三大部分。

（一）部件選取

首先依據(jù)產(chǎn)品定位尋找滿足需求的部件方案。按照形態(tài)學(xué)圖表法，需要先找出可以實(shí)現(xiàn)各功能的結(jié)構(gòu)方案，再對各結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行組合。

1.列出產(chǎn)品關(guān)鍵特征或功能，針對每個(gè)特征或功能列出可能的實(shí)現(xiàn)方法。根據(jù)設(shè)計(jì)背景分析可得，遙控車的車架需要具備的特征有：姿態(tài)調(diào)整功能、較好的平穩(wěn)性、較強(qiáng)的動力、靈活的轉(zhuǎn)向。將功能特征對應(yīng)到結(jié)構(gòu)部件上，該車架分為五個(gè)部分：驅(qū)動結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、調(diào)姿結(jié)構(gòu)、懸掛結(jié)構(gòu)和車架。

搜索在類似或相關(guān)產(chǎn)品中可以滿足這些功能的組件機(jī)構(gòu)，作為可能的功能實(shí)現(xiàn)方案。驅(qū)動方式可選四輪驅(qū)動或兩輪驅(qū)動，轉(zhuǎn)向可選擇前輪轉(zhuǎn)向或四輪轉(zhuǎn)向。為滿足平穩(wěn)性和姿態(tài)調(diào)整功能，可選擇獨(dú)立懸架，并在懸架上添加調(diào)姿機(jī)構(gòu)。因此懸掛需拆解成幾個(gè)部分進(jìn)行方案選擇。車架可以選擇非承載式車身情況下的車架形式或承載式車身情況下的副車架形式。

2.將上一步分析得出的功能實(shí)現(xiàn)方案繪制成圖表，并根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行篩選（見表1，涂色部分表示所選結(jié)構(gòu)解），為了提升可靠性，縮短研發(fā)周期，無特殊需求的部分應(yīng)盡量采用成品件，現(xiàn)有方案無法完全達(dá)到要求的部分進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

在越野場景中，有可能出現(xiàn)部分輪胎卡住或懸空的情況，相較于兩輪驅(qū)動，四輪驅(qū)動更能在復(fù)雜地形中自由穿行，因此選擇四輪驅(qū)動、四輪轉(zhuǎn)向。這兩部分的現(xiàn)有方案已經(jīng)較為成熟，不需要特殊設(shè)計(jì)。為了在越野和競速兩種模式中相互切換，需要實(shí)現(xiàn)底盤姿態(tài)的調(diào)整，因此考慮在懸架基礎(chǔ)上添加調(diào)姿機(jī)構(gòu)，故懸架部分需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。車架部分作為支撐部分，其具體形式需要根據(jù)其他部件的構(gòu)架方式進(jìn)行調(diào)整，故該部分設(shè)計(jì)在最后進(jìn)行。

對表中的解決方案進(jìn)行組合，可以產(chǎn)生兩種設(shè)計(jì)方向。

方向一：四輪驅(qū)動、四輪轉(zhuǎn)向、橫臂式獨(dú)立懸掛+調(diào)姿、邊梁式車架。方向二：四輪驅(qū)動、四輪轉(zhuǎn)向、橫臂式獨(dú)立懸掛+調(diào)姿、承載式車+副車架。

（二）構(gòu)架設(shè)計(jì)

構(gòu)架設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)是尋找合適的空間布局，在實(shí)現(xiàn)功能需求的基礎(chǔ)上達(dá)到美觀效果。形態(tài)學(xué)圖表法對該部分的描述較為粗略，需要通過設(shè)計(jì)實(shí)踐進(jìn)一步細(xì)化。由于部件的排布直接影響車架整體外觀，本次設(shè)計(jì)先對外觀風(fēng)格進(jìn)行定位，再進(jìn)行具體構(gòu)架設(shè)計(jì)。

1.確定外觀設(shè)計(jì)風(fēng)格。為達(dá)到姿態(tài)調(diào)整目的，底盤部分機(jī)械結(jié)構(gòu)暴露在外，因此整體外觀設(shè)計(jì)考慮高技術(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)格。從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，當(dāng)較多復(fù)雜結(jié)構(gòu)需要外露時(shí)，可以采用整齊有序的排布，隱藏部分部件，可以減少外觀細(xì)節(jié)變化，增強(qiáng)造型整體性，降低外觀對視覺的壓力，提升整體美觀度[8][9]。因此采用緊湊的排布方式，減小支撐件體積，美化視覺效果。

2.進(jìn)行構(gòu)架設(shè)計(jì)。由于底盤各局部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系較為復(fù)雜，這一階段很難建立詳細(xì)的結(jié)構(gòu)模型，為了簡化問題，快速厘清設(shè)計(jì)思路?？上忍崛〉妆P中的主要結(jié)構(gòu)[10][11]，確定各部件、型材的相對位置。得到初步排布方案后再結(jié)合細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，步驟如下。

（1）將各結(jié)構(gòu)中對空間排布影響最大的核心部件提取出來，抽象為簡單幾何體，進(jìn)行空間排布嘗試。本案例中共六個(gè)核心部件：傳動系統(tǒng)的電機(jī)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電機(jī)、彈簧、調(diào)姿模塊、減震器、懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。其中調(diào)姿模塊、彈簧和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)位置強(qiáng)相關(guān)，三者可選其一先進(jìn)行定位。本次設(shè)計(jì)先選取傳動電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)及調(diào)姿模塊三部分進(jìn)行排布。

本次設(shè)計(jì)采取了較緊湊的排布方式，可以減少支撐件體積，增強(qiáng)整體性;利用部件之間的前后位置關(guān)系形成遮擋，避免所有部件直接暴露在外，造成視覺雜亂;各部件排布方向盡量相同，增強(qiáng)視覺的統(tǒng)一性;排布示意見圖5-7。

（2）在核心部件排布方案的基礎(chǔ)上，添加傳動桿及連接部分。通過傳動電機(jī)的位置可得出車輪大致位置，然后在車輪與電機(jī)之間添加傳動系統(tǒng)、橫臂等部件。

（3）添加支撐結(jié)構(gòu)并調(diào)整布局中存在干涉的部件。本案例中，支撐結(jié)構(gòu)為車架部分。前兩步中已經(jīng)完成了驅(qū)動結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、調(diào)姿結(jié)構(gòu)和懸架的大致空間排布方案。這一步需要根據(jù)部件受力情況設(shè)計(jì)車架結(jié)構(gòu)，調(diào)整存在干涉的部件位置。

結(jié)合部件選取時(shí)產(chǎn)生的兩種設(shè)計(jì)方向及剛得出的三種排布方案，可得出表2中六種構(gòu)架方案。

（三）方案細(xì)化

構(gòu)架設(shè)計(jì)完成后形成了多種備選方案，該設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)是確定最終方案及方案細(xì)化，呈現(xiàn)設(shè)計(jì)效果。

1.對備選方案進(jìn)行篩選，確定深入設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過計(jì)算評估，其中1b、2b方案通過性較差，1a、1c方案調(diào)姿結(jié)構(gòu)占用體積較大，結(jié)構(gòu)排布較為松散，視覺效果較為笨重。在2a、2c三種方案中2a外觀效果更好，因此選擇2a方案進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)方案。

2.對結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)及調(diào)整。相較于車身外觀，底盤部分設(shè)計(jì)更多的是對車輛功能的體現(xiàn)，因此對外觀進(jìn)行考量時(shí)更傾向于體現(xiàn)其“技術(shù)美”和“功能美”。方案如圖8、9所示。

從整體造型來看，在競速模式下底盤整體為一字型，視覺上給人平衡、穩(wěn)重的觀感。在越野模式下，橫臂向下傾斜一定的角度，可以在提高底盤通過性的基礎(chǔ)上，給整體增加視覺張力，體現(xiàn)車輛底盤的力

量感。在細(xì)節(jié)方面，車架中部的部件相互平行排布，減少了支撐件的體積，在使車架更輕量化的基礎(chǔ)上可以簡化部件細(xì)節(jié)，使造型更具一致性。統(tǒng)一使用平直線條，有傾角的線條盡量使用相同傾斜角度，例如橫臂部分和車架前臉部分。在色彩方面，整體車架采用金屬色或灰黑色，橫臂部分涂裝為黃色，色彩整體統(tǒng)一同時(shí)具備一定變化，避免單調(diào)乏味的視覺感受。

（四）方法總結(jié)

通過設(shè)計(jì)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，形態(tài)學(xué)圖表法在概念設(shè)計(jì)過程中存在以下不足：（1）部件選取過程中，形態(tài)學(xué)圖表法的目標(biāo)是擴(kuò)大產(chǎn)品搜索范圍，隨著產(chǎn)品功能的復(fù)雜度的增加，當(dāng)部分功能存在較多對應(yīng)方案，會產(chǎn)生爆炸數(shù)量的組合方案，造成方案有效率較低[12]。需要根據(jù)產(chǎn)品特征增加限制條件對方案進(jìn)行約束。（2）在創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)中，部分特殊的功能需求難以用現(xiàn)有部件庫中的組件實(shí)現(xiàn)，需要對現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行修改。而形態(tài)學(xué)圖表法是一種基于功能分解結(jié)構(gòu)重組的方法，其矩陣中元素多為已有解，無法滿足重新設(shè)計(jì)的要求，需要增加相應(yīng)步驟。（3）構(gòu)架設(shè)計(jì)部分，形態(tài)學(xué)圖表法的流程較為概括，進(jìn)一步細(xì)化可以更好指導(dǎo)設(shè)計(jì)過程。

本文結(jié)合玩具車底盤設(shè)計(jì)的案例對形態(tài)學(xué)圖表法進(jìn)行實(shí)踐和調(diào)整，使之適用于具有較為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新型玩具的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，完成了概念設(shè)計(jì)。相較于經(jīng)典形態(tài)學(xué)圖表法的設(shè)計(jì)流程，本設(shè)計(jì)根據(jù)重型車底盤的設(shè)計(jì)特點(diǎn)對其流程做出了以下完善，如表3所示。加粗文字為完善及增加的部分。

區(qū)別在于：

（1）整體流程上的變化：在繪制圖表階段加入約束條件，對實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行篩選收斂，在具體構(gòu)架設(shè)計(jì)部分采取發(fā)散方式產(chǎn)生不同構(gòu)架方案，通過實(shí)現(xiàn)方式和構(gòu)架方案的排列組合形成多種備選方案。設(shè)計(jì)過程由原先發(fā)散一收斂的過程變?yōu)榘l(fā)散一收斂一發(fā)散一》收斂的過程（如圖10所示），既可以避免該類復(fù)雜產(chǎn)品方案的爆炸式增長，減少篩選負(fù)擔(dān)，也可以保障方案的差異性和創(chuàng)新性。

（2）增加新的步驟：針對概念設(shè)計(jì)中功能創(chuàng)新的特點(diǎn)，在繪制圖表后添加步驟，沒有成熟實(shí)現(xiàn)方法的功能結(jié)構(gòu)需要特殊設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)中需特殊設(shè)計(jì)部分是懸架及車架兩部分，這兩部分的設(shè)計(jì)取決于其他零件的布局，所以在篩選過程中先確定懸架及車架的類型，具體形式根據(jù)產(chǎn)品構(gòu)架決定。

（3）細(xì)化對外觀設(shè)計(jì)有影響的步驟：提出了一種構(gòu)架排布新思路。即將部件抽象簡化，挑選出其中對布局影響較大的部件先進(jìn)行空間排布，再根據(jù)核心部件的相對位置添加其他部件。嘗試不同排布方式，并通過草圖直觀體現(xiàn)，有助于產(chǎn)生創(chuàng)新性、美觀的構(gòu)架方案。

結(jié)語

本次實(shí)踐探索工業(yè)設(shè)計(jì)如何參與玩具遙控車底盤的設(shè)計(jì)過程，將形態(tài)學(xué)圖表法應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)階段，得出了具有創(chuàng)新性、美觀的方案。配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供了良好的概念設(shè)計(jì)方案，降低了設(shè)計(jì)過程反復(fù)的可能性，可以縮短設(shè)計(jì)周期，提升設(shè)計(jì)效率。同時(shí)針對形態(tài)學(xué)圖表法進(jìn)行補(bǔ)充和調(diào)整，提升了設(shè)計(jì)效率。

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