淺談農(nóng)機裝備創(chuàng)新設(shè)計方法與應(yīng)用范文

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摘要：隨著國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施和制造業(yè)的快速發(fā)展，市場和用戶都對農(nóng)機裝備設(shè)計提出更高的要求。通過引入現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計理念的創(chuàng)新方法，對滿足特色農(nóng)機裝備市場需求和農(nóng)機裝備的創(chuàng)新設(shè)計有著重要作用。文章從概念、仿生、綠色和人機四個不同視角來分析和研究農(nóng)機裝備的創(chuàng)新設(shè)計方法，并以超級拖拉機Ⅰ號為例論證了現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計理念在農(nóng)機裝備創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計；農(nóng)機裝備；創(chuàng)新設(shè)計；超級拖拉機Ⅰ號

近年來，我國農(nóng)業(yè)機械裝備的研制和產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了長足進(jìn)步，我國農(nóng)機裝備的生產(chǎn)規(guī)模躍居世界首位，但農(nóng)機產(chǎn)業(yè)存在“低端產(chǎn)品過剩、高端產(chǎn)品不足、產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重、具備國際競爭力和品牌影響力的大型企業(yè)集團嚴(yán)重缺乏”等問題，其主要的原因之一是農(nóng)機裝備企業(yè)缺乏創(chuàng)新性的設(shè)計體系，設(shè)計觀念和思路依然停留在傳統(tǒng)農(nóng)機裝備的研制上，嚴(yán)重制約了我國農(nóng)機裝備創(chuàng)新的發(fā)展[1]。基于目前我國農(nóng)機裝備發(fā)展的現(xiàn)狀，引入現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計理念的創(chuàng)新方法對農(nóng)機裝備的創(chuàng)新設(shè)計進(jìn)行分析和研究則顯得尤為重要，運用工業(yè)設(shè)計的理念和方法能夠提供有效的手段，增強產(chǎn)品的衍生功能并提升產(chǎn)品的品質(zhì)，可使農(nóng)機裝備更好地獲得用戶和市場的認(rèn)可。

1工業(yè)設(shè)計及其現(xiàn)展

工業(yè)設(shè)計作為一門新興的綜合型和交叉學(xué)科，涵蓋了心理學(xué)、社會學(xué)、美學(xué)、人機工程學(xué)、機械構(gòu)造、攝影、色彩學(xué)等不同方面的知識，而現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計是將美學(xué)和科學(xué)技術(shù)這兩個方面理論進(jìn)行了深度融合，在產(chǎn)品設(shè)計上既能滿足用戶的審美需求又能在技術(shù)上實現(xiàn)功能性的需要，通過美學(xué)和科學(xué)技術(shù)的結(jié)合為實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計提供了更多的可能性[2]。工業(yè)設(shè)計具有很強的時代性，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計主要通過結(jié)構(gòu)、工藝優(yōu)化、材料、形態(tài)和色彩的有機結(jié)合對產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新和品質(zhì)提升，隨著計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計又涵蓋了人機交互設(shè)計、信息產(chǎn)品設(shè)計、用戶體驗與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計等，更大程度上增加工業(yè)設(shè)計對產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的可能性。我國多數(shù)傳統(tǒng)農(nóng)機裝備企業(yè)對現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計理念的認(rèn)知僅停留在外觀造型設(shè)計上，簡單的認(rèn)為工業(yè)設(shè)計等于外觀設(shè)計，而目前我國現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計已發(fā)展到了全產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計創(chuàng)新服務(wù)這一層面，從產(chǎn)品的策劃、設(shè)計、生產(chǎn)加工再到市場每個環(huán)節(jié)都能看到現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計的身影，充分將設(shè)計融合到人——產(chǎn)品——環(huán)境的系統(tǒng)中以實現(xiàn)產(chǎn)品系統(tǒng)的整體設(shè)計創(chuàng)新。

2基于現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計理念的農(nóng)機裝備創(chuàng)新設(shè)計方法分析

企業(yè)對農(nóng)機裝備的創(chuàng)新大多從機械設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)、造型進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，創(chuàng)新角度單一或者片面，不能從產(chǎn)品整體系統(tǒng)的進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

2.1概念創(chuàng)新設(shè)計方法分析

概念設(shè)計是從分析用戶需求到生成概念產(chǎn)品的一系列有序的、可組織的、有目標(biāo)的設(shè)計活動，它表現(xiàn)為一個由粗到精、模糊到清晰、抽象到具體的不斷演化的過程[3]。概念創(chuàng)新設(shè)計處于產(chǎn)品研發(fā)流程中的初始位置，也是產(chǎn)品開發(fā)過程中最為關(guān)鍵和核心的環(huán)節(jié)，概念的創(chuàng)新性通常是基于解決產(chǎn)品的設(shè)計痛點或市場的銷售痛點進(jìn)行構(gòu)思，設(shè)計師通過頭腦風(fēng)暴、跨界集成融合、功能形式的借用和反推需求本質(zhì)等方法進(jìn)行概念創(chuàng)新設(shè)計，如凱斯推出的全球第一臺大馬力、無駕駛室的無人駕駛概念拖拉機，重新構(gòu)想未來時代的無人駕駛拖拉機，通過功能形式借用和跨界元素融合的方式巧妙地增加產(chǎn)品的創(chuàng)新性，以獲得產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新和開拓產(chǎn)品在市場上新的賣點。概念創(chuàng)新與否在很大程度上決定了最終產(chǎn)品的賣點、性能、價格及市場反響等等，在整個產(chǎn)品開發(fā)流程中，概念設(shè)計階段實際投入的費用通常只占產(chǎn)品開發(fā)總成本的5%，但它卻可以決定產(chǎn)品總成本的70%[4]。概念創(chuàng)新性可決定一個產(chǎn)品開發(fā)的成功與否，所以將概念創(chuàng)新設(shè)計方法合理的運用在農(nóng)機裝備設(shè)計中是非常實用的。

2.2仿生創(chuàng)新設(shè)計方法分析

仿生是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計理論中一個重要創(chuàng)新設(shè)計方法，它是把自然界中萬事萬物的“形”“色”“音”“功能”“結(jié)構(gòu)”等作為研究對象，通過對特征原理的模擬、分析、提煉等手段有選擇地應(yīng)用在創(chuàng)新設(shè)計過程中，也可解釋成有深度思考的“跨界”和“借用”，同時結(jié)合已成熟的研究成果，以達(dá)到產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的目的，為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途徑[5]。仿生創(chuàng)新形式大概分為形態(tài)仿生、功能仿生、結(jié)構(gòu)仿生、機理仿生、界面仿生五類，應(yīng)用仿生學(xué)設(shè)計的產(chǎn)品涵蓋了小到家用生活用品大到飛機和郵輪等，如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)邵耀堅教授利用仿生學(xué)原理設(shè)計的水稻工廠化育秧拔苗機械手，可解決拔秧、拋植的有序栽植難題[6]。仿生設(shè)計可使農(nóng)機裝備在設(shè)計和開發(fā)中從自然界里獲取靈感，往往達(dá)到意想不到的創(chuàng)新效果。

2.3綠色創(chuàng)新設(shè)計方法分析

綠色設(shè)計也常被稱為生態(tài)設(shè)計、可持續(xù)設(shè)計或者生命周期設(shè)計等，常用的設(shè)計方法有模塊化設(shè)計、循環(huán)設(shè)計、極簡設(shè)計等，其主要核心是通過創(chuàng)新設(shè)計手段來尋找和采用盡可能合理和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和方案，使得資源消耗和環(huán)境負(fù)影響降到最低。綠色設(shè)計的原則為“3R”，即Reduce、Reuse、Recycle，減少環(huán)境污染、減小能源消耗，產(chǎn)品和零部件的回收再生循環(huán)或者重新利用[7]。在農(nóng)機裝備的創(chuàng)新設(shè)計中，通過高技術(shù)手段轉(zhuǎn)化、材料選擇、零部件的可拆卸性、可回收性、結(jié)構(gòu)裝備、產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計。綠色創(chuàng)新設(shè)計可在很大程度上提高農(nóng)機裝備的創(chuàng)新水平，是一種實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的重要方法。

2.4人機創(chuàng)新設(shè)計方法分析

人機是通過優(yōu)化人——機器——環(huán)境三者之間的相互關(guān)系和合理匹配以達(dá)到產(chǎn)品操作安全、可靠、高效、舒適的要求，它涵蓋了人機界面、作業(yè)器具、作業(yè)空間、作業(yè)環(huán)境及人機系統(tǒng)等多個方面的創(chuàng)新設(shè)計[8]。通過系統(tǒng)地人機工程創(chuàng)新設(shè)計，可實現(xiàn)產(chǎn)品由粗獷到精致的品質(zhì)提升和建立良好的用戶體驗，提高產(chǎn)品的人性化設(shè)計，縮短用戶和產(chǎn)品的情感距離，生活中多數(shù)的產(chǎn)品都直接或間接的進(jìn)行了人機工程設(shè)計，如航空航天產(chǎn)品的駕駛室、汽車內(nèi)飾、高鐵座椅等相關(guān)設(shè)備都進(jìn)行了人機工程的創(chuàng)新設(shè)計，滿足了人類的人性化需求。在農(nóng)機裝備領(lǐng)域人機設(shè)計中，常涉及的有駕駛室作業(yè)空間及視野、座椅、顯示設(shè)備（儀表）、操作裝置等與人與直接關(guān)系的設(shè)計方向，隨著計算機信息技術(shù)和智能化的發(fā)展，又涵蓋了人機交互設(shè)計和用戶體驗設(shè)計等，進(jìn)一步提高了市場對農(nóng)機裝備創(chuàng)新設(shè)計的要求[9]。

3基于現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計理念的農(nóng)機裝備創(chuàng)新設(shè)計方法應(yīng)用

國家農(nóng)機裝備創(chuàng)新中心以市場為導(dǎo)向，努力通過提高農(nóng)機裝備的創(chuàng)新設(shè)計將農(nóng)民雙手從農(nóng)田里解放出來，從現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計理念的概念、仿生、綠色和人機四個不同角度重新定義新型農(nóng)機裝備創(chuàng)新設(shè)計的方向，自主研發(fā)的國內(nèi)首臺無人機駕駛新能源拖拉機-超級拖拉機Ⅰ號，如圖1，集成了無人駕駛系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、中置電機及驅(qū)動系統(tǒng)、智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)等核心系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，進(jìn)而實現(xiàn)整車自主作業(yè)、自動避障、路徑規(guī)劃、故障診斷及處理、機具控制、能量管理等功能，并實現(xiàn)恒耕深、恒牽引力等智能識別與控制功能，超級拖拉機Ⅰ號首次在武漢國際農(nóng)機展上一經(jīng)亮相便引起行業(yè)內(nèi)外和央視在內(nèi)多家媒體的強烈關(guān)注，并取得良好的創(chuàng)新示范效果。在概念創(chuàng)新設(shè)計方面，超級拖拉機開發(fā)流程的概念階段，就對超級拖拉機的功能實現(xiàn)形式和工作場景的創(chuàng)新定義，不再針對傳統(tǒng)拖拉機的工作形式進(jìn)行簡單復(fù)制，而是針對能夠?qū)崿F(xiàn)無人駕駛作業(yè)和信息數(shù)據(jù)管理的農(nóng)場，集成現(xiàn)代信息技術(shù)和顛覆傳統(tǒng)的農(nóng)機作業(yè)模式，為未來農(nóng)機裝備創(chuàng)新提供了新的思路。在仿生創(chuàng)新設(shè)計方面，超級拖拉機Ⅰ號整車形態(tài)充分采用仿生元素進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，打破傳統(tǒng)拖拉機的造型形態(tài)和工作場景，采用流線型仿生設(shè)計理念，搭配科技動感的鯊式呼吸燈設(shè)計元素，使得外觀造型霸氣的拖拉機顯示出科技感和時代感，在整體造型上一改往日傳統(tǒng)拖拉機給人粗獷和笨重的形象，仿生設(shè)計的整車形態(tài)易于讓用戶接近和體驗不同的創(chuàng)新設(shè)計。在綠色創(chuàng)新設(shè)計方面，超級拖拉機Ⅰ號整機采用綠色新能源動力電池系統(tǒng)設(shè)計，通過電驅(qū)動底盤設(shè)計實現(xiàn)整車的電池動力驅(qū)動、換擋、轉(zhuǎn)向及提升，擯棄傳統(tǒng)柴油動力系統(tǒng)，從而可減少能源的消耗和環(huán)境污染，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，符合現(xiàn)代農(nóng)機裝備的發(fā)展趨勢。在人機創(chuàng)新設(shè)計方面，超級拖拉機Ⅰ號的設(shè)計采用人機交互設(shè)計和人機工程設(shè)計，車身上的激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、工業(yè)相機、GNSS天線傳輸數(shù)據(jù)至控制基站，由基站數(shù)據(jù)處理之后傳輸至用戶終端，用戶可通過終端查看機器的工作情況。車身的急停按鈕、鑰匙開關(guān)、充電端口及車門按鍵通過人機工程設(shè)計，可實現(xiàn)用戶更為安全、方便、高效的操作，終端設(shè)備的人機界面通過圖形界面設(shè)計和人機交互設(shè)計，能夠讓用戶更為有效的方式實現(xiàn)人與機器的對話，實現(xiàn)人機交互效率最大化。

4結(jié)語

市場激烈的競爭和用戶的渴望需求，促使企業(yè)需要加強對農(nóng)機裝備的創(chuàng)新設(shè)計，把現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計理念中的創(chuàng)新設(shè)計方法融入到農(nóng)機裝備的研發(fā)流程中，可有利于企業(yè)開拓眼界和提高創(chuàng)新意識，進(jìn)一步增強我國農(nóng)機裝備的創(chuàng)新設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

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作者：程超然 王云飛 張玉成 單位：國家農(nóng)機裝備創(chuàng)新中心洛陽智能農(nóng)業(yè)裝備研究院有限公司