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工业产品形态人机设计理论方法研究

作　者: 骆磊
导　师: 陆长德
学　校: 西北工业大学
专　业: 航空宇航制造工程
关键词: 工业产品设计形态设计人机工程学遗传算法设计评价计算机辅助工业设计驱动设计
分类号: TB472
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

形态设计是计算机辅助工业设计中至关重要的环节。产品形态不仅是保证产品功能的载体，也是决定产品人机性能的关键因素。在产品形态设计中，基于产品信息空间分析形态影响的人机性能，是解决产品计算机辅助形态设计的有效策略。本文在以下几个方面展开了较深入的研究：1．形态人机设计信息空间构架通过对产品形态设计的人机交互分析，将产品的形态分为人机形态和技术形态。研究了基于数据信息的产品形态设计的内部过程和外部过程，分析了两者的构成和特征。针对涉及人机性能的形态设计，提出了人机性能加入形态设计的方法。根据产品设计信息空间结构，构建了以抽象程度和编码程度为变量的形态人机设计信息空间，用于产品形态人机设计的详细规划。2．信息驱动的产品形态人机设计研究了信息驱动的产品形态人机设计方法，依据产品人机交互的过程及目标，给出了产品人机交互环节的人机性能要求。提取与人机性能有关的产品形态要素，分析其约束条件，设计了手机形态人机设计过程的参数化表达式。分析产品人机交互的过程和性能评价、人体形态与姿态参数，研究了实例产品使用过程中的两个关键动作：持握和按键。应用遗传算法提出形态人机设计的求解算法，将产品形态人机设计归结为若干优化求解问题，解决了实例产品形态设计任务中设计目标多、约束条件多的矛盾。3．形态人机设计的评价指标分析了基于感性工学的形态设计评价方法，从影响产品形态人机交互的角度，将产品的形态性能分解为人机因子和形态因子，选取了形态评价的指标因子。通过分析产品形态对用户消费行为的影响，确定了评判产品形态优劣的形态要素及方法。选取手机样本并分析手机形态要素，创建了手机形态要素描述表，给出了手机静态要素和动态要素的组成。依据手机形态要素描述表，对手机样本的造型要素进行了编码。4．形态人机设计的评价模型通过调查问卷方式获取产品实例样本评价结果，以手机样本造型要素编码表中的类目取值为自变量，建立其多元线性回归模型，得到的手机产品的类目得分。建立了两种产品形态人机设计评价模型：基于数量化Ⅰ类理论对产品形态人机设计进行线性评价；基于GA-PSO混合规划算法实现了对形态人机设计的非线性评价。对两种评价模型进行了比较，基于GA-PSO混合规划算法的非线性评价模型优于基于数量化Ⅰ类理论的线性评价模型，更接近产品市场的实际情况。5．产品形态人机设计原型系统提出了基于Solidworks平台的产品形态人机设计解决方案。以产品形态人机设计理论方法为基础，兼顾产品整体形态和细节部件，开发了产品形态人机设计原型系统。以项目背景为依托对原型系统进行应用验证，初步证明了基于产品信息空间的形态人机设计理论方法是一种符合计算机辅助工业设计模式的设计方法。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-27
  1.1 产品形态人机设计概述  12-14
    1.1.1 产品形态  12-13
    1.1.2 产品形态人机设计  13-14
  1.2 产品形态人机设计研究现状  14-21
    1.2.1 人体测量学  14-15
    1.2.2 虚拟人  15
    1.2.3 人机交互  15-17
      1.2.3.1 人机界面  15-16
      1.2.3.2 人机接触  16-17
    1.2.4 容错设计  17-18
    1.2.5 人机工程学的应用  18-19
      1.2.5.1 飞机驾驶舱的人机设计  18
      1.2.5.2 汽车驾驶室的人机设计  18-19
    1.2.6 人机设计软件系统  19-21
  1.3 产品形态人机设计发展趋势  21-23
  1.4 人机CAID发展趋势  23-25
    1.4.1 人机CAID的辅助对象  23
    1.4.2 人机CAID的辅助过程  23-24
    1.4.3 人机CAID的辅助方法  24-25
  1.5 项目背景  25
  1.6 论文内容结构  25-27
第二章形态人机设计的信息空间  27-41
  2.1 产品形态设计的人机信息  27-31
    2.1.1 产品的形态的作用  27-28
    2.1.2 产品形态的人机交互通道  28-30
    2.1.3 产品的人机形态与技术形态  30-31
  2.2 基于数据信息的产品形态设计过程  31-36
    2.2.1 产品形态产生的内部过程  31-33
      2.2.1.1 内部过程的构成  31-32
      2.2.1.2 内部过程的特征  32-33
    2.2.2 产品形态演化的外部过程  33-35
      2.2.2.1 外部过程的构成  33-34
      2.2.2.2 外部过程的特征  34-35
    2.2.3 设计信息对设计过程的推动  35-36
  2.3 产品形态人机设计信息空间  36-40
    2.3.1 产品设计信息空间的结构  36-38
    2.3.2 产品形态人机设计信息空间的结构  38-40
  2.4 本章小结  40-41
第三章信息驱动的产品形态人机设计  41-67
  3.1 研究实例的选择  41-42
  3.2 形态人机交互任务分析  42-44
    3.2.1 产品形态的人机设计目标  42-43
    3.2.2 产品的人机交互过程  43-44
  3.3 形态设计要素的操作方式与约束分析  44-47
    3.3.1 形态设计要素的操作方式  44-46
    3.3.2 形态设计要素的约束分析  46-47
  3.4 人机交互过程分析与人机性能评价  47-54
    3.4.1 人机交互过程的分析评价方法  47-48
    3.4.2 人体形态与姿态参数  48-49
    3.4.3 手机人机交互分析及评价  49-54
      3.4.3.1 持握动作的人机交互分析及评价  49-53
      3.4.3.2 按键动作的人机交互分析及评价  53-54
  3.5 产品形态人机设计方案的求解  54-65
    3.5.1 求解过程和特点  54-56
    3.5.2 遗传算法原理及其在设计求解中的应用  56-57
    3.5.3 基于遗传算法的人机形态求解过程  57-65
      3.5.3.1 求解方案  57-58
      3.5.3.2 求解算子  58-65
  3.6 本章小结  65-67
第四章产品形态人机设计的评价指标体系  67-82
  4.1 形态设计评价方法概述  67-71
    4.1.1 形态评价在形态设计中的作用和地位  67-68
    4.1.2 形态评价相关研究概述  68-70
    4.1.3 基于感性工学的产品形态评价方法  70-71
  4.2 形态设计评价指标因子的选取  71-74
    4.2.1 产品的形态性能  71-72
    4.2.2 形态设计评价指标  72-74
  4.3 产品形态要素分析  74-76
    4.3.1 产品形态对顾客消费行为的影响  74-75
    4.3.2 产品形态要素选取与分类  75-76
  4.4 手机形态要素描述  76-81
    4.4.1 手机样本选取  76
    4.4.2 手机形态要素分类  76-79
    4.4.3 手机样本形态要素编码  79-81
  4.5 本章小结  81-82
第五章产品形态人机设计的评价模型  82-100
  5.1 产品形态人机设计调查  82-84
    5.1.1 调查用户的选取  82-83
    5.1.2 调查问卷设计及统计  83-84
  5.2 基于用户认知的形态评价模型  84-91
    5.2.1 产品形态设计评价模型  84-86
    5.2.2 形态指标因子定义及计算  86-90
      5.2.2.1 数量化I类理论  86-88
      5.2.2.2 手机评价模型的计算  88-90
    5.2.3 手机形态评价模型的检验  90-91
  5.3 基于GA-PSO混合规划算法的形态评价模型  91-98
    5.3.1 GA-PSO混合规划算法  91-96
      5.3.1.1 解的描述  92-93
      5.3.1.2 GA规划算法  93-94
      5.3.1.3 GA-PSO规划算法  94-96
    5.3.2 基于GA-PSO棍合算法的非线性评价模型  96-98
  5.4 本章小结  98-100
第六章产品形态人机设计原型系统开发及应用  100-112
  6.1 产品形态抽象化处理  100
  6.2 人手模型建模  100-104
  6.3 产品形态人机设计原型系统  104-111
    6.3.1 形态人机设计  104-108
    6.3.2 形态细节设计  108-111
  6.4 本章小结  111-112
第七章结论  112-116
  7.1 主要研究工作及成果  112-113
  7.2 主要创新点  113-114
  7.3 结论  114-115
  7.4 需要进一步研究的工作  115-116
参考文献  116-126
攻读博士学位期间的研究工作及成果  126-128
致谢  128-129
附录: 附表1  129-134

工业产品形态人机设计理论方法研究

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