基于FBS-TRIZ模型的蔬果采摘机器人设计研究.pdf

第 46 卷 第 12 期 包 装 工 程 2025 年 6 月 PACKAGING ENGINEERING 83 收稿日期 2025 01 29 通信作者 基于 FBS TRIZ 模型的蔬果采摘机器人设计研究 巩超 宋欣儒 张龙 郑雨薇 金硕 朱家谊 汤羽京 北京理工大学 北京 100081 摘要 目的 为解决采摘机器人产业化进程中 功能实现与用户体验脱节 的问题 旨在构建一套以用 户体验为导向的功能识别与优化路径 提升人机装备交互系统的适配性与用户满意度 方法 首先 采 用扎根理论 聚焦装备特性 从现有文献中提炼蔬果采摘机器人核心功能 构建功能框架 其次 结合 用户行为特征和典型使用情境开展用户调研 融合深度访谈与 Kano 模型识别影响满意度的核心功能要 素 最后 基于 FBS 模型构建 功能 行为 结构 映射 并利用 TRIZ 发明原理 为化解设计矛盾生成 创新设计方案提供理论指导 结果 通过结合典型用户场景下的主观评估 引入 JACK 人体工效仿真工 具对关键交互动作进行模拟分析 结果表明 优化方案在操作便捷性 协作安全性等方面表现优异 显 著提升用户满意度 结论 本研究建立的用户体验导向功能识别与设计优化路径 强化了功能逻辑与体 验感知的协同 FBS TRIZ 融合策略为解决蔬果采摘机器人产业化进程中的用户体验瓶颈提供了规范化 可复制的参考框架 具有良好的推广应用潜力 关键词 蔬果采摘机器人 用户体验 FBS TRIZ 融合模型 中图分类号 TB472 文献标志码 A 文章编号 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 装 工 程 2025 年 6 月 全球农业生产正面临粮食需求增长与劳动力短 缺的结构性矛盾 在智慧农业背景下 推动农业生产 向自动化 智能化加速转型 已成为提高我国农业生 产效率与可持续性的关键路径 1 当前我国农业生产 对采摘机器人的需求快速刚需化 产业化已成为其未 来发展的核心目标和必然趋势 2 通过文献研究发 现 传统采摘机器人的研究多以技术驱动为主 侧重 作业效率与环境适应性 对用户使用体验关注显著不 足 导致产品功能与用户使用体验之间存在冲突 在 此背景下 引入工业设计视角 有助于实现设计思维 与工程技术的深度融合 推动传统采摘机器人从专业 装备向用户导向型产品转变 3 因此 本研究旨在构建基于用户体验的功能优化 路径 探索 FBS TRIZ 融合方法在采摘机器人设计优 化中的应用实践 响应采摘机器人作业对象动态行为 特征 装备自身特性 复杂作业环境等特殊要求 为 农业智能装备的用户导向创新提供理论与方法参考 并对以采摘机器人为代表的农业装备产业化进程具 有现实推动意义 1 采摘机器人研究现状分析 1 1 技术驱动导向的采摘机器人创新路径区域对比 我国对采摘机器人的研发已经超过 20 年 2020 年 起大量企业涌入采摘机器人产业 从此开启了我国采 摘机器人的产业化时代 但企业多面向科教 示范进 行单台定制 与美国等西方发达国家直接面向农业生 产应用相比 技术表现及产业化进程都较为落后 4 6 通过对国内相关文献的系统梳理以分析发展现 状 深度学习 机器视觉 末端执行器 机械臂 路 径规划等技术术语高频出现在研究论述中 陈青等 7 针对现阶段苹果采摘机器人采摘速度低 成功率低等 问题 从农机农艺结合 优化识别算法 多传感器融 合 多臂合作 人机协作等方面提出未来研究方向的 重点 王明友等 8 针对菇类及其生长环境的特性 结 合菇类采摘机器人发展现状 从结构优化 视觉算法 智能控制系统 多臂协同四个方面提出未来菇类采摘 机器人发展方向 孙成宇等 4 对国内外蔬菜采摘机器 人研究现状和关键技术进行了评估 重点对目标识 别 定位和末端执行器的优化等方面存在的不足进行 了分析并做出展望 整体来看 国内研究已涵盖多类 作业对象与典型应用场景 技术路线日趋多元 但仍 以关键模块的技术突破为主 缺乏对系统协同机制及 复杂环境下作业行为特征的深入响应 相比之下 欧美等发达国家在采摘机器人研发方 面已形成更为系统的研究范式 一方面 同样专注于 识别精度 避障 复杂场景适应等核心子系统的开发 另一方面 研究思路正从单点技术优化向系统集成转 变 9 由不同研究小组开发的子系统的优化和集成并 不容易实现 部分学者呼吁建立开放的协作文化以汇 集不同研究小组的人才和力量 并加快解决方案的制 定 此外 部分研究提出 在自主作业尚难以完全替 代人工的阶段 人机协作机制可作为缓解技术瓶颈的 过渡策略 10 这一趋势表明 国外研究不仅关注采摘 作业对象的行为特征与作业环境的复杂性 也重视技 术性能与应用适应性的双向协调 综合上述文献分析可知 我国在采摘机器人领域 已经取得了许多技术突破并重视对不同生产场景的 响应和作业对象特性的适配探索 当前研究仍普遍呈 现以技术突破为导向 对系统集成与交互机制关注不 足 致使产业化进程推进缓慢 国外研究已从技术优 化逐步迈向系统集成与协作机制的研究并探索开放 协作文化和人机协同策略 以应对当前自主采摘尚未 完全成熟的现实局限 两者在研究思路与路径上存在 差异 也为采摘机器人设计研究提供了互补的视野与 方法启示 凸显了构建以用户体验为导向 融合系统 约束条件的创新设计策略的重要性 1 2 工业设计介入的产业化范式转型 全球采摘机器人的产品化进程正在不断加速 推 动采摘机器人产业化进程演进对提升我国农业竞争 力 应对劳动力短缺及推动农业现代化具有战略意 义 制约采摘机器人产业化发展的主要原因除技术 外 还包括有效市场需求不足 创新能力和动力不足 产学研协同机制不健全 用户认知和接受障碍 市场 竞争与产业生态等问题 11 采摘机器人等装备制造类 产品的功能明确 内部结构相对复杂且稳定 工业设 计在其传统产品研发过程中处于附属地位 但随着行 业产业化进程的推进 工业设计在提升产品品质 品 牌价值 市场竞争能力等方面起到主导作用 使越来 越多学者和企业开始关注其在采摘机器人设计研发 中的路径与策略 董佳丽等 12 强调 以拖拉机为例的传统农业装 备主要以技术创新为驱动 但随着社会的发展 用户 的可选择性也逐渐增多 企业意识到用户需求的重要 性 产品设计也逐渐由技术导向转化为需求导向 赵 可恒 13 认为 产业升级创新离不开工业设计 从造 型设计 人机关系改良 品牌创建与管理等层面提出 了工业设计参与装备制造产业升级的基本路径 敖进 等 3 对工业设计主导下的非标装备设计进行系统研 究以谋求产业升级的路径 认为工业设计思维不仅在 前期概念设计阶段发挥引领作用 更能在中后期起到 协调作用 效用评估和落地推广作用 贯穿了工程设 计全流程 工业设计学科视域在采摘机器人等农业装 备设计的创新升级中能够有效弥合当前技术驱动导 向下的研究范式局限 从用户需求出发系统性整合科 技 生产 文化与艺术等资源并转化为现实生产力 在装备研发的全生命周期中发挥独特作用 13 14 既有研究已明确工业设计在造型优化 全流程协 同 需求导向转型等方向对农业装备设计的多维价 第 46 卷 第 12 期 巩超 等 基于 FBS TRIZ 模型的蔬果采摘机器人设计研究 85 值 但在面向采摘机器人产业化的实践中 仍普遍存 在系统化设计工具缺失问题 尤其在用户需求获取与 技术功能构建之间 缺乏结构化 可操作的中介工具 与方法论支撑 导致 需求 功能 映射链条存在断 层 制约了以用户体验为核心的设计理念在采摘机器 人为代表的农业装备设计流程中的有效转化 2 融合 FBS 和 TRIZ 的采摘机器人设计理 论创新 2 1 FBS 模型与 TRIZ 理论的概述及互补性分析 利用策略化创新的思想 使用具有可操作性和可 视化的创新方法指导产品设计是解决装备产品设计 中不同问题的有效方法 15 针对这些具体方法进行组 合和完善 以解决某一系列具体问题 改变了传统设 计仅凭经验和直觉的设计模式 从策略化创新思想的角度出发 TRIZ 和 FBS 分 别被视为面向问题和面向目的的创新方法 TRIZ 发 明问题解决理论是一种基于技术进化规律的系统创 新方法 能够结构化地解决问题 快速生成创新方案 但存在对早期需求定义不足 提供的解决方案较为抽 象等问题 16 功能 行为 结构模型 FBS 作为知识 表示模型 能够从三个层次系统地解释设计问题的本 质及解决方案 实现从抽象需求到具体化 形式化设 计的映射 17 两种方法分别弥补了 FBS在创新方案生成不足和 TRIZ 对需求定义模糊的缺点 实现了系统性与创新 性的平衡 但缺乏对装备特性 使用人群特征 作业 场景等领域特殊性的响应 席上琳等 18 在 FBS TRIZ 融合模型的基础上 聚焦人机环相互影响下的特殊需 求 利用数字仿真场景辅助结构优化 构建地垄式栽 培草莓采摘机器人设计方法理论框架 胡鹏骁等 19 提出了基于 SA FBS TRIZ 理论的可变功能应急产品 设计方法 关注不同场景下功能到结构的映射变化 利用 TRIZ 分析和化解矛盾最终获得设计方案 通过梳理现有研究可以发现 当前该融合方法在 产品设计领域的应用已日臻成熟 虽多聚焦于普适性 的技术路径和功能实现层面 但对作业环境等领域特 殊性的关注已开始在设计方法改良中有所体现 然而 对用户满意度驱动机制的系统性分析仍存在显著缺 失 12 这种局限性导致该方法虽能为采摘机器人的结 构改良 性能升级提供技术指导 却未能在考虑装备 领域特殊性的前提下 将功能属性对用户满意度的差 异化影响纳入设计决策框架 导致采摘机器人在用户 体验方面的提升缺乏可量化的理论依据 进而限制了 采摘机器人的市场渗透与产业规模化进程 2 2 基于 FBS 和 TRIZ 的蔬果采摘机器人设计研究 框架 为确保新的设计研究框架在蔬果采摘机器人设 计领域的适用性与有效性 有必要在方法体系中引入 针对该领域关键特性的适配性约束 基于 人 机 环 系统视角 本文从装备特性 使用者行为特征与作业 场景三方面出发 作为约束对象嵌入设计流程之中 以增强模型对实际应用环境的响应能力 针对传统 FBS TRIZ 融合模型在蔬果采摘机器人 设计研究前期调研阶段需求捕获存在的局限性 20 本 研究构建了基于扎根理论与 Kano 模型的系统性研究 框架 见图 1 1 以装备特性作为约束条件筛选国内外相关文 献 通过系统梳理国内外蔬果采摘机器人相关研究 运用主题建模与扎根理论三级编码方法 提取蔬果采 摘机器人核心功能 2 以作业场景作为约束条件 采用多轮半结构 化访谈获取用户在特定场景下的原始需求陈述 通过 比较分析法建立需求陈述与文献功能集的映射关系 进而甄别出对用户使用体验产生显著影响的关键功 能特征 3 进而以使用者行为特征作为约束条件 基于 初步识别的用户体验相关功能特征 构建 Kano 模型 调查问卷进行量化评估 最终确定符合使用者行为特 征能够对用户满意度产生显著影响的关键功能子集 通过这一系统性研究框架 识别并量化与用户体 验直接相关的功能特征 并在上述三个约束条件的指 导下 将与用户体验相关的功能作为 FBS 模型中 Function 层输入 FBS TRIZ 框架 指导后续的功 能开发和优化 在设计方案验证评估阶段 进一步引 入作业场景作为约束条件 通过构建典型任务情境验 证设计方案在目标环境的应用有效性 此种以领域特殊性为前提 用户体验为核心的功 能约束 不仅完善了从需求获取到功能提取再到体验 验证的研究链路 更有效将后续设计研究重点聚焦于 采摘机器人在真实作业场景中的交互适应性与用户 满意度提升 3 蔬果采摘机器人设计示例 3 1 采摘机器人核心功能提取 本节旨在提炼出具备概括性与可操作性的蔬果 采摘机器人核心功能要素 并为后续与用户体验需求 的关联分析提供结构化基础 鉴于当前我国蔬果采摘机器人产业化进程尚处于 初级阶段 市场中采摘机器人产品数量较少 直接获 取成熟产品功能集的可行性受限 为此 将文献深度 编码作为采摘机器人核心功能的提取路径 在 CNKI 中国知网 Web of Science 数据库中检索蔬果采摘机 器人相关文献 检索时间均聚焦到 2020年 1 月至 2025 年 4 月 同时排除会议 报纸 图书等形式和被引次 数较低的文献 通过阅读摘要将符合装备特性作为约 86 包 装 工 程 2025 年 6 月 图 1 基于 FBS TRIZ 的蔬果采摘机器人设计研究框架 Fig 1 Design and research framework of vegetable and fruit picking robot based on FBS TRIZ 束条件筛选 排除内容关联度较弱的文献 共纳入符 合约束条件的中文文献 15 篇 英文文献 6 篇 作为 后续文献分析的原始资料 在功能要素的识别过程中 本研究采用开放编 码 主轴编码 选择编码三阶段方法 以提高核心功能 集提取的系统性与逻辑一致性 首先 在开放编码阶 段 围绕蔬果采摘机器人的典型作业流程对所选文献 进行逐段梳理 提取具有代表性的原始功能表征词并 进行初步概念归类 其次 在主轴编码阶段 建立采 摘机器人功能间的内在联系与层级结构 最后 在选 择编码阶段 综合功能出现频率 技术可实现度等维 度 对核心功能进行筛选归纳 最终形成涵盖识别 采收 移动 控制等关键环节的功能子集 见表 1 本小节梳理并归纳出蔬果采摘机器人在实际应 用中具有代表性的核心功能要素 形成结构化功能表 征框架 为后续构建用户体验导向的设计逻辑提供了 功能维度的基础支撑 可以发现 国内外对蔬果采摘 机器人的相关研究主要侧重于技术驱动效率提高和 系统稳定性的优化 功能往往作为技术实现的隐含结 果被间接呈现 而较少以用户视角或系统功能逻辑进 行明确描述与界定 下一阶段将以此功能集为参照 深入挖掘用户在实际操作过程中的体验感知与潜在 需求 实现功能层与体验层的有机映射 为采摘机器 人设计方案的优化与迭代提供方向指引 3 2 基于用户体验的功能需求识别 由于当前蔬果采摘机器人产品形态尚不成熟 直 接基于产品反馈构建体验评价体系的可行性有限 因 此 在前一节基于文献的核心功能体系构建基础上 本节进一步引入用户视角 第 46 卷 第 12 期 巩超 等 基于 FBS TRIZ 模型的蔬果采摘机器人设计研究 87 表 1 蔬果采摘机器人核心功能要素 Tab 1 Core functional elements of vegetable and fruit picking robots 功能主题 功能表征 实例 A 1 识别定位果实 光学视觉 图像视觉 智能感知 超 声传感器等 通过视觉系统获取多幅点云图像建立果树的三维点云模 型 获取果实位置信息 21 A 2 果实采 收 运 机械臂 末端执行器 收集果实的传 送带等 果园智能机器人可以在果园里配合导航系统 红外系统等 实现自动寻果 收果 分级等 22 A 3 自主行走 自主导航 无人驾驶 智能履带底盘 多轮驱动等 与现在设施种植轨道配套的自主移动平台 22 A 4 智慧决策 任务规划 路径规划 故障诊断 知识 推理等 智能决策 包括任务规划 路径规划 轨迹规划 运动规 划等 23 A 5 操作平台 界面 人机交互界面 移动端等 在机械设计过程中 恰当地考虑人机交互 可使得人们在 使用采摘机械作业时 更加省力舒适 24 A 6 常态监控 实时作业监控 远程监控 无人机等 通过系统搭建采摘机器人远程视频监控 开发了视觉与 DGPS 结合的导航系统 25 A 7 人工辅助 辅助人工 人工判断 辅助劳动者采收等 集成了人工判断和机器人精确运动能力 7 A 8 语音控制 语音控制 在采摘机器人作业过程中 如果需要对采摘机器人进行远 程控制 可以向机器人控制系统发出语音指令 26 为全面了解蔬果采摘机器人在实际应用中直接 影响用户体验的功能 通过多轮深度访谈收集目标 用户群体的原始需求要素 访谈对象覆盖北京 浙 江 广东 湖北 江西等多个省级行政区域种植不同 蔬果的种植户 访谈过程以作业场景为约束 围绕用 户使用采摘机器人过程中的操作体验 情感与信任 因素 使用困惑与期望改进方向等方面展开 旨在从 真实使用情境中挖掘影响体验的关键 因素 采用 NVivo 对访谈资料进行编码 构建影响用户体验的核 心主题并进一步抽象整合出与用户体验高度相关的 功能特征 在逐步提炼体验导向功能的过程中 首先 通过 逐句分析访谈文本 识别出如 操作步骤太多记不住 机器遇到障碍需要人帮忙跨过障碍 等具体表达 将其标记为初级节点 操作引导缺失 缺乏维护指 示 等 其次 将具有关联性的初级节点归类形成中 层主题 如 操作流程引导 远程控制方式 工作 状态反馈 等功能体验维度 最终 整理和归纳的过 程并非完全开放性探索 而是基于文献编码所建立的 核心功能集为参照 以已有功能类别为框架进行映射 与整合 27 建立体验要素与技术功能之间的结构化 关联 表 2 展示了此分析路径中的代表性功能项 例 如 用户关于 设置路径和引导流程 的陈述 经过 编码整合为 在操作平台 界面进行操作引导 B 1 最终归入 操作平台 界面 A 1 用户希望机器人 反馈当前工作状态与进度 归为 反馈机器人工作 状态 进度 B 4 对应 常态监控 A 6 而关于 人工辅助越障 人工复检采摘 的表述则被编码 为 反馈人机协作需求 B 6 映射到 常态监控 A 6 功能维度 完整映射关系如表 2 所示 为克服深度访谈阶段用户样本量有限所可能带 来的主观性偏差 增强研究结论的代表性与客观性 在初步提炼的影响用户体验的功能特征的基础上 引 入 Kano 模型问卷调查 Kano 模型在本研究中承担了 以使用人群特征为约束条件 筛选对用户满意度提升 具有显著作用的关键功能子集的重要作用 通过收集 表 2 体验相关功能要素 来源与核心功能要素映射关系表 Tab 2 Mapping relationship between experience related functional elements sources and core functional elements 体验相关功能要素及编号 来源节点 映射核心功能要素 B 1 在操作平台 界面进行操作引导 设置路径和初始参数 引导操作流程等 A 5 操作平台 界面 B 2 故障诊断及维护引导 紧急故障维护指南等 A 6 常态监控 B3 语音控制 语音控制等 8 语音控制 B 4 反馈机器人工作状态 进度 定位反馈 工作进度反馈 监控机器人作业等 A 6 常态监控 B 5 远程控制 在手机或其他移动端口操作等 A 5 操作平台 界面 B 6 反馈人机协作需求 人工辅助跨越障碍 人工复检采摘 避免磕碰果农等 A 6 常态监控 B 7 收集时避免损伤水果 收集果实等 2 果实采 收 运 B 8 控制工作中机器人改变路径 自主行走 预设路径碾压作物等 A 7 人工辅助 辅助人工 88 包 装 工 程 2025 年 6 月 目标用户群体对不同功能特征的满意度评价 实现以 用户群体特征为前提的功能分类与优化取舍 最终 将各功能需求要素区分为魅力属性 A 期待属性 O 无差异属性 I 必备属性 M 反向属性 R 和可疑属性 Q 如表 3 所示 以获取对提升 用户满意度具有显著影响的功能 28 本次调研通过线上 线下渠道共计发放 123 份问 卷 其中有效问卷 120 份 根据问卷调查结果 计算 Better Worse 满意度系数如表 4 所示 对各项功能需 求进行属性分类 表 3 Kano 模型评价结果分类对照表 Tab 3 Classification of Kano model evaluation results 功能 负向题 很不喜欢 1 分 勉强接受 2 分 无所谓 3 分 理所当然 4 分 很喜欢 5 分 正向题 很不喜欢 1 分 Q R R R R 勉强接受 2 分 M I I I R 无所谓 3 分 M I I I R 理所当然 4 分 M I I I R 很喜欢 5 分 O A A A Q 表 4 用户功能需求分类结果 Tab 4 Classification results of user functional requirements 编号 M O A I R Q B W 要素类型 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 由如图 2 所示的 Better Worse 系数分析可知 与 用户体验相关的功能要素中 共有 6 项需求应在蔬果 采摘机器人设计中体现 其中 必备需求功能包括操 作引导 B 1 和反馈机器人工作状态和进度 B 4 如缺失必备功能将直接引发用户不满 期望需求功能 包括故障诊断及维护引导 B 2 及控制工作中的机器 人改变路径 B 8 其实现程度直接影响用户对产品 满意度 魅力需求功能包括远程控制 B 5 和反馈人 机协作需求 B 6 此两项功能能够显著提高用户体 验 应作为设计改良重点加以关注 上述结论表明 图 2 Better Worse 系数分析 Fig 2 Better Worse coefficient analysis chart 在后续设计研究中需首要保证 B 1 B 4 两项必备功能 的操作稳定性与流畅性 其次通过优化功能 B 2 B 8 提高效率与可控性 而后在保证不干扰基础功能的前 提下实现功能 B 5 B 6 以进一步增强整体用户体验 3 3 采摘机器人的 FBS 模型推导 在前期研究过程中 识别了蔬果采摘机器人在 实际作业场景中对用户体验产生显著影响的六项核 心功能 这些功能充分考虑了用户对优化体验和提 升附加价值的创新诉求 将六项功能作为采摘机器 人设计要素 利用 FBS 模型进行功能 行为 结构映 射 揭示三个层次之间的逻辑关系 29 为后续矛盾挖 掘与 TRIZ 求解提供依据 基于 FBS 模型的映射关系 如图 3 所示 在 FBS 模型对功能层 行为层 结构层依次推导 的过程中充分考虑装备特性 使用人群特征 作业场 景三项约束因素带来的影响 提高基于 TRIZ 解决问 题的精确度和有效性 从而识别不同层次间相互影响 和制约的因素 以最大限度揭示潜在的矛盾冲突并消 除其对系统性能与用户体验的消极影响 通过 FBS 模型对功能层 行为层与结构层的系 统映射 明确了各功能要素的实现路径与所需支撑结 第 46 卷 第 12 期 巩超 等 基于 FBS TRIZ 模型的蔬果采摘机器人设计研究 89 图 3 基于 FBS 模型的映射关系 Fig 3 Mapping relationship based on FBS Model 构并在推导过程中识别出多个关键冲突 见表 5 这 些冲突并非孤立存在 而是由多种行为与结构之间的 耦合关系所引发 在制约功能实现的同时也对用户体 验造成潜在影响 例如 在操作平台 界面进行操作引导 功能 对应用户 明确预完成任务 调节参数 等行为 而这些行为又要求相应结构模块 如任务输入和引导 模块 参数调整与设置等模块予以支持 通过映射 不仅揭示目标功能实现的路径 也进一步暴露出因多 任务协同 操作链条复杂与用户期望简洁操作之间的 不匹配所引发的操作简洁性与任务复杂度之间的结 构性矛盾 3 4 基于 TRIZ 的设计要素矛盾冲突求解 TRIZ 是找出并解决产品概念方案冲突矛盾的有 效手段 本研究在 FBS 模型推导基础上识别出影响 功能实现与用户体验冲突矛盾 为进一步优化设计策 略 将其转化为 TRIZ 矛盾矩阵中待改善的参数和恶 化的参数 如表 5 所示 以应用发明原理寻找可行解 决策略 结合设计思维的迭代优化 提出相应的解决 方案 30 将在前文共 5 个小节中围绕表 5 所列矛盾 依次展开分析求解 3 4 1 操作简洁性与任务复杂度间的矛盾 矛盾介绍 操作简洁性体现在用户对减少操作 步骤 精简界面布局以降低学习和使用成本的诉求 任务复杂度则表现为系统需支持多功能模块的操作 行为并承载丰富的信息 这一矛盾在实际应用中尤为 突出 为改善 No 33 操作方便性 如 采摘标准预设 抓握力度调节 环境校准 等功能的多重入口频 繁造成误触和寻触负担 应当对复杂任务所需的多维 功能需进行取舍和整合 这与 No 36 系统复杂性产生 表 5 基于 TRIZ 的采摘机器人设计冲突构建 Tab 5 Conflict construction in design of picking robots based on TRIZ 冲突构建 对应的参数 矛盾类型 冲突一 操作简洁性与任务复杂度之间的矛盾 待改善 No 33 操作方便性 技术矛盾 恶化 No 36 系统复杂性 冲突二 信息反馈丰富性与用户受干扰程度间的矛盾 待改善 No 24 信息丢失 技术矛盾 恶化 No 37 控制与测量的复杂度 冲突三 模块化易维护性与结构稳定性间的矛盾 待改善 No 34 可维修性 技术矛盾 恶化 No 14 物体强度 冲突四 协作安全性与作业效率间的矛盾 待改善 No 31 物体产生的有害因素 技术矛盾 恶化 No 39 效率 冲突五 控制灵活性与执行可靠性间的矛盾 待改善 No 35 适应性 技术矛盾 恶化 No 27 可靠性 90 包 装 工 程 2025 年 6 月 冲突 任务复杂度的实现要求清晰呈现多重功能 此 二者在交互流程与界面布局中形成一对技术矛盾 矛盾解决 根据阿奇舒勒矛盾矩阵 No 33 操作 方便性的改善导致 No 36 系统复杂性恶化 对应的解 决方法是发明原理 No 32 改变颜色 No 26 复制 No 12 等势性 No 17 维数变化 其中 No 17 维数 变化 原理适用于通过拓展系统交互维度来同时容纳 复杂功能与简化操作流程 因而更契合人机交互场景 中对信息层级控制与界面模块组织的双重需求 相比 之下 No 32 更适用于提示类交互优化 No 26 和 No 12 则适用于硬件或功能备份机制 难以在不增加 系统负担的前提下有效解决交互复杂度问题 因此 选取 No 17 维数变化原理进行设计转化 该原理强调 通过引入新的维度拓展系统功能和操作方式 结合蔬 果采摘机器人远程和本地操作系统的交互特征 引入 多维折叠与堆叠式信息层 如图 4 所示 加入 x 轴对 多个采摘机器人进行管理 用户可通过横向滑动切换 不同机器人管理界面 机器人工作状态反馈等多信息 复合功能 将利用 y 轴隐藏非用户高频需求信息 纵 向滑动在高频 完整信息间切换并将核心功能排列于 主界面 各参数设置等高级功能沿 z 轴隐藏入次级界 面 用户在主界面对主功能进行选择 进入 高级设 置层 通过多维交互路径结合 在维持界面操作简 洁性的前提下 确保系统能够承载复杂功能 符合复 杂系统人机交互界面模块化 分层化的趋势 该设计解决方案不仅有助于提高用户在高频操 作中的效率与准确性 也确保系统对复杂任务的支持 能力 实现 界面简洁性 与 系统复杂性 的平衡 符合复杂系统人机交互的模块化与分层化趋势 3 4 2 信息反馈丰富性与用户受干扰程度间的矛盾 矛盾介绍 信息反馈丰富性在多个功能间都有体 现 如操作引导 故障提示 机器人常态反馈等 这 一需求在与果农的访谈中曾得到体现 用户普遍表达 出对信息透明度和及时性的需求 以提升对采摘机器 人运行状况的认知并增强人机交互的信任感 用户受 干扰程度体现在频繁或冗余的信息反馈可能造成用 户认知负荷增加 导致误操作或作业效率下降 形成 使用体验上的负面干扰 这一矛盾表现为在提升 No 24 信息丢失参数 增强信息传达密度与及时性以 满足操作认知需求的同时 可能加剧 No 37 控制与测 量的复杂度 尤其在反馈机制与提示系统共同运行的 场景下 该复杂性会显著影响用户的操作流畅性与注 意力分配 从而构成一对典型的技术矛盾 矛盾解决 由阿奇舒勒矛盾矩阵可得到 改善参 数 No 24 信息丢失和恶 化 参数 No 37 控制与测量 的复 杂度对应的发明原理为 No 33 同质性和 No 35 参数变 化 在采摘机器人信息交互的具体场景中 No 35 参 数变化原理最能支持反馈内容 形式与频率的动态调 节 便于用户根据情境灵活调整信息传达强度 具有 良好的人机适配性 相比之下 No 33 强调系统材料 或属性一致性 适用于减少复杂元件间差异但无法有 效处理反馈形式多样性 基于 No 35 参数变化原理指 导设计实践 通过多级可调节反馈机制消除矛盾 如 图 5 所示 用户根据环境 工作内容等条件的变化调 节提示频率 如常态工作时选择通过呼吸灯 轻微振 动等形式传达信息 避免常态反馈等功能带来的持续 干扰 而风雨天气 复杂地面等用户希望增加反馈内 容与频率的情况 可调节反馈形式为在故障警示 请 求人机协作关键事件时触发机器人灯光 蜂鸣器及远 程端弹窗等功能 同理 用户可按需启动或关闭不同 功能模块的操作引导功能 实现信息丰富性与用户受 干扰度间的动态平衡 图 4 多维界面设计方案 Fig 4 Multidimensional interface design scheme 第 46 卷 第 12 期 巩超 等 基于 FBS TRIZ 模型的蔬果采摘机器人设计研究 91 图 5 参数调节信息密度及强度设计方案 Fig 5 Design scheme for parameter adjustment information density and strength 该设计解决方案实现了 反馈丰富性 与 干扰 控制性 的动态平衡 在提升交互透明度的同时规避 系统复杂性过高带来的使用负担 增强了系统的适应 性和人因友好性 3 4 3 模块化易维护性与结构稳定性间的矛盾 矛盾介绍 模块化易维护性源于用户对设备快速 故障诊断及引导式维护的需求 尤其在作业强度较 高 环境复杂的场景中 能够通过结构模块划分提升 检修效率 降低维护门槛 该功能通常要求将复杂结 构划分为若干可独立拆卸 替换的单元模块 便