互动模式的CAID

作者：桂林电子工业学院设计系 陈旭

欢迎访问e展厅 展厅 2 工业设计/产品设计展厅 产品设计, 工业设计, 样件打样, 手板制作, 模型制作, ... 摘要：随着科学技术的高速发展，特别是信息时代的到来，市场对产品的性能、价格和交货期的要求更加苛刻，要求产品的研发周期短、品种多样化、趣味化、个性化、小批量。这些都要求制造企业能够快速开发出高质量的产品，以影响市场、响应市场的需求、提高自身的竞争力。为了缩短时间确保产品的新颖性、独特性、准确性，采用CAID是提高效率最有效的方法。而工业设计解决的是人的需求问题，以人为本、张扬个性，所以CAID更应该关注人的因素，建立人与机器的互动模式。互动模式的CAID将是未来工业设计发展的必然趋势。 关键词：工业设计；CAID（计算机辅助工业设计）；互动模式 0 前言 工业设计是从社会、经济、技术、艺术等多种角度，对批量生产的工业产品的功能、材料、构造、形态、色彩、表面处理、装饰等要素进行综合性的设计，创造出能够满足人们不断增长的物质需求的新产品。工业设计在技术创新、产品成型以及商品的销售、服务和企业形象的树立过程中，都扮演着重要的角色，它是现代工业文明的灵魂，是现代科学技术与艺术的统一，也是科技与经济、文化的高度融合。随着科学技术的高速发展，特别是信息时代的到来，市场对产品的性能、价格和交货期的要求更加苛刻，要求产品的研发周期短、品种多样化、趣味化、个性化、小批量。这些都要求制造企业能够快速开发出高质量的产品，以影响市场、响应市场的需求、提高自身的竞争力。传统的产品设计方法已经不能满足瞬息万变的市场需求，因此基于计算机技术的CAID（计算机辅助工业设计）应运而生。 从历史的发展上讲，从来没有一种技术像计算机技术那样对人类历史产生如此深远的影响，人类正步入数字化时代。进入21世纪，就意味着进入了经济全球化和知识经济时代。21世纪的竞争焦点是科学技术的竞争，作为从科学技术转化为产品的一个桥梁，工业设计在经济发展过程中越来越体现出其重要性。设计意味着一个产品市场占有率的大小，意味着一个组织竞争能力的强弱，一个国家生产力水平的高低。在经济发达国家，由于政府的关注与支持，工业设计起到了"增强产品销售感染力和促进贸易发展的重要作用"。 在以推动经济发展为根本目的的设计产业上，我们比西方发达国家落后了许多，以OEM生产为代表的劳动密集型产业在国民经济发展中的比重很难让我们满意，随着国门进一步开放，全球经济一体化的浪潮，如何推动中国工业设计产业化的发展过程，加快与国际先进设计水平接轨的步伐，我们的企业不但要重视CAID，而且更应该关注CAID设计中人机系统之间的互动模式。为了缩短时间确保产品的新颖性、独特性、准确性，采用CAID是提高效率最有效的方法。而工业设计解决的是人的需求问题，所以CAID更应该关注人的因素，建立人与机器的互动模式。 1、 CAID的涵义 工业设计是由科学与美学、技术与艺术相互交叉、渗透、结合形成的，以机械化方式生产的工业产品造型设计为主要研究对象的一门新兴的边缘学科。在产品设计中，设计活动包括从市场调研、需求分析、产品定位、生产制造直到产品投放市场，并根据市场反馈进行产品改进及维护产品的生命周期等的全过程。工业设计研究的重点在于产品与人密切相关的部分，设计的目标是使产品更加"美观"、"舒适"、"宜人"。 工业设计的重点在于"人性化"设计，随着科学技术的高速发展，人们生活水平的普遍提高，特别是信息时代的到来，人们对产品的需求趋向于多品种、小批量、趣味化和个性化。而传统的设计模式需要的周期长，已经不能满足瞬息万变的市场需求，因此基于计算机和网络技术的CAID应运而生。 CAID是指以计算机硬件、软件、信息存储、通讯协议、周边设备和互连网等为技术手段，以信息科学为理论基础，包括信息离散化表述、扫描、处理、存储、传递、传感、物化、支持、集成和联网等领域的科学技术集合。 CAID，即在计算机技术和工业设计相结合形成的系统支持下，进行工业设计领域内的各种创造性活动。与传统的工业设计相比，CAID在设计方法、设计过程、设计质量和设计效率等各方面都发生了质的变化，它涉及了CAD技术、人工智能技术、多媒体技术、虚拟现实技术、敏捷制造、优化技术、模糊技术、人机工程等许多信息技术领域，是一门综合的交叉性学科。 CAID以工业设计知识为主体，以计算机和网络等信息技术为辅助工具，实现产品形态、色彩、宜人性设计和美学原则的量化描述，从而设计出更加实用、经济、美观、宜人和创新的新产品，满足不同层次人们的需求。 CAID主要包括数字化建模、数字化装配、数字化评价、数字化制造以及数字化信息交换等方面内容。数字化建模是由编程者预先设置一些几何图形模块，然后设计者在造型建模时可以直接使用，通过改变一个几何图形的相关尺寸参数可以产生其它几何图形，任设计者发挥创造力。数字化装配是在所有零件建模完成后，可以在设计平台上实现预装配，可以获得有关可靠性、可维护性、技术指标、工艺性等方面的反馈信息，便于及时修改。数字化评价是该系统中集中体现工业设计特征的部分，它将各种美学原则、风格特征、人机关系等语义性的东西通过数学建模进行量化，使工业设计的知识体系对设计过程的指导真正具有可操作性。比如生成的渲染效果图或实体模型，可以进行机构仿真、外型、色彩、材质、工艺等方面的分析评价，更直观且经济实用。数字化制造是在数字化工厂中完成，它能自动生成自动识别加工特征、工艺计划、自动生成NC刀具轨迹，并能定义、预测、测量、分析制造公差等。数字化信息交换是基于网络，使该设计平台能够实现与其它平台的信息资源共享。 2、 CAID系统的模式 CAID系统是按照系统工程的思想，以工业设计理论和方法为指导的智能型创新性的产品开发设计系统。首先是利用各种信息，在CAID系统平台里利用真实感造型设计系统进行形态设计、色彩设计、材质设计和人机设计等方面的语义设计，然后在数字装配系统中实现数字化装配，在综合评价系统中进行美学、语义学等方面的分析评价，提出产品造型方案。最后将最终方案输出到加工设备，加工出产品，投放到市场，之后再收集有关信息，反馈到CAID平台，实现再设计。这种方法利用网络和其它平台相连接，使设计人员从一开始就考虑到产品生命周期的所有环节，把设计、制作、使用等方面合理组织起来，及时解决不同环节之间的冲突，充分调动了所有人的积极性和创造性。 计算机被普遍应用于工业设计之中，CAD成为工业设计不可缺少的手段。当前，世界上大型的CAD/CAM/CAE软件系统如Pro/Engineer、NX、Inventor等都提供了有关产品早期设计的系统模块，它们称之为工业设计模块、概念设计模块或草图设计模块。 Pro/Engineer Pro/Engineer包含一个工业设计模块Pro/Design，用于支持自上而下的投影设计，以及在复杂产品的设计中所包含的许多复杂任务的自动设计。此模块工具包括用于产品设计的二维非参数化装配布局编辑器、用于概念分析的二维参数模型的布局以及用于组件的三维布局编辑器。 Unigraphics Unigraphics从V13版本后推出了概念设计WAVE(What if Alternative Value Engineering)技术，它为协同概念设计提供了强大的技术支持，使不同部门的工程师在设计的早期阶段就可以站在系统工程的角度，同时针对多种可选的设计方案进行评估。通过将设计意图组织到一个相关控制结构(Associative control Structure)中去，可使设计师十分有效地控制各种设计变更。此外，ＷＡＶＥ也支持"概念设计到详细设计工程"(Concept Detail Engineering)，即先作出设计决策 ，然后设计细节。 Internet Intranet环境下的工业设计系统的研究，国内还主要在一些高校和科研院所进行。香港大学机械系在Internet上构建了一个基于Web的远程设计系统，用于花瓶的造型设计，西安交通大学CIMS研究所构建了一个远程协同工作原型系统，解决远程设计用户共享设计工具的问题，它可以通过Internet让远程用户使用研究所的Pro/E等专业设计平台。四川大学CAD/CAM研究所构建了凸轮远程协同设计系统，让用户能够通过Internet对凸轮运动机构的轮廓面进行设计，此系统发布在四川大学制造学院的网站上(http://www.msec.scu.edu.cn)。但这些系统距离实用化都还有一定的距离。 CAID系统中的信息可以分为数字信息和非数字信息两大类。数字信息都是可以交换的，而非数字信息是暂时不能交换。其中的数字信息有：产品造型的尺寸结构、色彩、材料、人机标准尺度、符合规范的标准化设计等，多数涉及产品或人的生理和物理属性。而其中的非数字信息有：对美感的评价、产品的创意、色彩或形式带来的心理反应等，多数涉及人的心理属性，是复杂多变的。数字信息是非数字信息的一种表现，是容易用数据表示并用计算机来描述的，而非数字信息目前只起到辅助的作用，按照工业设计以人为本、强调创意、张扬个性的发展趋势来看，非数字信息应该是CAID系统的基础，因此目前的CAID还存在技术上的局限性，在对CAID的研究中有望发展智能型的专家系统，帮助人们进行创意型设计，使非数字信息不断数字化，这样在未来的设计中可以实现设计者与使用者的互动，或者完全实现设计的DIY。 3、 人机互动模式的关注 随着人类活动的信息化，信息变得一天比一天重要，未来社会也许可以由20世纪的"以技术为中心的社会"转化为"以信息知识为中心的社会"，这是一种基于计算机和互连网系统的信息社会，亦称为后工业社会。在后工业社会里，设计是以满足人类"交流欲望"为核心的活动，设计的重心是"非物质"，设计将越来越关注事物的"抽象关系"上，设计最基本的任务是"交流"，不仅仅是人与人的交流，更多的是人与机器交流的可能性，而且是与智能机器的交流，只有互动模式的CAID才能很好地实现。 随着虚拟现实技术的出现，CAID正朝着虚拟方向发展，也增加了CAID朝着互动模式发展的可能性。比如波音777的设计，以前在设计时要做风洞试验，现在则完全在电脑上进行虚拟现实设计。另外，各种仪器仪表的设计正逐步软件化，设计虚拟仪器成为一种趋势。 虚拟现实技术(Virtual Reality简称VR)是一种高度逼真地模拟人在自然环境中的视听动等行为的人机界面技术，简单的说是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。现在它已被广泛应用于社会生活的各个方面，如"虚拟生产"、"虚拟贸易"、"虚拟市场"、"虚拟网络"等等。它的出现，使计算机界的一些观念发生了翻天覆地的变化，"以计算机为主体"的看法逐渐让位于"人是信息环境的主体"这一思想。计算机所创造的三维虚拟环境能使参与者得以全身心的置入该环境中的体验，并通过专用设备(立体显示系统、头盔显示器、跟踪定位器、3ＤＭＯＵＳＥ、数据服、力反馈数据手套)实现人类自然技能对虚拟环境中实体的交互考察与操作。而这种体验正是工业设师制作模型的目的。西方国家已经将虚拟现实技术运用于制造业的各个环节，他们的产品设计实现了草图---效果图---结构图---模型全过程的交互和可逆。利用VR技术和全息技术可以建立虚拟的模型用于设计研究，并可作为虚拟产品让顾客试用，极大的缩短产品开发的时间，降低新产品的风险。美国福特汽车公司科隆研究中心设计部经理罗勃认为，采用虚拟设计技术，可使整个设计流程时间减少2/3。21世纪虚拟设计将在建筑设计、装备设计、产品设计、服装设计中发挥神奇的效用。目前，虚拟现实技术在国内主要用于航天(航空)飞行仿真、模拟军事演习等，在工业设计中的应用还没有相关报道。但是无疑发展VR技术在工业设计中的应用是工业设计发展的明天，因为它能实现设计过程中任一环节的交互考察与操作，且所见即所得，所以它将设计师更加快速、形象、具体地实现和修改设计方案，减少不必要的劳动，加强工业设计师与结构工程师的资源共享，加强设计师与业主及使用者之间的交流互动，提高产品更新的速度，降低市场风险，创造更好的经济效益。 基于工业设计对于三维模型的精度和复杂度要求较高，现有的虚拟现实建模软件都难以满足它的要求，可以通过MAYA、Softimage、3DMAX等建模软件进行建模，通过插件转成VRML(.wrl)文件，再用VRML浏览器浏览。另外，Metacreation公司的Carraa是一套面向专业三维设计者完整的三维建模、投影场景创建、动画、着色、特效解决方案。常用VRML浏览器有Cosmo Player、BlaxxunContact、Cortona、WorldView、Community Place、Viscape等，它们的性能和特性各有优缺点，用户应根据应用平台和实际需求选用合适的VRML浏览器。 小结 CAID使产品开发周期显著缩短柔性加工提高，上市时间加快，可以快速响应市场的变化。但CAID的技术尚不成熟，需进一步深入研究，提高人机系统的互动。互动模式的CAID将是工业设计发展的必然趋势。在传统交互手段的基础上，研究在VR等新兴技术支持下的人机交互技术，将使工业设计朝着多元化、优化、一体化的方向发展，人机交互方式更加自然、创新设计的手段更为先进、有效。VR技术的引入，将使工业设计的手段和思想发生质的飞跃，更加符合社会发展的需要，通过对虚拟现实技术在工业设计中应用软件和硬件构成的分析，可以说在工业设计中应用虚拟现实技术是可行且必要的。 参 考 文 献 1.潘云鹤，计算机辅助工业设计技术发展状况与趋势[J]，计算机辅助设计与图形学学报，1999，11（3） 2.张伯鹏，先进制造技术基础研究现状及发展趋势，中国机械工程，1997，8（2） 3.曾建超，俞志和，虚拟现实的技术及其应用，清华大学出版社，1996。 4.http://www.msec.scu.edu.cn/(end)

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