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1、第三章 設計案例探討-模糊控制寵物烘箱本章嘗試設計製作一台模糊控制寵物烘箱，作為模糊邏輯應用於機械設計程序的推演實例.藉由寵物烘箱的設計歷程，描述如何以模糊邏輯來闡釋顧客需求,並建立一設計程序，進而建構系統的模糊控制器，使模糊邏輯和模糊控制成為設計者容易掌握、應用的設計工具。本章第一節中先對本設計案例的背景作簡單介紹，並從中瞭解顧客需求，第二節則將所得到的顧客需求依其型態不同分別量化為工程規格,再依工程規格完成本案例的系統架構設計，第三節依據完成的設計架構進行硬體製作與整個系統的軟硬體整合,第四節進行實驗評估及修改，完成整個設計案例的設計製作。3.1 顧客需求瞭解當要設計一台模糊控制寵物烘箱，
2、一開始要先對顧客需求有所瞭解，然後合理的將顧客需求量化為工程規格,如此才能完成顧客真正所需求的產品設計.要瞭解顧客需求主要可以從顧客的訪談或以問卷調查的方式來瞭解，當顧客提出他的需求時並不會很明確的指定產品規格，而通常是對所需的產品功能、規格作大略的口語化描述，所以當設計者接到顧客需求時,往往必須花費很大的心力來處理這些模糊、不明確的顧客需求。3.1.1 案例簡介對於有養寵物的家庭來說,替寵物梳洗是必要的。但是常常會為了洗完後要如何弄乾寵物而大傷腦筋。一般的寵物主人可能一手拿著吹風機，一手抓著寵物防止寵物亂跑的方式來吹乾寵物皮毛,如此下來必定花費不少寶貴的時間與體力，有的主人只好花錢把寵物送到
3、寵物美容院，給別人清洗、烘乾以減少不必要的麻煩。而在寵物美容院中，烘乾寵物也是一件麻煩的工作,且要處理的寵物也不少,因此市面上有寵物烘乾機來輔助烘乾寵物的工作,以減少人力處理。店家在幫寵物洗完澡後,只需把寵物放入烘箱內並設定好烘乾時間及溫度即可，所以對寵物店來說，寵物烘箱是一項很方便的產品。但是由於市售烘箱構的限制，有很難烘乾寵物腹部的缺點且噪音大、價格不便宜(約二至三萬元），因此僅有一些專門的寵物美容院採用，而並不常見於一般家庭中。本設計案例是設計一台適用於家庭的寵物烘箱,除了有效烘乾寵物及改善市售烘箱的缺失外，在操作手續方面採用模糊控制方法來簡化操作步驟。本寵物烘箱以貓作為烘乾對象，之後再
4、擴大範圍至適用於其他寵物。3.1.2 顧客需求對於顧客需求瞭解有許多方式，其中對顧客的訪談或作問卷調查是最為常用的，如有相關產品則對競爭對手的評估也是一項重要的工作。以本設計案例來說,目前市面上已經有專門烘乾寵物的機器，如圖3。1所示。圖3.1 市售寵物烘箱為了更瞭解顧客需求，在與寵物店店員進行訪談後,以店員在使用市售烘箱的觀點來評估市售烘箱的優缺點。如表31所示為目前較廣為使用的寵物烘箱機型的評估：表3.1 市售寵物烘箱評估市售寵物烘箱規格尺寸：60480 mm3功能：定時、定溫、加熱、送風材質:不銹鋼外殼、壓克力箱門送風：單一風向、由上往下送風加熱：電熱絲加熱優點1、有寵物排泄物容器2、有
5、壓克力箱門,避免寵物不安、定時、定溫控制缺點1、耗電量大、噪音大、寵物腹部、腿部皮毛不易烘乾、須人工調整烘乾時間及溫度由上表可以得知，市售寵物烘箱主要的優點在於有寵物排泄物容器，容易清理烘箱，另外有壓克力箱門，避免寵物處於封閉空間產生不安全感，且操作人員也可以觀察寵物的情形。而在主要缺點方面,因其送風方式由上往下,且寵物在箱內大多是趴著,因此很難烘乾寵物的腹部、腿部的皮毛。在烘乾的程序中，必須依寵物的體型、毛多寡長短來設定烘乾時間與溫度,對於非專業人士來說並不容易設定，且設定不適當的溫度更會造成寵物的不舒服。產品設計的顧客需求對象除了寵物的主人、寵物店店員等使用者之外，另外可經由專家建議或設計
6、者本身得到其他設計需求。為了對寵物的習性作進一步了解，使得所設計的寵物烘箱更適合寵物，在請教動物醫院的醫師之後,得知貓的體溫約8。5,且其習性怕吵雜、不喜歡待在封閉的空間內等等資訊,可作為設計產品的參考。因此，在經過與寵物主人、店員、動物醫院醫師等等顧客的深入訪談以及自行討論評估的結果，大致可整理出下列幾項口語敘述的顧客需求:表3.2 顧客需求表需求顧客將濕的寵物烘乾主人、店員烘乾完畢則停止主人、店員烘乾期間不能太熱主人、醫師尺寸合適,不佔空間主人需透氣,舒適安全醫師、主人操作簡便店員、主人安全、易維修主人、店員省電店員、主人3.2 系統設計架構在瞭解顧客需求後,設計者須將這些模糊、不明確的顧
7、客需求量化為明確的工程規格,再依據所訂定的工程規格製作成品。本節將把口語化的顧客需求量化為明確的工程規格，以完成整個寵物烘箱的設計架構。3.2.1 工程規格建立對於顧客需求的敘述,依顧客口語表達可分類為單一型以及關聯型兩類.單一型是指顧客在提出需求時，針對單一特徵作需求描述。而所謂特徵就是指產品的狀態或是產品動作的描述，單一型的顧客需求通常為硬體的規格，譬如“我要產品重量輕”就是對“重量單一的狀態特徵作描述，若是顧客要“速度快”此需求，就是指顧客要產品的動作特徵“速度的要求。而關聯型則是指顧客描述需求時,針對幾個特徵的關係作需求描述，此類型的顧客需求通常是指控制動作,譬如“水溫過低時要加熱”，
8、此口語敘述就是對狀態特徵“水溫”、及動作特徵“加熱”兩者關係作敘述。因此依顧客口語表達，將表3。所列的顧客需求分類如下, 單一型的顧客需求有：（）尺寸合適()需透氣（3)操作簡便（）省電（5）舒適安全 關聯型的顧客需求有：（1）將濕的寵物烘乾()烘乾完畢則停止(3)烘乾期間不能太熱對於單一型的顧客需求量化成工程規格的方式,仍採用傳統常用的QFD來量化為明確的工程規格。而對於關聯型的顧客需求則嘗試以模糊邏輯方式來轉換，藉以達成顧客需求。（一）單一型顧客需求的處理單一型的顧客需求轉換採用D來量化求得工程規格，主要原因是FD所能處理的顧客需求是以顧客要的是“什麼的需求，也就是針對單一特徵的設計需求作
9、處理。而單一型顧客需求的口語敘述，譬如“尺寸合適”這個口語敘述所指的也就是顧客要的是“尺寸”此狀態特徵的單一設計需求。因此對於單一型的顧客需求採用QD來量化設定工程規格。表3.3是根據寵物烘箱的單一型顧客需求所擬定的QFD，顧客需求比重範圍在15之間，而顧客需求與設計規格之間關係:“”代表有強烈關係,“”代表有稍弱的關係，空白代表沒有關係。而競爭對手的性能評估值在15之間,藉以瞭解競爭對手的優缺點，作為設計產品的參考。利用QFD建立需求與工程規格之間關係評估後，可以訂定出烘箱設計的目標規格，再依設計目標規格進行後續的概念設計與製作.表3.3 寵物烘箱單一型顧客需求QFD表比重尺寸耗電量透氣孔加
10、熱速度零件數市售烘箱尺寸合適33需透氣34操作簡便2省電3舒適安全性高53單位m3Wm2sec個規格目標500*50061000202.130市售烘箱60*480*4801500f5*140.（二)關聯型顧客需求的處理 關聯型的顧客需求因為口語敘述並非只有針對單一特徵作說明，且此類型需求的關聯會隨使用過程而改變狀態動作,難以利用QFD量化成固定、明確的工程規格。譬如“將濕的寵物烘乾”,此敘述並不是單一特徵的描述,而是有牽涉到“濕”、“烘乾”等兩個特徵，也就是有隱含“在什麼狀態特徵下,應作什麼動作特徵的意思,此類型需求包括多個特徵的描述。另外，因為牽涉到系統的動作反應，所以大多數的關聯型顧客需求
11、都與產品的性能控制有關。對於產品性能的控制，設計者通常會根據系統的輸入狀態，系統的輸出應該作哪些反應的方式以控制理論來建立控制系統。若利用一般控制理論設計控制系統時，必須建立系統的數學模型，然而並非所有的控制系統都能建立其模型,尤其與使用者經驗有關的操作動作更是難以建立數學模型，而且顧客作需求描述時也不一定明確指出系統輸出入狀態。所以，對於關聯型顧客需求量化方式，本研究嘗試利用較能適切描述使用者經驗的模糊邏輯來處理.此類型的顧客需求的轉換方式是先將顧客需求用語意分解方式得到模糊邏輯的語言變數及規則，再依此建立模糊邏輯系統以達到量化為工程規格的目的，以下對寵物烘箱關聯型顧客需求的轉換作說明。顧客
12、在表達需求時的敘述通常是“hat的型式表現,也就是顧客本身需要“什麼”。而當設計者要實現顧客需求時，會嘗試將有“什麼”需求轉化成“如何”達到此需求,也就是“How”的型式。設計者可將口語化的顧客需求以使用者經驗判斷轉換為“當則”的敘述來思考“如何”達到需求為目的,此轉化的動作將其定義為條件化，將顧客的口語需求敘述條件化得到條件式敘述。條件化後的顧客需求稱為條件式設計需求.因此,分別對寵物烘箱各關聯型顧客需求進行條件化處理，“將濕的寵物烘乾”這句口語敘述利用使用者的經驗判斷可以“當寵物皮毛是濕的狀況，則利用熱風吹乾”方式來達到目的,由此得到在“皮毛是濕”的情況作“吹熱風”動作；“烘乾完畢則停止”
13、可用“當寵物皮毛是乾的狀況，則停止烘乾方式來達到目的，從描述中可知在“皮毛是乾”的情況下需作“停止烘乾”的動作；而“烘乾期間不能太熱”以使用者的經驗可用“當烘乾的溫度太高，則改吹涼風”來達到目的，也就是在“溫度太高”的情況作“吹涼風”的動作。將上述口語化的關聯型顧客需求條件化整理如圖2所示：圖3.2 寵物烘箱關聯型顧客需求條件化條件式敘述是由幾個狀態或動作特徵所組成的，這些狀態、動作特徵必須量化為可量測的物理量才能進行控制動作.從條件式敘述中的各個特徵來定義烘箱模糊邏輯系統的語言變數.以“皮毛是濕的”為例，此狀態特徵以語言變數“濕度”判斷皮毛是濕或乾的,而“吹熱風”此動作特徵則以語言變數“熱量
14、”及“風速”來達到吹熱風的要求.圖3。為從條件式設計需求敘述定義滿足需求的語言變數：圖3.3 寵物烘箱語言變數定義在條件式敘述中的狀態、動作特徵除了語言變數外，須給定程度變化的敘述才能完整描述一狀態或動作特徵.譬如“皮毛是濕的”轉換成“濕度高”,“皮毛是乾的轉成“濕度低”,“吹熱風”轉成“熱量高而風速低，“吹涼風轉成“熱量低而風速高”等等。程度“高”、“低”描述給定的方式是根據狀態或動作特徵敘述以使用者的經驗來判定。這些語言變數的程度也就是模糊邏輯中語言變數的術語.因此語意分解的最後步驟，再將條件式設計需求敘述依據語言變數、術語轉換成模糊邏輯型式的“FTHEN”規則式敘述,其處理方式如圖34所
15、示:圖3.4 條件式敘述規則化整個寵物烘箱的各個關聯型顧客需求經過上述程序步驟進行語意分解，最後可以整理得到規則式敘述，表示如下：IF皮毛濕度高THEN熱量高 an 風速低F皮毛濕度低E熱量低 and風速零IF箱內溫度高THEN熱量低an 風速高然而在轉化成規則式敘述後，程度描述仍須有量化的程度值才能實際運用於產品的功能控制。程度值給定是以模糊邏輯的歸屬函數來進行量化的定義，下一節將分別定義各語言變數術語及代表程度值的歸屬函數。3.2.2 關聯型顧客需求的量化依據上節關聯型顧客需求的語意分解步驟，可以瞭解有哪些語言變數.將寵物烘箱當作系統,則狀態特徵為系統輸入，而動作特徵為系統輸出。因此語言變數再細分，狀態特徵衍生的語言變數
