工程設計過程是工程師在嘗試解決問題並設計解決方案時遵循的一系列步驟；這是解決問題的一種有條不紊的方法。 不存在單一的普遍接受的設計流程，大多數工程師對該流程的工作原理都有自己的看法。 這個過程通常以問題開始並以解決方案結束，但中間步驟可能會有所不同。
大多數設計過程的一個共同特徵是它們是迭代的，設計人員可能必須返回過程中的先前步驟和/或一遍又一遍地重複整個過程，直到達到最低限度可行的解決方案。
本文概述的工程設計流程並不是該流程的唯一正確版本，而只是一個範例。 它應該為學生探索工程過程提供一個良好的起點。
一個非常簡單的設計過程可能只包括如下所示的 3 個步驟：定義、開發解決方案和優化（如果您想在課堂上使用此插圖，可在 posts.vex.com 上以全尺寸海報形式取得此插圖！）。
另一個設計流程範例是 Project Lead The Way 的 Gateway Design Process。
工程設計流程的步驟
在本文中，我們將考慮一個符合評審在 REC 基金會競賽中採訪團隊和審查他們的工程筆記本時所尋找的設計流程。
確定挑戰 & 設定目標
這有時稱為“詢問”或“定義”。 識別挑戰始終應該是設計過程中解決的第一步。
對於設計過程的第一次迭代，團隊的筆記本應該包含對整個遊戲挑戰的非常簡短的描述，並將其分解為成功必須完成的較小挑戰。 最佳實踐是列出需要透過研究或測試來回答的問題，例如：
- 玩這個遊戲最有效的策略是什麼？
- 獲得積分的方法有哪些？
- 機器人需要移動多快？
- 機器人如何拾取得分物體？
- 機器人需要持有多少個得分物體？
透過這個過程，團隊應該列出他們可能想要的機器人功能列表，以及遊戲的要求和限制列表。 例如，如果挑戰要求機器人將物體堆得盡可能高，團隊可能會決定他們希望他們的機器人更高。 然而，遊戲手冊可能對機器人在任何給定時間的高度有限制。 在進入腦力激盪階段之前，應該探索和理解所有這些標準。
對於設計過程的後續週期，此步驟可能是識別機器人上未按預期或需要工作的某些部分，並描述良好的解決方案應包括哪些內容。 例如，挑戰可能是“機器人手臂需要能夠伸得更高才能得分”，而完成挑戰的目標可能是“爪子的底部必須能夠達到 16 個高度”。 “拿球的時候。” 此挑戰的約束可能與遊戲中更大的約束重疊，例如尺寸和垂直擴展限制。
腦力激盪 & 圖
良好的腦力激盪始於對問題的共同理解，包括所有要求和約束。 如果不理解問題，時間可能會浪費在不相關的想法上，而這些想法無法滿足手邊的基本問題。 在腦力激盪期間，避免評判彼此的想法也很重要。 這可能會扼殺創意過程並阻礙團隊成員參與。
如果團隊成員顯然沒有完全理解問題，團隊應該從流程的第一步重新開始（即「識別問題」或「詢問」）。
在腦力激盪過程中，學生可能還想研究現實世界中與遊戲中類似的挑戰。 他們也可以看看過去是否有其他機器人競賽利用類似的挑戰。 腦力激盪包括從其他來源收集數據，以幫助學生創建成功的解決方案。
有前景的解決方案應記錄在團隊的筆記本中，包括標籤的圖紙或圖片。 如果團隊從其他來源獲得想法，則應在筆記本中清楚地標明這些來源。
選擇解決方案 & 制定計劃
一旦腦力激盪完成並產生了幾個想法，團隊就應該客觀地評估每個想法。 目標是為團隊找到最佳解決方案，無論來源為何。 表格可以幫助團隊考慮和比較每個想法相對於特定設計需求和限制的優點。 在下面的範例中，每個標準均以 0-5 分等級進行評估，其中 0 分不符合預期，5 分超出預期。 因為「Idea 4」的綜合得分最高，所以它是客觀的選擇。
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主意 |
標準1 |
標準2 |
標準3 |
標準4 |
總得分 |
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想法1 |
3 |
3 |
2 |
1 |
9 |
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想法2 |
5 |
5 |
0 |
0 |
10 |
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想法3 |
1 |
1 |
5 |
5 |
12 |
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想法4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
16 |
團隊應在筆記本中記錄此過程，並解釋他們選擇解決方案的方式和原因。 他們還應該在工程筆記本中完整描述該解決方案，包括如何建立該解決方案的計劃。 對於高級團隊，該計劃可能包括建立 CAD 模型或詳細的組裝圖。
建構 & 程式
這是團隊花費大部分時間的地方，也是創建原型和最終機器人和程式的地方。 程式碼和機器人的建造通常從基本設計開始，並隨著設計過程後期週期中添加細節而不斷發展。 學生在建立 & 程式設計時應該在筆記本上做詳細的筆記，記錄他們所看到的，試圖找出為什麼有些東西比其他東西效果更好，然後創建額外的原型或程式來測試新想法。 收集數據並將其記錄在筆記本中是建立和編程的重要部分。
測試解決方案
在此步驟中，學生將測試他們所建造或編程的內容，看看哪些有效、哪些無效以及哪些可以改進。 測試程序應在筆記本中詳細記錄，並應包括所有可測量的結果。 此步驟的主要目標是確定建置或程式碼是否滿足挑戰並按預期和需要執行。
重複設計過程
當某些東西在測試中不起作用時會發生什麼？ 學生分析問題以確定它帶來的新挑戰，然後開始新的設計流程週期！
並非所有設計流程週期都需要所有步驟，有些可能會從一個步驟跳到另一個步驟，或在進入下一個步驟之前重複一個步驟多次。 設計團隊不應該害怕設計過程中的倒退。 最終目標是透過一次又一次的改進來創造出最好的設計。 設計週期也可能重疊，特別是在機器人子系統和程式碼之間。 團隊在筆記本中輸入條目時應盡力確定他們正在執行的設計流程步驟。
那麼團隊如何決定他們的機器人何時完成呢？ 很簡單：團隊需要製定時間表，然後堅持執行。 根據不同球隊的具體情況，這個時間表會有很大差異。 如果一個團隊在第一場比賽之前有六週的時間來設計和建造他們的機器人，他們應該為這段時間制定某種時間表。 有些團隊會規劃建置過程中的每一步，而其他團隊只會進行快速概述。
時間表並不總是一成不變的；最終唯一的固定日期是專案開始日期和機器人完成截止日期（通常是比賽日期）。 隨著這一過程的展開，其他一切都可能改變。