譚錦華 ，滕 健

(1. 嶺南師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 工業(yè)設(shè)計(jì)系，廣東 湛江 524048；2. 嶺南師范學(xué)院 工業(yè)設(shè)計(jì)聯(lián)合研究所，廣東 湛江 524048)

人機(jī)工程學(xué)，是研究系統(tǒng)中人與其他組成部分的交互關(guān)系的學(xué)科，目的是為了“安全、舒適、高效”的設(shè)計(jì).從人機(jī)角度去強(qiáng)化產(chǎn)品的安全性，研究人們的操作方式，是改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種方式.本次設(shè)計(jì)的主體——平衡車，現(xiàn)有產(chǎn)品大多不具有制動(dòng)系統(tǒng)，安全性難以得到保證，市面上常見(jiàn)的獨(dú)輪式和雙輪式的平衡車，存在著體積大、重量重、續(xù)航能力弱、安全性低等缺點(diǎn)，限制了平衡車只能作為一款?yuàn)蕵?lè)式的代步工具在年輕的用戶群中發(fā)展，而小孩與行動(dòng)不便的人群則并不適合使用.

本文針對(duì)市面上現(xiàn)有產(chǎn)品存在的一些不合理問(wèn)題進(jìn)行改良，通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)提高平衡車的安全性和便攜性.把功能與外觀結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最優(yōu)化，去掉產(chǎn)品多余的外觀設(shè)計(jì)，把簡(jiǎn)約時(shí)尚的設(shè)計(jì)風(fēng)格融入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中.同時(shí)加入“互聯(lián)網(wǎng)+”概念，在移動(dòng)設(shè)備上對(duì)平衡車進(jìn)行操作控制，以此來(lái)達(dá)到改良設(shè)計(jì)的初衷.

1 平衡車技術(shù)原理

1.1 平衡車技術(shù)原理介紹

平衡車依賴與控制系統(tǒng)里面的精密電子元件來(lái)對(duì)車進(jìn)行控制，系統(tǒng)里面的陀螺儀與加速傳感器會(huì)在用戶使用的過(guò)程中檢測(cè)到整體重心的變化，再通過(guò)伺服系統(tǒng)來(lái)精準(zhǔn)地控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，讓電機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，利用“動(dòng)態(tài)平衡”來(lái)保證平衡車始終保持著平衡的直立狀態(tài).這種陀螺儀平衡技術(shù)被廣泛運(yùn)用在飛機(jī)、輪船上，在技術(shù)上已有重大突破[1].

1.2 獨(dú)輪式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

平衡車具體可以分為獨(dú)輪與雙輪兩種，形狀與功能各有不同，但使用形式基本是一致的.使用者站在平衡車上，通過(guò)控制身體重心的變化來(lái)控制平衡車的前進(jìn)方向與速度.其中雙輪平衡車設(shè)置有操控把手，但體積偏大，因此不屬于本次設(shè)計(jì)的目標(biāo).

獨(dú)輪平衡車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由蓄電池跟電機(jī)組成，它所使用的電機(jī)是不同于普通電機(jī)的，這是一種叫做輪轂電機(jī)技術(shù)的成果，整一個(gè)車輪就作為一個(gè)電機(jī)，在一個(gè)車輪里面整合了一個(gè)完整的電機(jī)，整個(gè)輪轂里就包括了傳動(dòng)裝置、動(dòng)力系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)，這種一體化的輪轂，極大地簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)裝置與車輪之間的關(guān)系，讓獨(dú)輪車也能像雙輪車一樣自由地前進(jìn)與后退[2].

2 平衡車使用中的人體受力分析

由于平衡車獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，需要用戶不停地調(diào)節(jié)身體的重心來(lái)控制平衡車的運(yùn)動(dòng)與停止，這種動(dòng)態(tài)平衡與自行車有所不同，平衡車通過(guò)自身的系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)輪子來(lái)調(diào)節(jié)重心位置，這種驅(qū)動(dòng)形式導(dǎo)致平衡車在外形上難以突破雙輪和單輪的結(jié)構(gòu)，無(wú)論是單輪還是雙輪，這種控制方式帶來(lái)的不適需要依賴用戶去適應(yīng)，這是如今平衡車設(shè)計(jì)亟需解決的問(wèn)題之一.

現(xiàn)有平衡車的設(shè)計(jì)是以人的足部為接觸點(diǎn)進(jìn)行的身體重心感應(yīng).從物理學(xué)的角度，以足部為支點(diǎn)，上半身都是可活動(dòng)的力矩，腳在平衡車的工作過(guò)程中承擔(dān)了非常大的力量.同時(shí)，對(duì)于身高較高的人群，或者身體平衡度不好的人群，都無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)掌握.過(guò)于強(qiáng)調(diào)用戶適應(yīng)產(chǎn)品，說(shuō)明該人機(jī)系統(tǒng)中，人和產(chǎn)品的總功能分配并不合理.產(chǎn)品本身需要承擔(dān)的功能已經(jīng)部分轉(zhuǎn)移給了人，這就會(huì)造成人在運(yùn)用產(chǎn)品過(guò)程中無(wú)法發(fā)揮正常的控制能力.

3 便攜式平衡車設(shè)計(jì)方案

3.1 操縱空間靜態(tài)尺寸設(shè)計(jì)

人機(jī)工程學(xué)研究的是人、機(jī)器與環(huán)境的相互作用的綜合性、系統(tǒng)化學(xué)科.其中，包括對(duì)人體特性的研究、人機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和信息傳遞裝置等.在保證產(chǎn)品使用安全性的前提，盡可能改善平衡車的駕駛舒適度.

表1 國(guó)標(biāo)立姿人體

根據(jù)我國(guó)的人口調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)18歲及以上的成年男性和女性的平均身高分別為167.1 cm和155.8 cm，根據(jù)GB/T10000-1988《中國(guó)成年人人體尺寸》的人機(jī)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按照設(shè)定公式(1)[3]：

Lα=Lv+Cf+Cp

(1)

式中：Lα為產(chǎn)品最佳功能尺寸，Cf為功能修正量，Cp為心理修正量.

根據(jù)公式(1)計(jì)算出人體在直立狀態(tài)下手部操作最適合的高度是肘高1 024 mm(男)，960 mm(女)，調(diào)整修正量后將平衡車總高度設(shè)置為1 150 mm，符合大多數(shù)人的使用，人體并立時(shí)雙腳占地面積在402 cm左右，為此，腳踏部分設(shè)計(jì)成帶有防滑紋理的大面積的腳踏，這樣可以減少長(zhǎng)時(shí)間駕駛的疲倦感.

圖1 尺寸比例說(shuō)明

為方便不同人群使用，操控把手高度設(shè)計(jì)為可調(diào).從用戶舒適度出發(fā)，在原有車型基礎(chǔ)上，調(diào)整了整體機(jī)身的比例、車頭顯示屏的位置、車輪的寬度等幾個(gè)方面.整體方案把主體機(jī)身縱向高度降低，整機(jī)重心位置下降，從而提高安全性.橫向?qū)挾仍龃?，同時(shí)增大車輪的寬度，這樣在使用過(guò)程中輪子與地面的接觸面積更大，抓地力將更加牢固.

3.2 設(shè)計(jì)定位

人群定位：針對(duì)年輕的上班族、學(xué)生族、熱愛(ài)科技的“極客”玩家等人群.每個(gè)城市中都有上班族和學(xué)生族，這些人每天穿梭于公司、學(xué)校與住宅之間，路程長(zhǎng)短不一，加上每天的出行高峰期交通壓力大，乘坐公共交通工具在短途行程中往往不是最佳的選擇.針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單實(shí)用的平衡車提供給他們使用.本次的設(shè)計(jì)構(gòu)思是在獨(dú)輪平衡車的基礎(chǔ)上結(jié)合雙輪平衡車的控制桿，設(shè)計(jì)一款小巧的帶把手的便攜式平衡車.

造型定位：設(shè)計(jì)應(yīng)該是通過(guò)產(chǎn)品與用戶之間的交流來(lái)達(dá)到的一種平衡和諧的使用狀態(tài)[4].在對(duì)平衡車進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須體現(xiàn)一種簡(jiǎn)約時(shí)尚又具有科技感的風(fēng)格.這也是為了在設(shè)計(jì)定位上能夠滿足一些“極客”達(dá)人對(duì)科技的需求.在結(jié)構(gòu)上，以獨(dú)輪的平衡車為模板，結(jié)合操縱桿來(lái)提高用戶對(duì)平衡車的控制能力，結(jié)合車的形狀來(lái)分布其他電源跟電路系統(tǒng)；在外觀上，將采用仿生設(shè)計(jì)，以白天鵝為對(duì)象，提取白天鵝的優(yōu)美弧線與顏色搭配.

功能定位：針對(duì)市面上現(xiàn)有產(chǎn)品存在的一些不合理問(wèn)題進(jìn)行改良，通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)提高平衡車的安全性和便攜性，使其便于攜帶的同時(shí)，續(xù)航能力也得到保證.把功能與外觀結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最優(yōu)化，去掉產(chǎn)品多余的外觀設(shè)計(jì)，把簡(jiǎn)約時(shí)尚的設(shè)計(jì)風(fēng)格融入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中.同時(shí)加入互聯(lián)網(wǎng)模塊，利用互聯(lián)網(wǎng)思維，在移動(dòng)設(shè)備上對(duì)平衡車進(jìn)行操作控制，以此來(lái)達(dá)到改良設(shè)計(jì)的初衷.

3.3 基于人機(jī)工程學(xué)的平衡車產(chǎn)品設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案演變過(guò)程如圖2所示采用獨(dú)輪驅(qū)動(dòng)方式，能大大減少產(chǎn)品本身的負(fù)重.同時(shí)，為了方便用戶在不使用產(chǎn)品時(shí)，可以快速收納，把手位置進(jìn)行了可折疊設(shè)置，整體車把高度可調(diào).

圖2 方案草圖

產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)方案如圖3所示，整體以天鵝為主的仿生設(shè)計(jì)，修長(zhǎng)的形態(tài)，流暢整潔的配色，猶如正在高歌的天鵝.配色方面以簡(jiǎn)潔的白色、黑色為主，搭配其他高級(jí)灰顏色元素，保持整體的簡(jiǎn)潔大氣.而車身部分除了ABS工程塑料外，將嘗試使用碳纖維做為機(jī)身主要材質(zhì)，碳纖維做為一種新型材料，其重量輕、強(qiáng)度大、耐腐蝕等性能得到了各個(gè)科技領(lǐng)域的關(guān)注[5]，使用這種材質(zhì)做為機(jī)身主要材質(zhì)能夠很好地提高機(jī)身強(qiáng)度，讓其更加耐摔，配合鎂鋁合金制作的輪轂連接部分，可以使這款平衡車更加輕便耐用[6].增加伸縮桿的調(diào)節(jié)部件，通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)控制伸縮桿的鎖定與開(kāi)啟.因?yàn)榭紤]到用戶在使用該平衡車的時(shí)候會(huì)對(duì)車桿有一個(gè)前推或后拉的動(dòng)作，所以腳踏部位設(shè)計(jì)成可以進(jìn)行一定角度的調(diào)整的結(jié)構(gòu).整體顏色搭配上改為較為酷炫的紅黑搭配，增強(qiáng)視覺(jué)上的穩(wěn)重感.在設(shè)計(jì)中加入了車燈部件，車燈作為一種具有照明與提醒作用的部件，在行駛的時(shí)候是必不可少的.顯示系統(tǒng)和充電部分設(shè)計(jì)在車把位置，方便用戶在使用時(shí)隨時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)，而車把的折疊結(jié)構(gòu)更為合理，折疊起來(lái)后可以作為支撐架支撐著車身不倒最終的方案在方案三的基礎(chǔ)上修改了伸縮桿的調(diào)節(jié)部件，通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)控制伸縮桿的鎖定與開(kāi)啟.因?yàn)榭紤]到用戶在使用該平衡車的時(shí)候會(huì)對(duì)車桿有一個(gè)前推或后拉的動(dòng)作，所以腳踏部位設(shè)計(jì)成可以進(jìn)行一定角度的調(diào)整的結(jié)構(gòu).整體顏色搭配上改為對(duì)比度較為強(qiáng)烈的紅黑搭配，增強(qiáng)視覺(jué)上的穩(wěn)重感[7].

圖3 最終方案六視圖與伸縮效果圖

圖4 最終方案細(xì)節(jié)圖

3.4 基于交流需求的UI界面設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷提高，將產(chǎn)品與個(gè)人的通訊設(shè)備相連，進(jìn)而連接網(wǎng)絡(luò).本次設(shè)計(jì)平衡車引入了社區(qū)交流的概念，將能傳達(dá)基本駕駛信息的顯示裝置，也能同時(shí)具有交流、引導(dǎo)和記錄等功能，功能細(xì)分如表2所示.在對(duì)平衡車重新設(shè)計(jì)的同時(shí)，相應(yīng)地設(shè)計(jì)一款移動(dòng)端的APP，這款A(yù)PP不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)平衡車的基本控制，還擁有社交功能，讓用戶在其中建立用戶社區(qū)，分享使用的經(jīng)驗(yàn)與樂(lè)趣.(刪除)本設(shè)計(jì)中，利用藍(lán)牙技術(shù)對(duì)平衡車進(jìn)行鎖定，只有通過(guò)手機(jī)端給平衡車解鎖才能讓車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)作，這樣就算平衡車被盜，沒(méi)有專屬的手機(jī)解鎖，平衡車也是不能使用的，這就使得防盜性能得到加強(qiáng)[8].除此之外，用戶還可以在手機(jī)端調(diào)節(jié)車的移動(dòng)速度，設(shè)定平衡車的速度上下限，確保平衡車在一個(gè)安全的速度上行駛.同時(shí)平衡車也可以及時(shí)把相關(guān)數(shù)據(jù)(速度、電量、行程等)反饋給用戶，及時(shí)提醒用戶進(jìn)行相關(guān)操作.用戶可以通過(guò)手機(jī)端把自己的使用數(shù)據(jù)或這各種有趣的使用經(jīng)歷分享到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)上，與朋友分享.

表2 界面功能說(shuō)明

顯示裝置的主要載體為顯示屏，置于車頭位置，面向用戶視線約車頭45°傾角，處于最佳眼動(dòng)視野范圍.操控板整體采用扁平化設(shè)計(jì)，色彩以暗色調(diào)為主，白色字體在其中能夠更清晰地展示相關(guān)信息，界面清新簡(jiǎn)潔，搭配有扁平化的圖案，避免過(guò)于單調(diào)[9]，UI設(shè)計(jì)效果如圖5所示.在對(duì)平衡車重新設(shè)計(jì)的同時(shí)，相應(yīng)地設(shè)計(jì)一款移動(dòng)端的APP，這款A(yù)PP不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)平衡車的基本控制，還擁有社交功能，讓用戶在其中建立用戶社區(qū)，分享使用的經(jīng)驗(yàn)與樂(lè)趣.這一款A(yù)PP的設(shè)計(jì)思路就是讓用戶盡可能清晰地了解平衡車的使用信息，并在使用過(guò)程中與其他玩家進(jìn)行交流，其中的“附近搜索”功能就為用戶提供一個(gè)社區(qū)交流的平臺(tái).針對(duì)短途出行，特別設(shè)置了導(dǎo)航功能，用戶可以在里面搜索想要去的地方，規(guī)劃好路線后就可以輕松前進(jìn)，不必?fù)?dān)心找不到路線.

對(duì)于安全這一部分可以分為設(shè)備安全與用戶安全，用戶在首次啟動(dòng)平衡車之前必須要經(jīng)過(guò)手機(jī)進(jìn)行聯(lián)接綁定，用戶可以在手機(jī)上選擇需要手機(jī)解鎖的使用場(chǎng)合與時(shí)間段；對(duì)于用戶安全方面，用戶可以在應(yīng)用中設(shè)置平衡車的最高最低行駛速度來(lái)保證平衡車的正常運(yùn)作.

圖5 部分界面展示

4 結(jié) 論

本文通過(guò)結(jié)合人機(jī)工程學(xué)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)產(chǎn)品最佳功能尺寸計(jì)算出人體在直立狀態(tài)下手部操作最適合的高度，在設(shè)計(jì)上調(diào)整修正量后重新進(jìn)行平衡車總高度設(shè)置.同事計(jì)算人體并立時(shí)雙腳占立面積，將腳踏部分設(shè)計(jì)成帶有防滑紋理的大面積的腳踏，減少長(zhǎng)時(shí)間使用的疲倦感.再通過(guò)動(dòng)態(tài)平衡原理，利用內(nèi)部陀螺儀和傳感器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)平衡行駛.

此次對(duì)便攜式平衡車的設(shè)計(jì)將在市面現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上基于人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行改良，對(duì)外觀與功能進(jìn)行再設(shè)計(jì)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，改進(jìn)產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)與易用性，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)在平衡車領(lǐng)域上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新的思路和理念.

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