基于感性工學(xué)和TRIZ理論的汽車(chē)座椅視覺(jué)舒適度設(shè)計(jì)

孫琳琳，孔繁森

（吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

0 引 言

汽車(chē)座椅作為人們乘駕舒適的重要部分，得到越來(lái)越多學(xué)者和設(shè)計(jì)師的關(guān)注。De Carvalho D E［1］運(yùn)用放射照相的方法，通過(guò)對(duì)8名沒(méi)有腰背部損傷經(jīng)歷的男士進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：座椅后部靠背2 cm到4 cm處增加腰部支撐的位置會(huì)導(dǎo)致腰椎突出病癥的增加。Paul G［2］針對(duì)當(dāng)前汽車(chē)座椅后座位舒適度測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題，通過(guò)準(zhǔn)確體位和體壓，并使用三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)H點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明：坐墊、坐墊接觸面積和坐墊前部力量可以通過(guò)主觀人體測(cè)量學(xué)來(lái)模擬。Alves C D［3］從肩部水平的鉸接對(duì)汽車(chē)座椅舒適性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出人體坐立平均高度為88 cm，并從理論上推導(dǎo)出參考座椅H點(diǎn)以上43.5 cm的高度為舒適鉸接高度。Kim S H［4］應(yīng)用北美人群目前的人體測(cè)量學(xué)，開(kāi)發(fā)人體模型對(duì)座椅舒適度進(jìn)行仿真，根據(jù)三維模型得到外部幾何輪廓，并對(duì)有限元建模過(guò)程和建模最終結(jié)果與志愿者的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較。Nishimatsu T［5］通過(guò)涂層布對(duì)汽車(chē)座椅舒適性的影響進(jìn)行研究，根據(jù)人們坐在不同表面涂層的座椅上的感覺(jué)對(duì)七個(gè)汽車(chē)座椅的舒適性進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)具有輕便、優(yōu)質(zhì)、溫暖和光滑感覺(jué)的座椅與其表面的頂級(jí)涂層布的摩擦力和熱性能等物理性質(zhì)息息相關(guān)。Mohamad D［6］運(yùn)用圖像分析法，對(duì)汽車(chē)座椅舒適性設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，基于參與者對(duì)舒適性的認(rèn)知提出了一個(gè)角度范圍。對(duì)舒適的位置角度、人體測(cè)量數(shù)據(jù)和座椅調(diào)整之間的關(guān)系進(jìn)行了分析討論。Matthias F［7］運(yùn)用EMG方法研究了輕按摩系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)座椅舒適度和肌電信號(hào)的影響，盡管輕按摩系統(tǒng)是輕緩、低強(qiáng)度的，但研究表明：該按摩系統(tǒng)在駕駛過(guò)程中不僅增加了舒適性，也增加了肌肉活動(dòng)。

如前所述，目前研究大多從功能角度探討汽車(chē)座椅的設(shè)計(jì)，很少關(guān)注客戶的主觀審美情緒，本文將客戶的主觀審美情緒和結(jié)構(gòu)功能的創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)合在一起研究汽車(chē)座椅的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)問(wèn)題。首先，通過(guò)汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)前期的消費(fèi)者美學(xué)喜好調(diào)查，得到最能夠貼近消費(fèi)者心理的設(shè)計(jì)符號(hào)和元素，通過(guò)形式美學(xué)法則來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)整合，以找出特定人群的心理喜好需求。然后，運(yùn)用TRIZ的方法進(jìn)行功能和結(jié)構(gòu)的重組，得到全新的概念設(shè)計(jì)樣稿。最后運(yùn)用眼動(dòng)儀考察客戶審美關(guān)注點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)座椅的設(shè)計(jì)給出指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 設(shè)計(jì)流程

感性工學(xué)的研究不僅采用了高端科研設(shè)備，而且結(jié)合了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造與生理心理的認(rèn)知過(guò)程，兼顧和平衡各個(gè)人群的感受和需求。本文使用的感性工學(xué)的方法為李克特量表法，通過(guò)對(duì)目標(biāo)客戶美學(xué)心理傾向的調(diào)查研究，得到消費(fèi)者的美學(xué)傾向，為汽車(chē)座椅的設(shè)計(jì)提供了可靠的美學(xué)設(shè)計(jì)因素。同時(shí)，本文使用TRIZ創(chuàng)新方法，對(duì)汽車(chē)座椅的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。本文的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。設(shè)計(jì)流程分為以下幾個(gè)部分：目標(biāo)客戶美學(xué)心理需求研究；根據(jù)美學(xué)需求提取設(shè)計(jì)符號(hào)；運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新方法，結(jié)合設(shè)計(jì)符號(hào)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)創(chuàng)新、設(shè)計(jì)樣稿，并通過(guò)眼動(dòng)儀實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)方法可行性驗(yàn)證。

圖1 設(shè)計(jì)方法流程圖Fig.1 The flow chart of design method

2 感性工學(xué)實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用李克特量表的方法進(jìn)行問(wèn)卷設(shè)計(jì)調(diào)查，實(shí)驗(yàn)中被調(diào)查對(duì)象不需要有駕車(chē)經(jīng)驗(yàn)，有工學(xué)本科以上學(xué)歷背景，年齡23歲左右，男女不限，共90人做問(wèn)卷實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)問(wèn)卷全部回收，有效問(wèn)卷84份，6份無(wú)效問(wèn)卷。問(wèn)卷共分為4部分：①美學(xué)形態(tài)傾向調(diào)查，主要從原始美、文化傳統(tǒng)美、實(shí)用美、習(xí)慣產(chǎn)生的中庸美這些維度進(jìn)行問(wèn)卷設(shè)計(jì)；②線條喜好傾向研究采用直線、曲線、直線曲線相結(jié)合這些緯度進(jìn)行；③色彩傾向調(diào)查研究，主要從色相、色的明度、色的純度、色的對(duì)比、色的調(diào)和、配色的風(fēng)格幾個(gè)角度去選擇。研究的目的是抓住消費(fèi)者的色彩心理感受；④形式美法則的抽取調(diào)查。本問(wèn)卷共設(shè)66道選擇題。

2.2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表1 問(wèn)卷實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results by questionnaire survey

2.3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)有效問(wèn)卷84份，其結(jié)果用excel軟件做統(tǒng)計(jì)分析，按照李克特量表的記分方法，把每個(gè)選項(xiàng)分別賦值為1、2、3、4、5，數(shù)值越大，越不被接受。結(jié)果顯示：形態(tài)美學(xué)喜好排名為原始自然美、實(shí)用美、文化美、潮流美，這種審美傾向和被試人群的教育環(huán)境相關(guān)。在工科專(zhuān)業(yè)的同學(xué)，往往以自然、實(shí)用為美，文科藝術(shù)類(lèi)人群大多傾向潮流時(shí)尚，文化傳統(tǒng)美；線條喜好平均值顯示直線與曲線的結(jié)合給此類(lèi)消費(fèi)人群更好的感受；形式美學(xué)傾向均值顯示動(dòng)感的節(jié)奏與韻律、視覺(jué)沖擊力強(qiáng)的對(duì)比與重點(diǎn)這兩種規(guī)律更易于被接受；最受喜愛(ài)的顏色為紅、黃。

在excel上用if函數(shù)篩選特征參數(shù)，問(wèn)卷設(shè)66道選項(xiàng)，以三分之一為界限，設(shè)20為特征參數(shù)。即若“答案”輸入的頻數(shù)為20，結(jié)果就輸出相應(yīng)的題號(hào)，低于20頻數(shù)的題號(hào)不輸出。分析結(jié)果得到：紅、綠、紫、藍(lán)、橙五種顏色，分別代表喜歡到不喜歡的5級(jí)選項(xiàng)；最喜歡的結(jié)果分別代表自然元素的自然原始形態(tài)美，直線與曲線的互相配合美，顏色對(duì)比醒目、重點(diǎn)突出、和諧色彩美；不喜歡的橙色、藍(lán)色及過(guò)分追求潮流的選項(xiàng)，這與目標(biāo)人群所學(xué)專(zhuān)業(yè)、年齡、學(xué)歷有直接關(guān)系。因此，在研究實(shí)用性的同時(shí)一定要兼顧設(shè)計(jì)的變化，這也是當(dāng)代年輕人的審美特征之一。

以上分析充分證明針對(duì)這個(gè)人群的問(wèn)卷的有效性和實(shí)用性。在汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)中，抽取原始形態(tài)符號(hào)，配色以中國(guó)傳統(tǒng)紅、高級(jí)灰為主色，既有對(duì)比又有重點(diǎn)的配色，盡量避免過(guò)分張揚(yáng)和裝飾性強(qiáng)的顏色，尊重人群年齡的變化美要求，并以工學(xué)學(xué)科的學(xué)科背景進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 基于Triz創(chuàng)新方法的汽車(chē)座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 座椅系統(tǒng)資源分析

首先，利用九屏幕法對(duì)座椅系統(tǒng)進(jìn)行資源分析，分析結(jié)果如圖2所示。通過(guò)資源分析得到的設(shè)計(jì)靈感源于當(dāng)前系統(tǒng)的未來(lái)，即多功能、舒適性高、可折疊，可移動(dòng)的汽車(chē)座椅。

圖2 汽車(chē)座椅九屏幕法資源分析圖Fig.2 Resource analysis diagram of automobile seat based on nine screen method

3.2 超系統(tǒng)功能

儀表板、方向盤(pán)、換擋機(jī)構(gòu)、天棚、車(chē)門(mén)為超系統(tǒng)。運(yùn)用STC算子法，把座椅的尺寸和成本進(jìn)行變化，假如尺寸無(wú)限大，一個(gè)座椅就可裝載整個(gè)汽車(chē)結(jié)構(gòu)；假如尺寸無(wú)限小，那么就不存在座椅，就需要尋找和開(kāi)發(fā)新系統(tǒng)進(jìn)行功能替代。在不計(jì)成本的情況下，汽車(chē)座椅直接可以具有汽車(chē)所有的功能，整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)就需要更新?lián)Q代；在成本投入無(wú)限小的情況下，座椅可能被取消，用其他系統(tǒng)代替。這種打破思維定勢(shì)的方法是用夸張的想法來(lái)獲取靈感，把很多的功能融入到座椅當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)座椅多功能化。

3.3 技術(shù)矛盾分析

在一個(gè)系統(tǒng)中，改善了一個(gè)技術(shù)參數(shù)，相應(yīng)惡化了另一個(gè)技術(shù)參數(shù)稱為技術(shù)矛盾。解決技術(shù)矛盾的方法是查找矛盾矩陣，找到相應(yīng)的創(chuàng)新原理。就以上設(shè)計(jì)方向進(jìn)行座椅的參數(shù)狀態(tài)分析：座椅的功能增加能夠改善操作的方便性，但座椅體積變大，減小了車(chē)內(nèi)空間。以上結(jié)果成為了一對(duì)技術(shù)矛盾，我們定義的改善、惡化的參數(shù)分別為操作方便性和增大了體積。通過(guò)查找矛盾矩陣表，在備選的方案中，選取了三個(gè)創(chuàng)新原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，即嵌套原理、反向作用原理、組合原理。這三個(gè)原理能夠有效緩解上述技術(shù)矛盾。本文理想化的設(shè)計(jì)理念是：座椅各個(gè)部位可以伸縮嵌套，可采用把儀表板和換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行功能重組，組合在汽車(chē)座椅中；由座椅的單一方向運(yùn)動(dòng)改為360°運(yùn)動(dòng)，并且可上下伸縮，伸出車(chē)外。

4 概念設(shè)計(jì)樣稿說(shuō)明

結(jié)合消費(fèi)者的審美傾向及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方法的研究，對(duì)汽車(chē)座椅進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。

本座椅適用于雙人位或單人位車(chē)輛，通過(guò)TRIZ的分析，把車(chē)內(nèi)更多的功能實(shí)現(xiàn)在座椅中，外觀設(shè)計(jì)從自然界昆蟲(chóng)的原始形態(tài)設(shè)計(jì)入手，結(jié)合功能要求展開(kāi)。整個(gè)座椅實(shí)現(xiàn)伸縮、組合、嵌套、旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，如圖3和圖4所示。

圖3 汽車(chē)座椅未顯示功能狀態(tài)圖Fig.3 State diagram of automobile seat Not display function

（1）在駕駛者不乘坐的情況下，兩個(gè)護(hù)頭組件自動(dòng)回縮，護(hù)頭組件不但在急行時(shí)保護(hù)頭部，同時(shí)具有語(yǔ)音通話功能。

圖4 汽車(chē)座椅功能展示圖Fig.4 Display diagram of automobile seat function

（2）手柄方式感應(yīng)方向操縱桿，取消了一直沿用的傳統(tǒng)的圓型方向盤(pán)，駕駛者乘坐啟動(dòng)汽車(chē)，操縱桿自動(dòng)伸出，駕駛者需要離開(kāi)座椅時(shí)，手柄有控制按鍵可直接將操縱桿收縮回腿部旁邊的兩個(gè)圓柱弧形體中。

（3）顯示屏為伸縮內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，啟動(dòng)時(shí)從兩腿之間的座椅下方一節(jié)一節(jié)伸出，直到視線平視位置的下方。采用紅外視覺(jué)搜索，在眼睛看到顯示屏的同時(shí)，顯示數(shù)據(jù)，在眼睛離開(kāi)顯示屏的時(shí)候，顯示器自動(dòng)關(guān)閉；兼具疲勞提醒的功能，當(dāng)疲勞駕駛的時(shí)候，眼神會(huì)受到視覺(jué)收縮系統(tǒng)的提醒，保證安全駕駛。

5 汽車(chē)座椅概念設(shè)計(jì)眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

運(yùn)用以上研究方法進(jìn)行汽車(chē)座椅樣稿設(shè)計(jì)，通過(guò)眼動(dòng)儀的客觀評(píng)價(jià)證明設(shè)計(jì)樣稿能否具有最吸引被試人視覺(jué)的效果。評(píng)價(jià)內(nèi)容分為單張?jiān)O(shè)計(jì)效果圖（實(shí)驗(yàn)時(shí)間8 s），評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)關(guān)鍵部位能否吸引客戶視覺(jué)；4張圖片組合（實(shí)驗(yàn)時(shí)間15 s），加入兩張干擾圖片，即現(xiàn)有汽車(chē)座椅中、高檔兩款，4張圖片均以紅色為主色調(diào)，交叉擺放。每個(gè)實(shí)驗(yàn)30人，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)被試者沒(méi)有交叉，保證對(duì)設(shè)計(jì)的座椅存有新鮮感。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為吉林大學(xué)人類(lèi)工效學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

5.2 實(shí)驗(yàn)儀器

眼動(dòng)儀實(shí)驗(yàn)所使用的儀器為T(mén)obii眼動(dòng)儀。主要包括視覺(jué)采集攝像機(jī)、用戶表情攝像機(jī)、揚(yáng)聲器，全部與視覺(jué)追蹤裝置集成在24儀TFT顯示器中整合為一體，不會(huì)干擾測(cè)試者。精確度≤雙眼0.4°；準(zhǔn)確度≤雙眼0.09°；采樣率≥雙眼60 Hz；該儀器通過(guò)紅外線攝像機(jī)獲得被試者眼睛圖像，圖像數(shù)據(jù)分析后，能獲得準(zhǔn)確眼動(dòng)數(shù)據(jù)。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)的功能要素都能夠有效地吸引被試者的視覺(jué)；影響舒適程度的頭、肩頸、腰背部均能吸引被試者的視覺(jué)；形態(tài)的特異性和結(jié)構(gòu)的嵌套性吸引被試更多關(guān)注（圖5）。在存在干擾項(xiàng)的圖片中（圖6），雖然顏色都選擇為紅色系，減少色相差的干擾，但是由于紅色的純度和明度的不同，純度高，明度高的座椅首先吸引了被試者的視覺(jué)，但是關(guān)注點(diǎn)最多的仍然是本次座椅設(shè)計(jì)稿，每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)和功能都得到了長(zhǎng)時(shí)間的注視。設(shè)計(jì)樣稿效果圖（圖7）在8 s的眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，頭、肩、背部和儀表板的設(shè)計(jì)吸引了客戶更多的注意力。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：從客戶的美學(xué)心理研究入手的汽車(chē)座椅創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，能夠有效地把握客戶對(duì)汽車(chē)座椅視覺(jué)舒適度的要求。

圖5 設(shè)計(jì)不同角度熱點(diǎn)圖Fig.5 Design different angles heap map

圖6 有干擾項(xiàng)目的熱點(diǎn)圖Fig.6 The heap map with interference project

圖7 座椅效果圖Fig.7 Effect picture of the seat

6 結(jié)束語(yǔ)

本文首先通過(guò)感性工學(xué)方法中李克特量表法，尋找客戶消費(fèi)美學(xué)心理傾向；通過(guò)TRIZ創(chuàng)新思維方法，突破設(shè)計(jì)的思維定勢(shì)，找出功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)。通過(guò)以上兩方面的結(jié)合，運(yùn)用發(fā)散性思維尋找設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞，抽取符號(hào)，進(jìn)行汽車(chē)座椅的理想化概念設(shè)計(jì)。最后，針對(duì)汽車(chē)座椅概念設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行眼動(dòng)儀實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，熱點(diǎn)圖結(jié)果表明，用感性工學(xué)和TRIZ的方法進(jìn)行汽車(chē)座椅客戶美學(xué)傾向調(diào)查和功能創(chuàng)新設(shè)計(jì)，能夠真正得到目標(biāo)消費(fèi)人群的有效關(guān)注，作為準(zhǔn)確、快捷、低成本貼近消費(fèi)者心理的普適性設(shè)計(jì)方法，更具有廣闊的企業(yè)研發(fā)推廣空間。

［1］De Carvalho D E，Callaghan J P.Influence of automobile seat lumbar support prominence on spine and pelvic postures：A radiological investigation［J］.Applied Ergonomics，2012，43（5）：876-882

［2］Paul G，Daniell N，F(xiàn)raysse F.Patterns of correlation between vehicle occupant seat pressure and anthropometry［J］.Work，2012，41（Suppl）：2226-2231.

［3］Alves C D，Sven D.Articulation at shoulder level—a pilot experimental study on car seat comfort［J］.Applied Ergonomics，2011，43（1）：27-37.

［4］Kim S H，Pyun J K，Choi H Y.Digital human body model for seat comfort simulation［J］.International Journal of Automotive Technology，2010，11（2）：239-244.

［5］Nishimatsu T，Hayakawa H，Shimizu Y，et al.Influence of top coated cloth for sitting comfort of automotive seat［J］.KANSEI Engineering International，2010，1（1）：17-24.

［6］Mohamad D，Deros B M，Wahab D A，et al.Integration of comfort into a driver＇s car seat design using image analysis［J］.American Journal of Applied Sciences，2010，7（7）：937-942.

［7］Matthias F，Raphael Z，Peter V，et al.The effect of a lightweight massage system in a car seat on comfort and electromyogram［J］.Journal of Manipulative and Physiological Therapeutics，2011，34（2）：107-113.