概念設計在代步器新產品開發(fā)中的應用研究

陳緒才，楊 彥，王旭超，楊正元

（上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072）

0 引言

自法國人西夫拉克（Comte de Sivrac）1791年發(fā)明首輛木制結構的前后兩輪結構代步器（英語命名為bicycle；我國一般稱為自行車）[1]以來，這種最早為載人運物功用的機械裝置，逐漸在交通、代步（主要服務于老年和殘障人士）、康復、健身、載重、娛樂、體育、童車等許多行業(yè)得到廣泛的推廣和應用[2]。當今社會大力提倡節(jié)能、環(huán)保和健康，以人力作為驅動力的代步工具不僅不會被淘汰

新型代步器是代步器中內容最豐富、最深刻、最前衛(wèi)、最能代表科技發(fā)展和設計水平的代步器。新型代步器的展示，是各大公司借以展示其科技實力和設計觀念的最重要的方式。而概念設計在新型代步器開發(fā)中起著舉足輕重的作用： ①探討、預測、反映未來代步器產品設計開發(fā)的發(fā)展趨勢；②縮短新型代步器產品設計周期、節(jié)約成本；③促進代步器行業(yè)內企業(yè)間的良性競爭，引領和引導代步器市場的發(fā)展。新型代步器的推出往往是代步器企業(yè)引以為自豪的理念，其研究與開發(fā)往往都伴隨著新技術和新材料的使用，帶有一定的前瞻性，預示著一個新的發(fā)展階段和開端。

設計人員在概念設計理論的指導下進行設計，可提高工作效率，縮短開發(fā)時間，提高產品的性能，能夠更好地滿足用戶的需求。只有最大限度的滿足用戶需求的產品和企業(yè)才能在市場競爭中取得勝利。隨著市場競爭的日漸激烈，概念設計越來越受到重視。

1 代步器概念設計的基本要素

代步器的功能、造型和技術條件，是其設計的三大基本要素。功能是指產品所具有的某種特定功效和性能。造型是產品的實體形態(tài)，是功能的表現形式。產品功能的實現和造型的確立需要材料，結構設計等，這些被稱為技術條件。圖1 詳細列舉了新型代步器概念設計的基本要素。包括功能、造型和技術條件三大基本要素的設計都需要一定的設計原則的支撐下進行設計。

圖1 新型代步器概念設計的基本要素Fig.1 The new moving-assistant devices concept design elements

2 新型代步器概念設計原則

2.1 人機交互原則

隨著工業(yè)社會的進步，產品的人機交互方式也不再局限在單一的范圍內。近百年來，自行車的形態(tài)基本上呈三角形，而隨著碳纖維加強玻璃鋼合成材料的出現，徹底改變了傳統(tǒng)的三角形框架，許多異形車架的設計不斷涌現。隨之而來的人機交互的新方式是設計的必然趨勢。在代步器設計中，人機交互的方式可分為兩大類：

（1）控制驅動方式的人機交互。代步器的功能可以歸結為： 控制方向和動力驅動，以此推廣，代步器與人的主要關聯在于人的上肢（手）、下肢（腳）與代步器的交互關系。表1 列舉了不同的驅控操作與手腳的組合關系及其特點。

（2）操作姿態(tài)的人機交互。驅控方式的不同，也會影響操作者的使用姿態(tài)，而不同的使用姿態(tài)會帶給用戶不一樣的驅控體驗，操作姿態(tài)的人機交互新方式，也是在設計時所需探討的要素之一。綜合而言，有以下幾種交互方式的操作姿態(tài)： ①坐姿操作，從人機交互學的角度出發(fā)，進行正確操作姿態(tài)的設計，是使代步器具有良好坐姿舒適性、操作舒適性和安全性的必要手段；②站姿操作，站姿操作的代步器產品一般為青少年設計開發(fā)，具有運動健身娛樂的功能，適合在戶外運動的場合。

表1 控制與驅動方式的不同組合Tab.1 The different combination of controlling and driving

2.2 產品語義學原則

在代步器的結構特征中，主要涉及以下幾個方面的語義認知： ①隨著科技的發(fā)展，自行車的外形也會隨之發(fā)生了重大的變化。不同的車架結構從一定程度上可以說直接影響了整個自行車的形態(tài)，隨之也聯系了用戶的視覺以及情感認知；②車輪數量及其排布隨著新型代步器的不斷涌現，其輪子的數量不再局限于兩個（以常用的自行車為參考）。單輪和惰輪式的代步器也是新型代步器產品的發(fā)展趨勢，一般而言，不同數量的輪子會給消費者不一樣的語義認知。

2.3 美學原則

產品視覺形象的創(chuàng)造主要有兩個方面的內容： 一是產品形態(tài)的設計；二是產品色彩的設計。代步器的概念設計必須在表現產品功能的前提下，在合理充分運用物質技術條件的同時，充分地把美學藝術內容和處理手法融合在整個產品概念設計中，充分利用現代材料、結構、工藝等方法體現產品的形態(tài)美、色彩美等。

3 基于概念設計的新型代步器的開發(fā)

對于代步器來說，與人生活息息相關，其開發(fā)的主要流程更注重與 “人” 的交互與關聯。將概念設計應用到新型代步器產品的開發(fā)中來，通過對工業(yè)設計、概念設計、產品知識庫之間的關系及其相關概念的探討，以代步器概念設計的基本要素為基礎，結合新型代步器產品的概念設計原則即： ①人機交互原則；②產品語義原則；③美學原則。開發(fā)一款具體功能為全新概念的代步器—手驅腳控集成式老年代步器，如圖2 所示突破傳統(tǒng)代步器的操作形式，改變了消費者習慣性通過手控制方向的思維，一定程度上對開發(fā)人的大腦以及延緩大腦的衰老有積極的作用[3]。

圖2 手驅腳控集成式老年代步器Fig.2 Hand driving and foot controlling integrated elderly moving-assistant device

4 概念設計在新型代步器設計中的應用實踐

4.1 代步器的交互性

（1）控制驅動方式：摒棄了傳統(tǒng)的腳驅動手控制的交互方式，采用全新手驅動腳控制的逆向思維，在實現代步功能的同時，改變了老年人的思維運動模式，從而在身心兩方面得到了鍛煉。

（2）可調節(jié)座椅：在座椅的設計上，考慮到男女老年人的差異性，座椅可以實現前后以及上下的調節(jié)，從而保證了大部分用戶使用的舒適性。除此之外，座椅的可調節(jié)也方便了代步器的收納，保證了空間的最佳利用。

圖3 代步器的交互性Fig.3 Human-machine interaction modes of Move-assistant device

4.2 代步器的功能性

（1）折疊式兩用坐墊： 在方形坐墊翻起時成為背靠，作為老年人騎行時后背的一個支撐，一定程度上舒緩了腰部的壓力。在方形坐墊翻下時，作為一個載人坐墊，可以方便他人的乘坐。雙人乘坐的形式從中程度上也增加了此款代步器的趣味性，增進了人與人之間的互動。

（2）手推車功能：此款代步器后部為一個“Y”形車架，搭配推桿可以作為手推車使用。此外，在外出時若遇騎行者體力有限時，他人可以通過推桿助力，同時也增進了人與人之間的情感。

圖4 折疊式兩用坐墊手推車Fig.4 Folding dual-purpose type Move-assistant device

4.3 代步器的美觀性

（1）線條簡潔：此款老年代步器大部分采用了直線以及折線，給人一種簡潔有力的感覺。局部采用了曲線，柔化了強硬的視覺效果，同時與輪子等曲線相呼應，在設計上體現出整體性。

（2）色彩清新干凈：傳統(tǒng)老年人產品色彩偏向質樸渾厚以體現品質，而此款代步器則采用了白色以及草綠色，一是與環(huán)境顏色（白云以及青草）相映襯，二是白色以及綠色的搭配表現出一種活力，拉近了老年人與年輕人的產品差距，從色彩上向老年人提供了一種減齡的心理暗示。

4.4 代步器的技術性

此款新型代步器突破傳統(tǒng)前輪轉向后輪驅動的方式，實現前輪兼具驅動及轉向功能。全新的驅控方式，使得驅動轉向結構緊湊，便于一體化設計，同時采用錐齒輪傳動方式解決了驅動與轉向互相干涉的問題。

圖5 新型代步器傳動原理簡圖Fig.5 The transmission principle of new Move-assistant device

除了傳統(tǒng)自行車所采用的鏈傳動方式以外，還結合了錐齒輪傳動方式。具體的傳動原理如圖5 所示。當操作者搖動手柄時，帶動鏈輪Ⅰ轉動，通過鏈條傳到轉動力到鏈輪Ⅱ，并通過同軸錐齒輪①驅動從動錐齒輪②轉動，并帶動錐齒輪③同向旋轉，錐齒輪③驅動錐齒輪④轉動，并通過同軸鏈輪Ⅲ驅動鏈條使鏈輪Ⅳ旋轉，從而帶動前輪轉動。

在代步器的設計中，鏈輪Ⅰ為49 齒，鏈輪Ⅱ為14齒，鏈輪Ⅲ以及鏈輪Ⅳ都為14 齒。四個錐齒輪齒數相同。則齒輪比為： G=C/F=49/14=3.5，也就是說輪盤搖動一圈，鏈輪Ⅳ轉動3 圈半。前輪直徑為12 寸，即可求出傳動比： D=C/F×B=49/14×12=3.5×12=42。則傳動行程M= C/F×B×π=D×π=42π≈131.88 英寸。以1 英寸=2.54厘米換算，則傳動行程M=131.88×2.54=334.9752 厘米。

以上數據是人搖動代步器輪盤一周，車子向前行進約335 厘米，即3.35 米。

可以說，此款代步器提供給老年人的不僅僅是一種代步形式，更多的是一種心理狀態(tài)的改變以及生活方式的優(yōu)化。

5 總結

產品開發(fā)中創(chuàng)新設計的影響力日益突顯，而產品創(chuàng)新的核心是產品概念設計，對產品設計有著十分重要的影響。將概念設計原則方法在新型代步器設計案例中進行運用，以創(chuàng)新的思維方式來詮釋未來代步器的個性化需求，使其具有獨特的核心優(yōu)勢，這些優(yōu)勢可能體現在技術方面，例如采用新技術和材料；也可能體現在造型方面，例如使代步工具更具美學的藝術感；還可能體現在制造工藝或成本方面，反映出設計的綜合性。因此，概念設計在代步器新產品開發(fā)中的應用研究，是一個具有廣闊開發(fā)空間和設計意義的領域，同樣具有巨大的市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[1] 虞世鳴.面向發(fā)明專利特質的新型代步器體系開發(fā)[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2012，3.

[2] Herlihy，David V.Bicycle:the history[M].USA:Yale University Press，2004.

[3] 楊彥，虞世鳴，胡雯婷.手驅動前輪腳控制前輪代步器[P].受理號：中國發(fā)明專利：201410147324.8.

[4] 溫永濤，虞世鳴，劉相龍，等.手驅動腳控制兩輪自行車[P].中國發(fā)明專利：ZL201310215249.X，20130603.

[5] 楊琦.自行車創(chuàng)新設計的仿真研究及其實現[D].大連：大連理工大學，2000，6.

[6] 陳緒才，虞世鳴，溫永濤，等.手驅動前輪腳控制后輪二輪自行車[P].中國發(fā)明專利：201310273349.8.

[7] 虞世鳴.產品創(chuàng)意設計[M].北京：北京大學出版社，2011.

[8] 王震亞，劉和山.談人機交互原理在產品設計中的應用[J].工程圖學學報，2009，2.