人機(jī)交互導(dǎo)向下機(jī)電類產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究

楊巖 常瑜 王一默

摘要：為了進(jìn)一步完善機(jī)電類產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)，改善目前機(jī)電類產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)只注重研究功能結(jié)構(gòu)和仿生，不注重人機(jī)交互性的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)以及缺乏用戶感性意向的現(xiàn)狀，本文從人機(jī)工程學(xué)為主要研究方向，分析了數(shù)控機(jī)床仿真設(shè)備的功能、材料與工藝，通過(guò)以數(shù)控機(jī)床仿真設(shè)備造型設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)的實(shí)p 示設(shè)計(jì)案例，完善了機(jī)電類產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中缺少人機(jī)交互因素的造型設(shè)計(jì)，提出了基于人機(jī)交互導(dǎo)向下機(jī)電類產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)電類產(chǎn)品;數(shù)控機(jī)床模擬機(jī);產(chǎn)品造型設(shè)計(jì);人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）05-0117-02

自1989年在日本東京召開(kāi)的第一屆國(guó)際先進(jìn)機(jī)電一體化學(xué)術(shù)會(huì)議，各國(guó)政府都開(kāi)始有計(jì)劃的推動(dòng)和發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品^[1]，從此機(jī)電類產(chǎn)品開(kāi)始向縱深發(fā)展。各國(guó)對(duì)機(jī)電類產(chǎn)品的研究方向也不盡相同，國(guó)外以歐洲國(guó)家為首，多數(shù)以電子及控制理論為研究出發(fā)點(diǎn);國(guó)內(nèi)學(xué)者則從現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)的角度出發(fā)^[2]，鮮少有研究產(chǎn)品造型方向，因此提出以人機(jī)交互的視角去研究機(jī)電類產(chǎn)品是具有創(chuàng)新性的。

1 人機(jī)交互的定義

人機(jī)交互又稱人機(jī)互動(dòng)（簡(jiǎn)稱HCI或HMI），是指人與計(jì)算機(jī)相互溝通的信息交換的互動(dòng)方式，良好的人機(jī)交互方式能夠顯著提升用戶輸出命令和接受信息的效率。它與認(rèn)知學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域有密切的聯(lián)系。

通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)的相互對(duì)話，主要由信息輸入和信息輸出兩個(gè)過(guò)程組成，信息輸入是指計(jì)算機(jī)操控人員將使用者的想法、需求轉(zhuǎn)化成為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的計(jì)算命令傳遞給計(jì)算機(jī)的CPU，信息輸出是指計(jì)算機(jī)CPU將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)操控人員能夠識(shí)別的信息。

人機(jī)界面是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，它將機(jī)器信息的內(nèi)部形式與人類能夠接受的形式之間進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換。

2 我國(guó)機(jī)電類產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)電產(chǎn)品是將機(jī)械系統(tǒng)各微電子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)品^[3]，目前機(jī)電產(chǎn)品作為企業(yè)生產(chǎn)的主要工具，具有強(qiáng)烈的技術(shù)性，是企業(yè)非常關(guān)注的一類器械產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等行業(yè)，機(jī)電類產(chǎn)品的發(fā)展呈現(xiàn)輕體量、高精度、一體化和智能化趨勢(shì)，現(xiàn)已發(fā)展成為現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展中舉足輕重的地位，總之，機(jī)電類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)既是振興傳統(tǒng)行業(yè)的新鮮血液，又是開(kāi)啟我國(guó)機(jī)電行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的鑰匙。

機(jī)電類產(chǎn)品在我國(guó)發(fā)展歷史較短，直到近幾年我國(guó)機(jī)電類產(chǎn)品才擺脫進(jìn)口其他發(fā)達(dá)國(guó)家核心技術(shù)及零件的被動(dòng)地位，機(jī)電類產(chǎn)品的技術(shù)應(yīng)用也開(kāi)始逐漸達(dá)到世界領(lǐng)先的地位，目前我國(guó)與機(jī)電產(chǎn)品先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用相反的是機(jī)電產(chǎn)品的造型外觀設(shè)計(jì)，由于我國(guó)特殊的近代歷史以及復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)原因，我國(guó)機(jī)電產(chǎn)品的造型外觀設(shè)計(jì)仍然停留在單一的外觀設(shè)計(jì)方面，僅僅從外表上模仿其他國(guó)家的機(jī)電產(chǎn)品^[4]，鮮少有能夠融合人機(jī)工程學(xué)、產(chǎn)品語(yǔ)義學(xué)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和感性工學(xué)等工業(yè)產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)方案，對(duì)于產(chǎn)品全周期設(shè)計(jì)的連續(xù)性沒(méi)有深刻的理解，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)全周期往往被割裂為幾個(gè)部分，這使得產(chǎn)品在感性消費(fèi)的社會(huì)中處于不利地位，因此機(jī)電類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)不應(yīng)該僅僅局限于技術(shù)研發(fā)，也應(yīng)該融入使用者的感受和需求^[5]。

3 人機(jī)交互在機(jī)電產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中的具體運(yùn)用

3.1 人機(jī)交互導(dǎo)向下機(jī)電類產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的基本原則

第一，造型及色彩設(shè)計(jì)應(yīng)滿足產(chǎn)品功能要求。機(jī)電類產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)首先需要滿足產(chǎn)品的使用功能，使用方式的人性化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的科學(xué)化、生產(chǎn)成本的合理化應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)，同時(shí)產(chǎn)品的色彩不僅具備審美性和裝飾性，還具備一定的功能性，色彩同時(shí)可以傳遞信息，表達(dá)象征意義，產(chǎn)品色彩帶給使用者的色覺(jué)疲勞度、警惕性、有效性、安全性、經(jīng)濟(jì)型和審美性等特殊感受是不可替代的^[6]，因此機(jī)電類產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)應(yīng)在此基礎(chǔ)上展開(kāi)造型設(shè)計(jì)及色彩設(shè)計(jì)。

第二，造型設(shè)計(jì)應(yīng)全面考慮形體的結(jié)構(gòu)、材料、工藝等條件。機(jī)電類產(chǎn)品的外觀造型應(yīng)充分考慮核心結(jié)構(gòu)，在不影響核心結(jié)構(gòu)的前提下還應(yīng)考慮到形體外部的結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝等，并以此表達(dá)現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的特點(diǎn)和時(shí)代美感。產(chǎn)品形態(tài)的外部結(jié)構(gòu)需要多學(xué)科結(jié)合，設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)與工程師、手工匠人和加工工人等人群探討研究產(chǎn)品形態(tài)、材料、加工工藝的設(shè)計(jì)邊線，并依據(jù)此完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

第三，整體造型應(yīng)清晰，各部件的層次分明。機(jī)電類產(chǎn)品的整體造型應(yīng)有明確的功能分區(qū)，且充分考慮各部分的均衡、穩(wěn)定和比例協(xié)調(diào)關(guān)系，盡量取得形體相好的整體視覺(jué)效果。避免因功能分區(qū)導(dǎo)致的操作使用不便，同時(shí)避免功能分區(qū)過(guò)硬導(dǎo)致產(chǎn)品缺乏人情味，應(yīng)在理性結(jié)構(gòu)與感性造型之間尋找平衡點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能分區(qū)優(yōu)化產(chǎn)品使用流程。

第四，注意“人——機(jī)”關(guān)系的協(xié)調(diào)。機(jī)電類產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到“人”與產(chǎn)品的關(guān)系，翅的“人”也應(yīng)包括產(chǎn)品全生命周期中所有與產(chǎn)品發(fā)生互動(dòng)的人，包括生產(chǎn)者、營(yíng)銷者、回收者等，但對(duì)于機(jī)電類產(chǎn)品，使用者應(yīng)放在首要考慮地位，人機(jī)交互應(yīng)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中為各個(gè)要素以及整體的造型給予理論上的指導(dǎo)。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選定特定的使用人群，特定的使用環(huán)境，應(yīng)用人機(jī)交互指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化使用者在使用產(chǎn)品過(guò)程中的操作體驗(yàn)。

第五，操作面板等信息傳達(dá)位置設(shè)計(jì)要醒目、形象且配置得當(dāng)。由于操作界面作為使用者與產(chǎn)品的主要互動(dòng)載體，在產(chǎn)品整體系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)著重要角色，操作界面的位置、角度、方向、操作方式都影響著使用者通過(guò)操作界面這個(gè)局部對(duì)整體的認(rèn)知。而名牌、商標(biāo)、提示信息、使用說(shuō)明等信息傳達(dá)部位要醒目、形象，盡量用更多的意向性符號(hào)代替文字，且符號(hào)應(yīng)易于辨認(rèn)。

3.2 基于人機(jī)交互導(dǎo)向下的數(shù)控機(jī)床模擬機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析

數(shù)控機(jī)床模擬機(jī)是為數(shù)控機(jī)床加工初學(xué)者（多為在校大學(xué)生）提供一個(gè)真實(shí)的數(shù)控操作虛擬環(huán)境，能夠通過(guò)內(nèi)部系統(tǒng)完成數(shù)控系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)，與數(shù)控機(jī)床相比較低的價(jià)格和較輕巧的機(jī)身幫助數(shù)控加工初學(xué)者更便捷地熟悉數(shù)控加工過(guò)程，同時(shí)將機(jī)床虛擬化、數(shù)字化和人性化，降低數(shù)控機(jī)床加工實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)出事故的概率，解決機(jī)床損耗嚴(yán)重等問(wèn)題。

傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床模擬機(jī)通常由實(shí)訓(xùn)臺(tái)和二坐標(biāo)組成，由于采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，暴露在外的電線過(guò)多，很容易發(fā)生觸電事件，對(duì)使用者的安全造成威脅;實(shí)訓(xùn)臺(tái)作為教學(xué)用具，造型笨重，體積過(guò)大，一般教室不足以拜訪多臺(tái)設(shè)備，影響教學(xué)質(zhì)量;二坐標(biāo)平臺(tái)雖然具有較高的定位精度，但是仍然不能完全還原機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài);由于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床模擬機(jī)的造型設(shè)計(jì)為分體式，因此搬運(yùn)和安裝都具有一定操作難度。而人機(jī)交互導(dǎo)向下的數(shù)控機(jī)床模擬機(jī)則簡(jiǎn)化為一體機(jī)，主要使用區(qū)域由顯示屏、操控界面組成，將輸入命令設(shè)備與輸出信息設(shè)備整合到一起，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品造型進(jìn)行設(shè)計(jì)，改善了使用者與產(chǎn)品之間的關(guān)系，優(yōu)化了操作流程，為機(jī)電類產(chǎn)品未來(lái)的外觀設(shè)計(jì)做出積極的探索。

第一，人際交互導(dǎo)向下的數(shù)控機(jī)床模擬機(jī)（以下簡(jiǎn)稱模擬機(jī)）造型以人機(jī)交互為導(dǎo)向，對(duì)模擬機(jī)外觀造型進(jìn)行設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)了顯示屏、操控界面、內(nèi)部機(jī)電裝置、搬運(yùn)把手和通電插口的位置，使使用者與模擬機(jī)的互動(dòng)更加人性化。色彩以灰白色為主基調(diào)，加入黑色和橙色為輔助色，由于灰白色為主基調(diào)，產(chǎn)品展現(xiàn)出清新明亮的視覺(jué)效果，黑色和橙色的出現(xiàn)則為產(chǎn)品帶來(lái)工業(yè)風(fēng)格和機(jī)械產(chǎn)品的感情意向認(rèn)知，同時(shí)打破了傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品沉悶的感覺(jué)，改變了人們對(duì)工業(yè)化產(chǎn)品的整體印象。

第二，模擬機(jī)機(jī)身的外擴(kuò)式設(shè)計(jì)使機(jī)身的內(nèi)部形成更大的空間，為內(nèi)部硬件的組裝提供空間，同時(shí)，避免了由于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床模擬機(jī)實(shí)訓(xùn)臺(tái)與二坐標(biāo)位置、高度不同導(dǎo)致在實(shí)訓(xùn)臺(tái)操作后不能即時(shí)觀察二坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的問(wèn)題。設(shè)計(jì)后的顯示屏在操作面板的正上方，使用者在操作面板執(zhí)行操作命令后，會(huì)無(wú)意識(shí)抬頭，在顯示屏中獲取命令輸出結(jié)果，完成信息的瞬時(shí)傳播，即機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的改變，這是造型結(jié)構(gòu)對(duì)功能分區(qū)的改進(jìn)，使用戶無(wú)意識(shí)的形成更舒適、更高效、更秩序化的人機(jī)交互過(guò)程。

第三，模擬機(jī)的整體造型功能分區(qū)明確，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床模擬機(jī)的功能模塊進(jìn)行重新劃分，重新劃分后的顯示區(qū)和控制區(qū)通過(guò)不同傾斜角度的大體快區(qū)分使使用者輕松對(duì)模擬機(jī)的使用方式有整體認(rèn)知;機(jī)身殼體的形狀特征與內(nèi)部顯示區(qū)和控制區(qū)形成的傾斜角度的形狀特征形成呼應(yīng)，增強(qiáng)了模擬機(jī)的整體性，且外擴(kuò)式的機(jī)身設(shè)計(jì)使產(chǎn)品造型更加穩(wěn)重，符合人對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的傳統(tǒng)印象。

第四，顯示屏與水平面夾角為95°，鈍角的設(shè)計(jì)降低了使用者在使用過(guò)程中對(duì)脖頸的損耗，同時(shí)，減少屏幕反光對(duì)使用者造成的不便，優(yōu)化了使用者的使用體驗(yàn)感;模擬機(jī)兩側(cè)的底部均設(shè)有內(nèi)凹把手，方便使用者對(duì)模擬機(jī)進(jìn)行搬運(yùn);顯示屏能夠?qū)崿F(xiàn)操作指令的瞬間可視化，真實(shí)模擬使用者執(zhí)行操控指令下機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，改善了傳統(tǒng)模擬機(jī)信息傳遞具有延遲的缺點(diǎn)。

第五，操作界面位于產(chǎn)品的中間偏下的位置，且與水平面呈54°夾角，平緩的傾斜角度想較于傳統(tǒng)模擬機(jī)床垂直于地面的操作界面，設(shè)計(jì)后的操作界面更加符合使用者在坐姿的使用;另外，操作面板可以通過(guò)更換模板實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，以滿足不同人群對(duì)不同學(xué)習(xí)目標(biāo)的要求;機(jī)身正面下部具有產(chǎn)品品牌，有利于該模擬機(jī)的企業(yè)樹(shù)立企業(yè)形象識(shí)別系統(tǒng);機(jī)身側(cè)面貼有產(chǎn)品的介紹說(shuō)明，便于初次使用模擬機(jī)的使用者進(jìn)行操控使用。

4 結(jié)語(yǔ)

人機(jī)交互是未來(lái)產(chǎn)品中不可或缺的設(shè)計(jì)因素，將人機(jī)交互融入到產(chǎn)品中，完善結(jié)構(gòu)，優(yōu)化造型，利用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)引導(dǎo)產(chǎn)品目標(biāo)客戶的操作使用方式，使產(chǎn)品的目標(biāo)客戶在潛移默化中形成自然舒適、秩序且高效的使用方式，并對(duì)產(chǎn)品的整體形態(tài)有正確的主觀認(rèn)知。在數(shù)控機(jī)床模擬機(jī)的造型設(shè)計(jì)中，通過(guò)應(yīng)用人機(jī)交互設(shè)計(jì)形成正確的隱性操作流程，是人機(jī)交互導(dǎo)向下數(shù)控機(jī)床模擬機(jī)造型設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。

本文系天津商業(yè)大學(xué)2014級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201610069032）。

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