基于形狀文法的醫(yī)院消毒機器人造型設計

石元伍 衛(wèi)璐

摘要：為更好地繼承和發(fā)揚同族群產(chǎn)品和參考產(chǎn)品的設計優(yōu)勢，降低消毒機器人造型推敲階段的主觀性，提升產(chǎn)品造型與用戶需求的匹配程度，旨在設計一款消毒機器人為醫(yī)療機構(gòu)提供一體化消毒解決方案。構(gòu)建消毒機器人風格意象的感性詞匯資料庫確定產(chǎn)品風格意向，并基于形狀文法進行產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)新設計。以消毒機器人的風格意象定位為基礎，從最終選擇的同族群產(chǎn)品和可參考的產(chǎn)品中提取能夠反映用戶需求的形態(tài)特征，作為形狀推演的形態(tài)元素，對消毒機器人造型進行優(yōu)化設計。最終確定消毒機器人造型設計方案，設計方法與產(chǎn)品方案為同類產(chǎn)品提供參考。

關(guān)鍵詞：形狀文法消毒機器人產(chǎn)品風格意象 產(chǎn)品造型設計

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2019） 03-0120-04

引言

伴隨著人們生活水平的日益提高，消費者的消費模式已然發(fā)生轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)如今讓消費者欣然買單的不再是單一的商品，而對于商品帶來的體驗感與場景感也是十分注重的。消費形態(tài)的轉(zhuǎn)變使得市面上的產(chǎn)品造型設計從功能第一轉(zhuǎn)而傾向于情感的表達。傳達情感的有效途徑之一便是產(chǎn)品的風格[1]。產(chǎn)品的風格特征傳遞出產(chǎn)品隱含的社會文化信息，不僅能使人們體驗到“物質(zhì)功能”，同時還能感受到“精神功能”[2]。由于成熟的產(chǎn)品在技術(shù)、材料、功能等方面的差異日漸縮小，生產(chǎn)者為了使自己的產(chǎn)品從市場上的眾多同類產(chǎn)品中脫穎而出，產(chǎn)品的“精神”方面便受到了更多的重視。這一變化要求設計師們準確地掌握消費者真實的感覺和期望進行設計，設計師需要通過對同領(lǐng)域或與之相接近領(lǐng)域的產(chǎn)品進行研究，傳承優(yōu)點，從而做到真正理解消費者對產(chǎn)品的情感認知并在產(chǎn)品中傳遞，以更好的滿足目標群體的要求。

產(chǎn)品的造型是設計師與消費者溝通的重要媒介。目前，國內(nèi)具體的輔助造型設計方法上，文獻較少。在輔助造型設計方法中，形狀文法是較為實用的一種。在此前基于形狀文法的研究中，重點關(guān)注的是目標產(chǎn)品及其本領(lǐng)域產(chǎn)品的形態(tài)研究，而對于跨領(lǐng)域形態(tài)知識的運用主要憑借設計人員自身累積的經(jīng)驗進行設計，有較大主觀性。如國內(nèi)學者孫志學[3]等人基于形狀文法，提出了通過感性情感、功能、技術(shù)條件的約束制定形狀推演的規(guī)則的方法，將形狀文法與感性工學、技術(shù)驅(qū)動相結(jié)合，對形狀推演的過程形成多個因素制約進行設計。李雪瑞[4]等人基于用戶感性需求，綜合運用多個學科的知識，如生物學科、計算機學科，基于形狀文法理論開發(fā)了智能優(yōu)化設計引擎，最終應用于設計之中。李陽和許占民[5]通過風格意向約束及尺寸、形狀、空間關(guān)系等物理約束進行造型推演，將文法化邏輯演繹和物理約束結(jié)合進行設計。

世界衛(wèi)生組織的報告顯示，由于醫(yī)院感染，世界每年有數(shù)億患者接受住院治療，醫(yī)院感染使得其治療、護理過程變得更加復雜。針對醫(yī)院內(nèi)環(huán)境問題市面上推出了消毒機器人。但目前市面上的消毒機器人外形偏向于功能因素的制約，設計感較差，而在醫(yī)院這樣一個特殊的環(huán)境里，功能因素固然是首位，但產(chǎn)品的“精神”方面也是不容小覷的。因此企業(yè)在注重產(chǎn)品功能的同時，同樣需要賦予產(chǎn)品以特殊形態(tài)與風格意象，提升產(chǎn)品的造型和醫(yī)院內(nèi)用戶需求的匹配程度?；谝陨涎芯?，本文提出引入形狀文法，從消毒機器人本族群和參考產(chǎn)品中提取能夠滿足用戶需求的形態(tài)，作為形狀推演的形態(tài)元素，優(yōu)化消毒機器人的造型。

一、研究方法

（1）采集并篩選出能夠表達產(chǎn)品風格的意象詞匯，根據(jù)使用環(huán)境確定目標人群，并通過問卷、實地訪談等掌握目標人群的真實感受以及對產(chǎn)品的期望，從而確定產(chǎn)品風格意象。

（2）根據(jù)產(chǎn)品的風格意象定位，選擇合適的目標產(chǎn)品的同族產(chǎn)品，構(gòu)建相同族群產(chǎn)品集Rf，并選擇具有相同選擇與目標產(chǎn)品意象定位一致、功能上相關(guān)性較高的非同族群產(chǎn)品，構(gòu)建其他可參考產(chǎn)品集Rrt。

（3）由經(jīng)驗豐富的設計師分析同族群產(chǎn)品集和其他可參考產(chǎn)品集的形態(tài)，并提取與目標產(chǎn)品風格意象定位一致的形態(tài)要素。

（4）對上一階段所提取的形態(tài)元素進行分析，通過形狀文法關(guān)系與規(guī)則來描述設計的空間組織或形態(tài)組成，結(jié)合實際應用場景對產(chǎn)品的要求，對尺寸進行約束，構(gòu)造產(chǎn)品外觀空間。

（5）有經(jīng)驗的設計師在眾多設計方案中進行初步篩選，方案從造型美感、風格意象等方面進行評價后選出最終方案進行三維模型構(gòu)建與渲染。

二、產(chǎn)品研究與形態(tài)推演過程

（一）消毒機器人風格意向確立

1.消毒機器人感性意象詞匯搜集

意象詞匯表達了用戶對產(chǎn)品外觀和特征的感知，并代表了用戶的主觀感受。在設計的早期階段，應收集盡可能多的，與產(chǎn)品有關(guān)的詞匯，以反映用戶對產(chǎn)品的看法。

感性意象詞匯搜集階段的主要工作是廣泛搜集消毒機器人的購買者、使用者等人群對于消毒機器人的感性意象。通過網(wǎng)絡、期刊、報紙等方式共獲得200個感性意象詞匯。在這一階段僅搜集與消毒機器人相關(guān)的感性表達形容詞，不作篩選。

2.感性詞匯提取

感性意象詞匯提取分為兩個階段進行。第一階段，刪減與實驗目標不一致、生僻或語義過于相近的詞匯，得到60個與消毒機器人產(chǎn)品風格相關(guān)的初級感性詞匯，形成30對感性詞對。

在第二階段，最終將30對詞匯分為10類，并基于K-Means聚類分析法對結(jié)果進行分析，選取每個分類中與中心歐幾里距離最近的樣本的作為此類別中的代表詞，最終得出（如表1）中的10組最能夠精確代表使用者對消毒機器人風格感受的感性詞對。

招聘39名被調(diào)查對象，其中用戶（醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生、護士、患者）、制造商、設計師各13名，根據(jù)非常重要、重要、較為重要、輕微重要、不重要5種偏好程度對感性詞匯進行打分。分別記為5、4、3、2、1分。使用sPss軟件來計算結(jié)果，當共同度不低于0.5時，則代表該詞比較理想;平均值大小和感性詞匯的重要度成正比。分析結(jié)果（如表2）。

通過感性意向詞匯分析，選取共同度和平均值大的兩組形容詞對，最終確定消毒機器人的意向定位為簡約、親近的。

（二）消毒機器人形狀文法造型設計

1.形狀文法理論

形狀文法（Shape Grammar，SG）始于1972年，最初由MIT建筑系George Stiny教授首次提出[6]。此后，國內(nèi)外眾多學者都對其有一定研究，如美國學者Kirch、國內(nèi)學者孫守遷、孫志學等。通過形狀文法既可以使產(chǎn)品按照一定的規(guī)則生成新的形狀，又產(chǎn)品不失品牌的延續(xù)性[7-8]，同時也可以衍生出新的產(chǎn)品設計方案[9]。

形狀文法是通過計算機輔助（CAD）的方式來進行設計[10]，可表示為：SG=（S、L、R、1），其中SG表示S經(jīng)推演規(guī)則衍生的形狀集，S是初始形狀的有限集合;L是符號的有限集合;R是推演規(guī)則的有限集合;l是用于推演的初始形狀。

2.形狀文法推演規(guī)則

（1）置換：用其他產(chǎn)品部分形態(tài)曲線替換某產(chǎn)品的現(xiàn)有形態(tài)曲線的變化，可表示為：TOS=S”，如，S={○，◇，☆），TOS ={○，◇，口）。

（2）增刪：增加或刪除初始形狀的部分或全部形態(tài)曲線，可表示為：增加.TIS=S◎Sl=S U si-sn si，如，S={○，◇，☆），Sl={○，△），則TIS={○，◇，☆，△k刪除：T25=S -51，如.s={○，◇，☆，口，△），si={○，◇，口}，則T2S={☆，△}?？梢钥吹剑瑢τ谛螤钤黾油评?，s∩si可為空，對于刪除操作則需有Sl S。

（3）縮放：縮小或放大初始形狀的部分或全部曲線，可表示為：

當λ>1時為擴大變換;當O<λ

（4）鏡像：初始形狀的部分或全部曲線延某一軸線發(fā)生翻轉(zhuǎn)，可表示為：

當k<0時，若kx=-l，ky=l，則為S沿y軸鏡像;若kx=l，ky=-l，則為S沿x軸鏡像;其他鏡像變換可由這兩種鏡像操作得到。

（5）復制：對初始形狀曲線進行復制、移動操作。

其中，N為復制操作次數(shù)，M為復制操作后形狀位置的變動。n≥0且n∈Z：當n=0時，則表示形狀S未復制，僅在x，y方向的位移為mx， my。

（6）旋轉(zhuǎn)：對初始形狀進行角度變換。

其中，e為圖形S繞坐標軸原點逆時針旋轉(zhuǎn)的角度。

（7）錯切：錯切變換是改變圖形S的坐標值的方法，在繼承原有圖形特征的同時也進行了變化，可以表示為其中，hx，hy分別為S在x，y方向上的錯切量。（8）坐標微調(diào)：

其中，△x，△y分別為S的坐標變動量。

3.消毒機器人的設計思路

為了明確消毒機器人的主要造型要素，邀請5名有經(jīng)驗的設計師對樣本進行形態(tài)層次分析，最終將消毒機器人造型元素歸納為：頂部消毒液噴射孔、消毒劑分散裝置、升降臺、機身、手推握把、平板顯示器、運行狀態(tài)指示燈、靜音萬向輪及剎車腳輪。由于平板顯示器、狀態(tài)運行指示燈、靜音萬向輪及剎車腳輪、等屬于采購標準件，故在分析時不予考慮。通過形態(tài)分析法可知，在消毒機器人造型特征的層次結(jié)構(gòu)中，機身處于中間過渡層，承接消毒機器人頂部消毒液噴射孔及底部底盤，是造型信息最為豐富的一層，如Rl機身采用的是小圓角方形的設計，給人以安全的感受，R5、R6則采用的擬人形態(tài)設計，給人以親和感，R7采用的是圓柱形的機身設計，更加節(jié)省空間。擬200份問卷對醫(yī)院環(huán)境內(nèi)人群：醫(yī)生、護士、患者、患者家屬等進行調(diào)查，實際收回問卷188份。問卷統(tǒng)計結(jié)果（如表3）所示。通過形態(tài)分析及問卷調(diào)查最終得知不同的機身形狀給人以不同的感受，56.8%與45.7%的醫(yī)院環(huán)境內(nèi)人群認為機身形狀是最能夠體現(xiàn)產(chǎn)品整體簡約、親近的特性的部分，故這里以機身作為研究對象來研究消毒機器人造型風格。

4.目標產(chǎn)品分析

5.產(chǎn)品選取、機身形態(tài)元素分析

根據(jù)前期得出的對消毒機器人親近、簡約的意象定位，選取以下可供參考的消毒機器人同族產(chǎn)品與其他可供參考的產(chǎn)品，因空氣凈化器產(chǎn)品簡約、親和的外觀和目標產(chǎn)品意向定位一致，且功能與目標產(chǎn)品較為接近，因此將空氣凈化器作為可參考產(chǎn)品（如表4）。

6.產(chǎn)品形態(tài)演變過程

由曲線集合{CIC2，C2C3，C4C5，C5C6，C6C7，C7C8，C8C9，C9Cl0，ClOCll，C12Cl}構(gòu)成目標產(chǎn)品的形狀（如圖1）所示。從（表4）的同族產(chǎn)品中選取R2，異族產(chǎn)品中選取Rr2、Rr3、Rr6作為初始形態(tài)進行演變。對演變的尺寸進行約束：500mm≤L（長）<675mm，600mm

在（如圖2）中，rl代表置換，r2代表增刪，r3代表縮放，r4代表鏡像，r5代表復制，r8代表坐標微調(diào)。

7.方案生成

將形狀文法運用于消毒機器人形態(tài)創(chuàng)新設計中，能夠生成大量方案群，方案群包括推演過程中生成的方案及推演完成的最終方案。從生成的初步方案中篩選出4個機身組成整體消毒機器人方案，基于語義差分法從簡約、現(xiàn)代的角度對生成的4個方案進行問卷調(diào)查，該階段邀請20位醫(yī)生、護士、患者對選出的4個樣本進行造型意向評價，通過主觀感受的評價方式，從簡約、現(xiàn)代的角度采用7階態(tài)度量表，量表賦值為-3～3，數(shù)值3代表該樣本與風格意向相匹配，數(shù)值O代表普通，_3則表示該樣本偏離風格意向較遠，（如表5）所示。

通過（如表5）可得出結(jié)論，四個方案中，Rl給人以更加親近、簡約的感受，R3次之。即R1>R3>R2>R4.。故對Rl進行深入建模（如圖3）。

結(jié)論

通過深入了解目標人群對消毒機器人產(chǎn)品風格意象傾向后，結(jié)合分析消毒機器人外部形狀特征的基礎上，本文基于形狀文法，根據(jù)產(chǎn)品的意象定位，選取目標產(chǎn)品的同族群產(chǎn)品和非同族群產(chǎn)品，并對其形態(tài)進行分析。通過產(chǎn)品風格意象確立、目標產(chǎn)品分析、同類產(chǎn)品和參考產(chǎn)品形態(tài)篩選及分析、產(chǎn)品形態(tài)演變過程、最終方案生成等5個步驟來進行論述。結(jié)果表明，該方法既能夠繼承產(chǎn)品本身的優(yōu)勢之處，同時也能夠從其他參考產(chǎn)品中獲得形態(tài)元素，結(jié)合兩者優(yōu)勢之處加以設計以做到更好地理解消費者對于產(chǎn)品的情感認知，并通過產(chǎn)品來滿足目標群體的需求。為今后的產(chǎn)品形態(tài)設計提供參考。.

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