基于感性工學(xué)與TRIZ 理論的汽車窗簾創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

曹嘉平，馬婧儒，高志勇，汪 煜，朱玉杰

（1.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040；2.江南大學(xué)，江蘇 無(wú)錫 214112）

20世紀(jì)后半葉以來(lái)，汽車逐漸成為大眾的日常消費(fèi)品，隨著人工智能時(shí)代的到來(lái)以及無(wú)人駕駛技術(shù)的日趨成熟，高品質(zhì)的出行體驗(yàn)成為終端消費(fèi)者追求的目標(biāo)[1]。許多研究者已設(shè)計(jì)出具有不同功能的智能家具窗簾，如2018 年韓大鳳[2]研發(fā)的基于嵌入式和Zigbee 技術(shù)的智能窗簾；2019 年蘇賜民等[3]研發(fā)的基于WIFI 通信技術(shù)支持的智能窗簾。目前，市場(chǎng)上的汽車窗簾主要有吸盤的鋁箔遮陽(yáng)擋、紗網(wǎng)式測(cè)遮陽(yáng)擋、靜電貼式測(cè)遮陽(yáng)擋和遮陽(yáng)簾4 種形式，但功能比較單一，無(wú)法自動(dòng)控制。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了一款車載智能光控窗簾。

1 理論介紹及集成應(yīng)用

1.1 感性工學(xué)理論

感性工學(xué)理論起源于日本，是將感性與工學(xué)相結(jié)合的技術(shù)，其主要通過(guò)分析用戶的感官、情感來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，依據(jù)產(chǎn)品特性制造產(chǎn)品，屬于工學(xué)的一個(gè)新分支[4]。

1.2 TRIZ 理論

TRIZ 理論由蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒（ALTSHULLER G S）于1946 年創(chuàng)立，為人們創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題提供了系統(tǒng)的理論和方法工具[5]。在利用TRIZ 理論的創(chuàng)新方法解決問(wèn)題的過(guò)程中，首先將待設(shè)計(jì)的產(chǎn)品表達(dá)成為TRIZ 理論問(wèn)題，其次利用TRIZ 理論中的工具求出問(wèn)題的普適解，最后把普適解轉(zhuǎn)化為特解。

運(yùn)用TRIZ 理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，但是TRIZ 理論自身并不能有效地尋找矛盾所在處[6]。

1.3 基于兩種理論的汽車窗簾設(shè)計(jì)流程

通過(guò)多種途徑收集樣本，運(yùn)用Q型聚類分析和相似取優(yōu)的方法對(duì)樣本庫(kù)進(jìn)行合并、歸類和刪除，得到需要的車載窗簾典型樣本。收集與設(shè)計(jì)意向相關(guān)的形容詞作為感性詞匯，由受過(guò)相關(guān)訓(xùn)練的專業(yè)人員對(duì)收集詞匯進(jìn)行篩選，以各年齡段駕乘人員為對(duì)象進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，對(duì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行主成分分析，得出最終的關(guān)鍵感性詞匯，利用階層類別分析法將其逐一轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要素，并運(yùn)用TRIZ理論的創(chuàng)新方法進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)。將感性工學(xué)理論和TRIZ 理論有機(jī)集成為能夠滿足用戶的感官以及情感需求，也能解決設(shè)計(jì)要素中的技術(shù)矛盾[7-10]。本文運(yùn)用感性工學(xué)理論與TRIZ 理論結(jié)合的汽車窗簾創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1。

圖1 汽車窗簾創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程圖

2 感性工學(xué)理論與TRIZ 理論的集成應(yīng)用

2.1 確定典型樣本

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物平臺(tái)查詢、實(shí)地走訪、文獻(xiàn)查詢等方式收集多種樣本，初步獲取70 個(gè)汽車窗簾樣本，運(yùn)用Q型聚類分析對(duì)70 個(gè)樣本進(jìn)行合并、歸類，刪除外形及結(jié)構(gòu)相似的樣本，得到7 個(gè)性能最優(yōu)的樣本作為典型樣本，典型樣本外形見(jiàn)圖2。

圖2 7 個(gè)性能最優(yōu)的典型樣本外形

2.2 確定關(guān)鍵感性詞匯

通過(guò)查閱相關(guān)資料獲取感性詞匯，初步篩選以剔除相似度高或不常用的形容詞，得到包含40 組感性詞匯的匯總見(jiàn)表1。

表1 感性詞匯初步匯總表

邀請(qǐng)受過(guò)相關(guān)訓(xùn)練的人員，基于他們的專業(yè)知識(shí)，對(duì)感性詞匯進(jìn)行反復(fù)甄別、篩選，通過(guò)查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)，進(jìn)一步刪減不相關(guān)或無(wú)實(shí)際參考價(jià)值的感性詞匯，合并詞義相近的感性詞匯，最終得出9 組感性詞匯作為汽車窗簾的關(guān)鍵感性詞匯。9 組感性詞匯分別為：安全的—危險(xiǎn)的；環(huán)保的—污染的；系統(tǒng)的—零亂的；便宜的—昂貴的；智能的—機(jī)械的；鮮艷的—淡雅的；適合的—無(wú)用的；易裝卸的—難裝卸的；簡(jiǎn)單的—復(fù)雜的。

2.3 確定設(shè)計(jì)要素

2.3.1 基于語(yǔ)義差異法的問(wèn)卷附表設(shè)計(jì)

利用語(yǔ)義差異法，應(yīng)用獲取的9 組關(guān)鍵感性詞匯對(duì)x個(gè)典型樣本建立評(píng)價(jià)值調(diào)查表（見(jiàn)表2），設(shè)置值為-3，-2，-1，0，1，2，3，共7 個(gè)量級(jí)[11]。

2.3.2 數(shù)據(jù)收集

隨機(jī)選取200 位機(jī)動(dòng)車駕駛員和乘員發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷，共回收到有效問(wèn)卷196 份。匯總有效問(wèn)卷結(jié)果，逐一對(duì)典型樣本的不同感性詞匯評(píng)價(jià)值進(jìn)行求和計(jì)算，取平均值作為感性詞匯最終得分，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)第63 頁(yè)表3。

表2 典型樣本感性詞匯評(píng)價(jià)值調(diào)查表

2.3.3 主成分分析

為了對(duì)初步選取的感性詞匯進(jìn)行客觀分析，將9 組感性詞匯在7 個(gè)典型樣本中的平均值作為基本數(shù)據(jù)，進(jìn)行主成分分析[12-13]。

設(shè)第i個(gè)典型樣本的第j個(gè)感性詞匯得分為aij；第j個(gè)感性詞匯表示為xj；第j個(gè)感性詞匯的樣本均值和樣本標(biāo)準(zhǔn)差分別為μj和sj。

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的感性詞匯得分與感性詞匯分別表示為公式為

表3 典型樣本感性詞匯平均值

進(jìn)行相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算，將相關(guān)系數(shù)矩陣記為R，且R=（rij）m×m，則rij的公式為

分別用λm和μm（μj=[μ1jμ2j… μmj]T）表示相關(guān)系數(shù)矩陣R 對(duì)應(yīng)的特征值以及特征向量。由特征向量μm可得到9 個(gè)新的感性詞匯，將其設(shè)為y1，y2，…，yj，…，ym，并分別記為第m個(gè)主成分，其中m=1，2，…，9。通過(guò)計(jì)算可得出每一主成分的貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率，其中bj為主成分yj的單獨(dú)貢獻(xiàn)率，αp為前p個(gè)主成分y1，y2，…，yp（p≤9）的累積貢獻(xiàn)率，公式分別為

應(yīng)用MATLAB 軟件計(jì)算各成分的信息貢獻(xiàn)率、累積貢獻(xiàn)率以及每個(gè)主成分的組成。表4 為累積貢獻(xiàn)率表；表5 為成分1 和成分2 組成表。由表4 結(jié)果可知：成分1 和成分2 的信息貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于其他成分，且累積貢獻(xiàn)率超過(guò)了95%。故選擇成分1 和成分2 作為主成分。由表5 可知，成分1 中影響最大的感性詞匯為x3（系統(tǒng)的）和x5（智能的），成分2 中影響最大的感性詞匯變量為x1（安全的）和x7（適合的）。通過(guò)對(duì)典型樣本的搜集、篩選以及對(duì)感性詞匯進(jìn)行主成分分析，確定設(shè)計(jì)汽車窗簾的關(guān)鍵感性詞匯為：安全的、系統(tǒng)的、智能的、適合的，以此作為產(chǎn)品的基本設(shè)計(jì)要素，運(yùn)用TRIZ 理論的創(chuàng)新方法進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

表4 累積貢獻(xiàn)率表 （%）

表5 成分1 和成分2 組成表

2.3.4 感性詞匯的轉(zhuǎn)化

根據(jù)主成分分析結(jié)果以及用戶體驗(yàn)研究得到汽車窗簾的關(guān)鍵感性詞匯，以此作為感性要素，利用階層類別分析法逐一將感性設(shè)計(jì)要素轉(zhuǎn)化為具有物理性質(zhì)的或可量化特征的設(shè)計(jì)要素[8]。汽車窗簾的設(shè)計(jì)階層見(jiàn)圖3。

圖3 汽車窗簾的設(shè)計(jì)階層圖

2.4 矛盾的描述

結(jié)合設(shè)計(jì)特征目前現(xiàn)有的技術(shù)分析，得到設(shè)計(jì)要素為構(gòu)建結(jié)構(gòu)（形狀、組成）、控制方式（光控）、簾體結(jié)構(gòu)（構(gòu)成、特性、容量、多用）、運(yùn)動(dòng)方式（自動(dòng)、手動(dòng)、安全、動(dòng)態(tài)）。發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)要素中存在3 對(duì)矛盾，即1 對(duì)物理矛盾和2 對(duì)技術(shù)矛盾。物理矛盾為窗簾的打開閉合狀態(tài)（一方面希望窗簾打開，觀賞車窗外風(fēng)景；另一方面希望窗簾關(guān)閉，遮擋陽(yáng)光）；技術(shù)矛盾為蓄電池的體積和容量（體積越小，儲(chǔ)存的電能越少）、汽車窗簾的形狀與安全（客運(yùn)汽車窗簾關(guān)閉時(shí)，乘員無(wú)法通過(guò)安全窗逃生）。

2.5 矛盾的消解

運(yùn)用TRIZ 理論中的39 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)特性[14]描述技術(shù)沖突為：欲改善的參數(shù)為N8蓄電池的體積（由于車窗框架處的空間有限，因此蓄電池的體積以及容量受限），欲惡化的參數(shù)是N21蓄電池的功率（蓄電池的體積太小，無(wú)法提供足夠的能量供窗簾響應(yīng)）；欲改善的參數(shù)是N38汽車窗簾的自動(dòng)化程度（窗簾可由光照強(qiáng)度控制開啟與閉合），欲惡化的參數(shù)是N12汽車窗簾的形狀（客運(yùn)汽車窗簾自動(dòng)閉合后將影響乘員從安全窗逃生）。由表6 矛盾矩陣查出可用的發(fā)明原理。

表6 矛盾矩陣局部

3 車載智能光控窗簾設(shè)計(jì)生成方案

根據(jù)感性設(shè)計(jì)要素、物化設(shè)計(jì)要素所對(duì)應(yīng)的矛盾和消解，設(shè)計(jì)了一款車載智能光控窗簾，主要包括構(gòu)建結(jié)構(gòu)、控制方式、簾體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式4 個(gè)部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

運(yùn)用N24反饋原理和N5組合原理對(duì)構(gòu)建結(jié)構(gòu)和控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)：采用N24反饋原理，考慮汽車窗簾可以根據(jù)窗外光照強(qiáng)度反饋，自動(dòng)調(diào)節(jié)窗簾的開啟和閉合，使之根據(jù)特定條件的反饋?zhàn)詣?dòng)響應(yīng)；根據(jù)N5組合原理，將步進(jìn)電機(jī)（通過(guò)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)控制窗簾的打開與閉合）、光傳感器（通過(guò)光伏充電控制器與步進(jìn)電機(jī)連接，控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)）、蓄電池（安裝在框架的一側(cè)，設(shè)有光伏充電控制器）、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部分（由絲桿與滑塊組成）以及窗簾簾體進(jìn)行合理組合，得到車載智能光控窗簾外形（見(jiàn)圖4）以及細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5）。

運(yùn)用N1分割原理、N6多用性原理、N24借助中介物原理、N30柔性殼體或薄膜原理、N27廉價(jià)替代品原理對(duì)車載智能光控窗簾的簾體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。一是運(yùn)用N1分割原理，將窗簾幕簾設(shè)計(jì)為三層，分別是第一窗簾層、薄膜太陽(yáng)能電池層、第二窗簾層，其中第一窗簾層朝向車外，具有透光性與防水性；薄膜太陽(yáng)能電池層位于所述第一窗簾層與第二窗簾層之間，與蓄電池連接；第二薄膜層朝向車內(nèi)，具有不透光性、耐臟性以及美觀性。二是運(yùn)用N6多用性原理，窗簾簾體為薄膜太陽(yáng)能電池提供安裝空間。三是運(yùn)用N24借助中介物原理，汽車窗簾為薄膜太陽(yáng)能電池提供安裝位置。四是運(yùn)用N30柔性殼體與薄膜原理，應(yīng)用非晶硅柔性薄膜太陽(yáng)能電池，改變太陽(yáng)能電池的物理形態(tài)，由于其自身具有柔性，因此可以襯聯(lián)到其他柔性物上，增大了受光面積，以吸收更多的太陽(yáng)能。五是運(yùn)用N27廉價(jià)替代品原理，非晶硅柔性薄膜太陽(yáng)能電池具有生產(chǎn)成本低、弱光響應(yīng)好以及充電效率高等特點(diǎn)[15]，可有效代替價(jià)格相對(duì)較高的太陽(yáng)能電池。車載智能光控窗簾的簾體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖4 車載智能光控窗簾外形圖

圖5 車載智能光控窗簾細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

圖6 車載智能光控窗簾的簾體結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)用N1分割原理、N13反向作用原理以及N15動(dòng)態(tài)特性原理對(duì)車載智能光控窗簾的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。一是運(yùn)用N1分割原理，百葉窗代替?zhèn)鹘y(tǒng)的幕簾式汽車窗簾，實(shí)現(xiàn)窗簾自動(dòng)調(diào)節(jié)外界射入光線。二是運(yùn)用N13反向作用原理和N15動(dòng)態(tài)特性原理，將百葉片的橫向安裝方式改為縱向安裝方式，同時(shí)將百葉窗固定框架設(shè)計(jì)為可推拉式窗體框架，方便乘員手動(dòng)控制汽車窗簾。車載智能光控窗簾的實(shí)際安裝與使用效果見(jiàn)第65 頁(yè)圖7。

圖7 車載智能光控窗簾的實(shí)際安裝與使用效果圖

4 車載智能光控窗簾工作原理

為使車載智能光控窗簾適用于空間受限且安全要求高的特殊安裝載體，將其驅(qū)動(dòng)方式改為蓄電池驅(qū)動(dòng)，通過(guò)安裝在窗簾簾體上的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池增大受光面積，儲(chǔ)存足夠的電能，供步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)。根據(jù)光照強(qiáng)度的變化，光傳感器將強(qiáng)光與弱光的不同信號(hào)輸入到STC59C52 單片機(jī)中，控制伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖8）。

圖8 車載智能光控窗簾控制原理圖

5 結(jié)束語(yǔ)

感性工學(xué)理論主要將用戶的情感化需求特征轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征，而TRIZ 理論主要用于分析設(shè)計(jì)要素中產(chǎn)生的矛盾和沖突，并利用相應(yīng)的發(fā)明原理加以解決[8]。將感性工學(xué)理論和TRIZ 理論進(jìn)行有機(jī)集成，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和目前可用的發(fā)明原理，對(duì)汽車窗簾的構(gòu)建結(jié)構(gòu)、控制方式、簾體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式4 個(gè)部分進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一款車載智能光控窗簾。與市場(chǎng)上現(xiàn)有的汽車窗簾相比，本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)的汽車窗簾不僅能夠根據(jù)光照強(qiáng)度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)開合，以保證車內(nèi)光線適宜，而且保證了汽車作為移動(dòng)載體在安裝空間和安全性方面的特殊要求。