基于視覺動力形式的康護(hù)輔具輕量化設(shè)計研究

吳儉濤，覃忠志，孫利，張碩，袁思琪，王巧玲，程永勝

基于視覺動力形式的康護(hù)輔具輕量化設(shè)計研究

吳儉濤1，覃忠志1，孫利1，張碩1，袁思琪1，王巧玲1，程永勝2

（1.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066000；2.廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105）

為了減輕和緩解用戶物理負(fù)擔(dān)和心理負(fù)擔(dān)，對康護(hù)輔具進(jìn)行輕量化設(shè)計，探索一種產(chǎn)品形態(tài)輕量化與結(jié)構(gòu)輕量化并行的綜合設(shè)計方法。以保護(hù)靴為例，將輕量化意象作為形態(tài)設(shè)計目標(biāo)，采用語義差法和主成分分析得到輕量化意象及其典型代表樣本；采用視覺動力形式分析建立產(chǎn)品形態(tài)輕量化意象的映射關(guān)系，并在此關(guān)系上通過曲線控制法進(jìn)行初始形態(tài)方案設(shè)計；利用SolidWorks軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，判斷材料冗余部分，為結(jié)構(gòu)減重提供指導(dǎo)；再次結(jié)合映射關(guān)系對初始形態(tài)進(jìn)行形態(tài)優(yōu)化設(shè)計，得到最終設(shè)計方案。對保護(hù)靴設(shè)計方案進(jìn)行評估，仿真結(jié)果顯示方案重量降低近40%，評價結(jié)果顯示輕量化意象評價良好，表明了該方法的可行性，為康護(hù)輔具的輕量化設(shè)計提供了新思路與方法。

產(chǎn)品設(shè)計；視覺動力形式；拓?fù)鋬?yōu)化；輕量化；康護(hù)輔具

隨著體育事業(yè)在全國范圍的快速發(fā)展以及全民運動健身的提倡，運動損傷變得愈發(fā)普遍，康護(hù)輔具作為一種重要的運動康護(hù)產(chǎn)品，其市場也隨著體育行業(yè)的發(fā)展在不斷擴(kuò)大。目前，康護(hù)輔具技術(shù)與功能趨于同質(zhì)，如何為用戶提供更好的使用體驗成為設(shè)計關(guān)鍵，使康護(hù)輔具的輕量化設(shè)計逐漸成為熱點。當(dāng)前輕量化研究主要集中通過拓?fù)鋬?yōu)化實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化[1-3]，從而減輕用戶肢體上的物理負(fù)擔(dān)，伍賽等[4]運用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對全新產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，降低了產(chǎn)品重量并優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能。馮楨等[5]將拓?fù)鋬?yōu)化運用在工業(yè)機(jī)器人形態(tài)設(shè)計中，通過改變約束條件生成多個設(shè)計樣本，驗證了拓?fù)鋬?yōu)化方法在產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用中的可行性。梁健等[6]應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化方法，達(dá)到了下肢康復(fù)外骨骼結(jié)構(gòu)輕量化的目的。張芳蘭等[7]通過拓?fù)鋬?yōu)化生成裸足矯形器輕量化設(shè)計方案。相比之下，形態(tài)輕量化的重要性往往被忽略。形態(tài)輕量化意味著對產(chǎn)品形態(tài)視覺認(rèn)知的減重，通過視覺感知給予用戶輕松舒緩的心理感受[8-10]，減輕用戶的心理負(fù)擔(dān)，從而給予用戶積極的康復(fù)影響和引導(dǎo)。因此，以保護(hù)靴為例，從視覺動力形式角度進(jìn)行設(shè)計分析，在康護(hù)輔具產(chǎn)品設(shè)計中采用視覺動力形式理論和拓?fù)鋬?yōu)化方法來進(jìn)行方案設(shè)計以及優(yōu)化，嘗試探索出一種產(chǎn)品形態(tài)輕量化與結(jié)構(gòu)輕量化并行的設(shè)計方法。

1 視覺動力形式

1.1 視覺動力形式概述

視覺動力形式源于格式塔心理學(xué)，是阿恩海姆在考夫卡動力論的基礎(chǔ)上提出的，并將視覺力分為三種力：即力、張力、動力[11-13]。阿恩海姆認(rèn)為“動力”是指在觀察靜止對象中視覺認(rèn)知到的有方向性的矢量張力，且任何一個物象自身都存在動力形式。產(chǎn)品形態(tài)蘊含著豐富的視覺動力形式，在創(chuàng)造豐富視覺效果的同時給予認(rèn)知主體不同的心理感受。當(dāng)前視覺動力形式被廣泛運用于產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計中，候士江等[14]通過語義差分法和視覺動力分析建立了目標(biāo)意象與叉車動力形式之間的關(guān)聯(lián)，滿足了用戶的意象需求并提升了叉車外觀形態(tài)?；ㄓ陱埖萚15]運用視覺動力形式分析機(jī)械臂外觀形態(tài)設(shè)計元素并完成了產(chǎn)品語義的量化描述，成功構(gòu)建了產(chǎn)品外觀形態(tài)與產(chǎn)品語義通用性的關(guān)系。榮歆等[16]從視覺動力角度分析了V形符號在機(jī)車車頭形態(tài)中的張力特點與聯(lián)系并進(jìn)行了相應(yīng)的概念設(shè)計。尚會超等[17]運用視覺動力形式解析了減速機(jī)視覺動力類型，建立了減速機(jī)形態(tài)視覺動力體系，為減速機(jī)形態(tài)設(shè)計提供了解決方案。洪碧云[18]采用視覺動力形式分析和數(shù)量化I類，研究傳統(tǒng)紫砂壺的視覺形態(tài)要素與視覺意象的相關(guān)性，為傳統(tǒng)紫砂壺的創(chuàng)新設(shè)計提供了新方案。康護(hù)輔具作為一種可穿戴產(chǎn)品，其形態(tài)設(shè)計中同樣蘊含著豐富的視覺動力形式，通過視覺感知上“力”的運用，能夠有效減輕產(chǎn)品視覺認(rèn)知重量，減輕用戶的心理負(fù)擔(dān)從而促進(jìn)用戶康復(fù)。

1.2 產(chǎn)品形態(tài)中視覺動力形式類型

在產(chǎn)品設(shè)計中視知覺動力形式的方法主要有傾斜、形變、重復(fù)、對稱四類[19-20]。傾斜是指物體在空間中垂直和水平方向所產(chǎn)生強(qiáng)烈的偏離感，通過視覺感知產(chǎn)生知覺性偏離而形成一種由偏離位置向正常位置的有方向的傾向性張力，傾斜角度與張力強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，傾斜角越大，張力越大。形變是指物體在外力作用下其形狀及尺寸變化而產(chǎn)生的一種反作用力的趨勢，形變量越大，對應(yīng)產(chǎn)生的反作用力越大，在形態(tài)設(shè)計往往運用S形曲線以獲得反作用力。重復(fù)是指物體在某一方向的連續(xù)出現(xiàn)，而在位移方向上的連續(xù)出現(xiàn)可被看成是運動，可使人們通過視覺感受在知覺上感知到一個方向性的推動力。對稱指物體或圖形在一定變換條件下，其相同部分在水平方向或垂直方向有規(guī)律重復(fù)的現(xiàn)象，這使其往往形成相對的視覺動力，兩者互相抵消，形成靜止感。四者相互融合變化產(chǎn)生豐富的視覺動力形式進(jìn)而影響主體的心理感受變化，既包含抗?fàn)幍摹α⒌?，又包含和諧的、趨同的。

2 基于視覺動力形式的康復(fù)輔具輕量化設(shè)計研究流程

基于視覺動力形式的康護(hù)輔具輕量化設(shè)計研究強(qiáng)調(diào)在人的視覺規(guī)律下，既包含滿足輕量化視覺前提下的形態(tài)設(shè)計，又包含滿足功能實現(xiàn)和產(chǎn)品安全前提下的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，兩者內(nèi)外結(jié)合。本文提出了基于視覺動力理論的保護(hù)靴輕量化設(shè)計研究流程，其具體步驟如下：建立代表樣本庫和意象詞庫，通過語義差法和主成分分析確定輕量化意象及其典型代表樣本；對輕量化意象的典型代表樣本進(jìn)行視覺動力形式分析，建立保護(hù)靴輕量化形態(tài)意象的映射關(guān)系；基于映射關(guān)系進(jìn)行產(chǎn)品初始形態(tài)方案設(shè)計；利用SolidWorks軟件在初始形態(tài)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，判斷冗余材料部分；再次結(jié)合映射關(guān)系對初始形態(tài)冗余部分進(jìn)行形態(tài)優(yōu)化設(shè)計以得到最終設(shè)計方案；通過語義差法和仿真分析對最終方案進(jìn)行評價篩選。具體流程如圖1所示。

3 保護(hù)靴輕量化設(shè)計

3.1 構(gòu)建輕量化形態(tài)意象映射關(guān)系

3.1.1 獲取保護(hù)靴代表樣本

從雜志期刊、在線商城等渠道搜集國內(nèi)外保護(hù)靴樣本，初步篩選獲取35個樣本，經(jīng)由小組討論和專家評價，根據(jù)保護(hù)靴形態(tài)特征差異性進(jìn)行分類和篩選，最終確定得到10個保護(hù)靴代表樣本，如圖2所示。

3.1.2 保護(hù)靴輕量化目標(biāo)意象獲取

通過網(wǎng)絡(luò)問卷和在線商城評論等渠道搜集到32個保護(hù)靴相關(guān)的意象詞匯，為剔除相似詞匯以及與“輕量化”語義差較大的詞匯，降低后期數(shù)據(jù)的處理難度，邀請4名從事感性工學(xué)研究方向的老師與學(xué)生以及4名長期從事康養(yǎng)輔具設(shè)計的企業(yè)設(shè)計人員組成專家小組，采用線上會議形式經(jīng)過多輪討論與投票，最終得到8個保護(hù)靴輕量化意象詞匯。結(jié)合前文10個保護(hù)靴代表樣本制成7級語義差異量表“非常符合”“很符合”“一般”“不符合”“很不符合”“非常不符合”，分別記為3、2、1、0、–1、–2、–3分值。同時為避免色彩、材質(zhì)等因素的干擾，將12個代表樣本圖片進(jìn)行灰度處理。最后，為保證意象評價結(jié)果的代表性和可靠性，從不同年齡層次的設(shè)計者和用戶角度出發(fā)，分別邀請2位工業(yè)設(shè)計專業(yè)老師、3名工業(yè)設(shè)計學(xué)生，2名青少年用戶、4名青中年用戶以及4名老年用戶等，共計15名具有保護(hù)靴使用經(jīng)歷的受訪者，要求上述15名受訪者在瀏覽樣本圖片后對各樣本進(jìn)行語義打分，其得分集為{C1C2C3，C}（代表第個樣本，代表第個意向詞，代表第個測者）。由此可得到第個樣本在第個意向詞的語義得分均值記為C，根據(jù)式（1）—（2）計算第個樣本在第個意象詞的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，均值能夠有效地反映每一個樣本各意向詞的總體得分水平，標(biāo)準(zhǔn)差則反映每一個樣本各意向詞得分的離散程度，離散程度越低，說明受訪者的評價越統(tǒng)一，可信程度越高。同時為了保證問卷數(shù)據(jù)的可靠性和有效性，提升數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，依據(jù)萊依達(dá)準(zhǔn)則（3）即式（3）剔除粗大誤差值。對剔除粗大誤差后的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如表1所示。

此外，為進(jìn)一步降低用戶意象認(rèn)知維度，將評價均值導(dǎo)入SPSS分析軟件進(jìn)行因子分析和主成分分析以實現(xiàn)意象詞數(shù)據(jù)的降維處理，獲得方差解釋圖和主成分矩陣，如表2和表3所示。

圖2 代表樣本圖

表1 樣本意象評分均值

Tab.1 Mean value of sample imagery score

表2 因子分析載荷矩陣機(jī)方差貢獻(xiàn)率

Tab.2 Variance contribution rate of factor analysis load matrix machine

表3 因子主成分分析矩陣

Tab.3 Analysis matrix of factor principal components

發(fā)現(xiàn)存在4個特征值大于1的因子，旋轉(zhuǎn)后的方差累計貢獻(xiàn)率為89.383%，大于85%，說明該4個因子可以解釋全部的意象詞匯，故將8個意象詞歸納為4個維度并選取每個維度中載荷系數(shù)值最大的意象詞匯來代表該維度，由此確定保護(hù)靴視覺輕量化意象詞匯={修長、輕薄、運動、簡潔}。

3.1.3 獲取輕量化意象典型代表樣本

根據(jù)已確定的代表意象詞匯，結(jié)合已獲取的意象評價結(jié)果（見表4），對比分析獲取意象典型代表樣本。

表4中數(shù)據(jù)根據(jù)式（1）—（2）計算可知，離散程度均低于1，表明數(shù)據(jù)具有可信度，故直接選擇各意象評價均值前3的作為該意象詞的典型代表樣本，得到各意象與典型代表樣本的對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。

表4 樣本意象評價值

Tab.4 Evaluation value of sample imagery

圖3 意象代表樣本

3.1.4 建立輕量化形態(tài)意象映射關(guān)系

結(jié)合前文產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計中的視覺動力形式類型，分析保護(hù)靴側(cè)面形態(tài)中的視覺動力形式。通過分析輕量化意象詞典型代表樣本的視覺動力形式，建立輕量化形態(tài)意象映射關(guān)系，為方案設(shè)計提供指導(dǎo)。

1）對符合“修長”意象的典型代表樣本7、8、4的視覺動力形式分析如下圖4所示。在水平方向產(chǎn)生相對的兩個力，使保護(hù)靴兩側(cè)的曲線產(chǎn)生形變，值越大，左右距離越??；在垂直方向產(chǎn)生相離的兩個力，使頂部和底部曲線產(chǎn)生形變，值越大，上下距離越大；兩個方向的力共同作用，最終使產(chǎn)品整體在垂直方向獲得無限拉長，從而產(chǎn)生“修長”的視覺意象。對比三者水平形變與垂直形變的大小，可以發(fā)現(xiàn)在水平形變上，7≈84；垂直方向形變上，784。計算三者的形變比，可以得到樣本7樣本8樣本4，時結(jié)合表4中“修長”意象評價值可知，樣本7的評價均值最大，樣本4評價均值最小，兩者綜合分析對比可以得到垂直方向與水平方向形變比值與修長感呈正相關(guān)，形變比越大則修長感越強(qiáng)。

圖4 “修長”視覺動力形式分析圖

2）對符合“輕薄”意象的典型代表樣本7、8、9的視覺動力形式分析如下圖5所示。樣本7和8主要受到水平方向和垂直方向的力，產(chǎn)生水平形變和垂直形變；樣本9則主要受到水平方向的力，產(chǎn)生水平形變，且水平方向上7>8>9，垂直方向上7≈8>9結(jié)合表4中“輕薄”感評價值可知，樣本7和8的評價均值均大于樣本9，可以得出，垂直方向形變越大，水平方向形變越大，則營造的“輕薄”視覺意象越強(qiáng)。進(jìn)一步對樣本7、8進(jìn)行分析，兩者垂直形變接近，且水平方向相對的力均集中于腿部和足部，腿部和足部均受相對和相離兩對力的作用而產(chǎn)生腿部形變W和足部形變W，兩者足部均受相離的力且足部形變量W相近，但是W7>W8，分別計算W/W可以得到樣本7>樣本8，結(jié)合表4中輕薄感評價值可知，樣本7的評價均值大于樣本8的評價均值。綜合分析對比可以得到水平的腿部形變與足部形變比值與輕薄感呈正相關(guān)，腿部形變與足部形變比值越大，運動感越強(qiáng)。

圖5 “輕薄”視覺動力形式分析圖

3）對符合“運動”意象的典型代表樣本2、8、7的動力形式分析如圖6所示。三者主要在水平方向都受到相離的兩個力，分別是位于腳踝處水平向右的力1和位于腿部處水平向左的力2，兩者作用下造成左側(cè)輪廓線產(chǎn)生向右彎曲的形變W，故形成垂直方向向左的傾斜角度，進(jìn)而產(chǎn)生水平向左前進(jìn)的力，營造出“運動”的視覺意象。進(jìn)一步對比分析三者輪廓的左側(cè)形變W，可以發(fā)現(xiàn)W2>W8>W7，樣本2中左側(cè)形變最大，對應(yīng)產(chǎn)生的垂直方向與水平方向的傾斜角度2最大，樣本8次之，而樣本7左側(cè)形變最小，對應(yīng)產(chǎn)生的傾斜角度7最小，得到287。結(jié)合表4中運動感評價值可知，樣本2的評價均值最大，樣本7評價均值最小。綜合分析對比可以得到運動感與垂直方向向左的傾斜角度大小正相關(guān)，傾斜角度越大則運動感越強(qiáng)。

圖6 “運動”視覺動力形式分析圖

4）對符合“簡潔”意象的典型代表樣本7、5、6的動力形式分析如圖6所示。通過分析三者側(cè)面輪廓中的圖形元素數(shù)量可以發(fā)現(xiàn)，圖形元素數(shù)量的多少直接對應(yīng)著動力數(shù)量的多少，且不同的圖形元素所產(chǎn)生的視覺動力方向各不相同，但當(dāng)圖形元素為規(guī)則矩形和圓形，且處于水平和或垂直狀態(tài)時，該圖形元素則不具有視覺動力。同時進(jìn)一步研究圖形元素動力形式之間的關(guān)系，由于不同圖形元素所產(chǎn)生的視覺動力方向不同，進(jìn)而導(dǎo)致視覺動力之間發(fā)生沖突，圖形元素種類越多，對應(yīng)產(chǎn)生的視覺動力越多，動力之間的沖突也越大。通過圖6可知，樣本7中視覺動力最少，樣本5較少，樣本6最多。結(jié)合表4中簡潔評價值可知，樣本7的評價均值最大，樣本6的評價均值最小。綜合對比分析可以得到，側(cè)面輪廓內(nèi)視覺動力數(shù)量與簡潔感呈負(fù)相關(guān)；視覺動力數(shù)量越多則動力間力的方向沖突越多，簡潔感越低。

圖7 “簡潔”視覺動力形式分析圖

通過以上對比分析，建立輕量化形態(tài)意象映射關(guān)系如下：修長感與垂直方向和水平方向形變比呈正相關(guān)，應(yīng)通過提高垂直形變與水平形變之間的比值，以營造“修長”感；輕薄感與水平方向腿部形變與足部形變比呈正相關(guān)，應(yīng)通過提高腿部形變W與足部形變W之間的比值，以營造“輕薄”感；運動感與垂直方向向左的傾斜角度大小呈正相關(guān)，應(yīng)通過加大保護(hù)靴側(cè)面輪廓左側(cè)曲形變W，從而提高垂直方向的傾斜角度，以營造“運動”感；簡潔與視覺動力數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，應(yīng)減少保護(hù)靴側(cè)面輪廓中圖形元素數(shù)量或采用不具有視覺動力的規(guī)則矩形和圓形，以營造“簡潔”感。

3.2 初始形態(tài)方案設(shè)計

由前文可知樣本7各意象值均在前列，故選取樣本7作為參考樣本，采用NURBS曲線對樣本7的側(cè)面輪廓進(jìn)行提取并作為參考曲線，選取曲線中轉(zhuǎn)角處為控制點，分別得到點。同時為保證貼合度與舒適度，基于人體工學(xué)提取人體腿部曲線作為約束曲線并選取曲線中轉(zhuǎn)角處為控制點，分別得到點111111111。通過曲線控制法，記錄初始曲線點位移坐標(biāo)和約束曲線位移坐標(biāo)，計算兩者各控制點相對位移差，采用形態(tài)均化法和二分點法，得到均化輪廓及控制點′′′′′′′′，如圖8所示。

圖8 均化輪廓曲線

根據(jù)映射關(guān)系要求，逐次改變初始位移的控制點坐標(biāo)來控制曲線彎曲變形程度，從而達(dá)到水平形變比大和傾斜角度大的設(shè)計目標(biāo)，通過改變點′′′的水平位移來控制水平的形變量和傾斜感，改變點′′的垂直位移來控制形變比率，改變點′′′的垂直位移來控制垂直形變，逐次改變初始位移的控制點坐標(biāo)來控制曲線彎曲形變程度，從而達(dá)到水平形變比大和傾斜角度大，以滿足修長、輕薄、運動的意象，最終獲得設(shè)計曲線，如圖9所示。

在此基礎(chǔ)上，采用Rhino三維軟件進(jìn)行建模，形成了兩個保護(hù)靴形態(tài)輕量化的初始形態(tài)設(shè)計方案，如圖10所示。

3.3 拓?fù)鋬?yōu)化分析

3.3.1 臨界條件和載荷確立

將用戶在穿戴保護(hù)靴下的身體姿態(tài)作為臨界條件，以計算得到其邊界約束和載荷條件。由于保護(hù)靴是將整個小腿和足部全部固定包裹，整體受膝關(guān)節(jié)控制且要避免擺動，故只考慮相對靜止?fàn)顟B(tài)。同時根據(jù)與用戶的實地觀察交流，得出用戶在穿戴保護(hù)靴下的兩類基本運動狀況：

1）在躺臥狀態(tài)下，為了保持腳踝和跟腱處于松弛狀態(tài)，保護(hù)靴在穿戴情況下保持水平狀態(tài)，需要考慮用戶小腿自身重量對保護(hù)靴側(cè)面所施加的重力。

2）在靜坐狀態(tài)下，為了保持腳踝和跟腱處于松弛狀態(tài)，保護(hù)靴足部和小腿部保持垂直固定，保護(hù)靴足底接觸地面需要與地面接觸，所以在受力分析時，需要考慮用戶小腿自身重量對保護(hù)靴足底施加的重力。因此，最危險的狀態(tài)可等同于穿戴保護(hù)靴下，用戶在躺臥和靜坐過程中，保護(hù)靴不同位置結(jié)構(gòu)承受最大力的時刻。以180 cm/83 kg的成年人為例，根據(jù)人機(jī)工程和引力公式計算以上兩種工況下的最大受力，可以得到狀態(tài)1下和狀態(tài)2下保護(hù)靴側(cè)面和足底所受壓力均為57 N，因此選擇兩處受力同時最大的時刻進(jìn)行分析。

圖9 曲線演化過程

圖10 初始設(shè)計方案

3.3.2 靜力分析

根據(jù)前文兩類工況分析結(jié)果，將保護(hù)靴初始形態(tài)方案的Rhino三維模型導(dǎo)入SolidWorks中，通過sumilation插件進(jìn)行靜受力分析。按照設(shè)計要求選擇設(shè)計方案材料，所使用材料為保護(hù)靴常用材質(zhì)PP共聚物，其材料力學(xué)性能如表5所示。

表5 PP材料力學(xué)性能

Tab.5 Mechanical properties of PP materials

此外對設(shè)計方案添加臨界條件下對應(yīng)的受力載荷，在足掌底部添加固定幾何體約束，進(jìn)而生成網(wǎng)格，分別計算得到保護(hù)靴應(yīng)力云圖，如圖11所示。結(jié)果表明，保護(hù)靴的最大應(yīng)力值分別為1.022×106N/m2、6.279×105N/m2，低于工程塑料PP共聚物材質(zhì)的屈服力4.5×107N/m2；最大位移分別為1.683 mm、1.328 mm，兩者均在安全范圍內(nèi)，表明設(shè)計方案符合安全要求。

圖11 保護(hù)靴靜應(yīng)力分析圖例

通過設(shè)計洞察模塊經(jīng)驗度分析得到保護(hù)靴材料分布狀況，將靜應(yīng)力圖和設(shè)計洞察圖進(jìn)行對比分析，如圖12所示。可發(fā)現(xiàn)靜應(yīng)力越大，材料保留程度越大，越趨于實體化，屬于材料保留部分；靜應(yīng)力越小，材料保留程度越小，越趨近于透明，屬于材料冗余部分。因此可以對冗余部位進(jìn)行鏤空處理以達(dá)到減重目的，從而完成拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。

圖12 保護(hù)靴設(shè)計洞察圖

3.3.3 拓?fù)鋬?yōu)化求解

基于SolidWorks中的拓?fù)渌憷K對有限元模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。在SolidWorks中，導(dǎo)入模型后進(jìn)相關(guān)參數(shù)設(shè)置：首先進(jìn)行夾具和載荷設(shè)置，在足掌底部添加固定幾何體約束；其次在設(shè)置目標(biāo)與約束模塊中選取最佳強(qiáng)度質(zhì)量比為目標(biāo)，質(zhì)量減少30%，同時為保留設(shè)計方案的形態(tài)輪廓特征，需在制造控制模塊中添加保留區(qū)域，保留區(qū)域為模型側(cè)面輪廓線與足掌底板，進(jìn)而生成網(wǎng)格。通過運算求解，計算得出保護(hù)靴，如圖13所示。

圖13 保護(hù)靴拓?fù)鋬?yōu)化圖例

圖13中紫藍(lán)色區(qū)域為在保證結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度的前提下可去除部分，可以發(fā)現(xiàn)方案的兩側(cè)壁厚均有部分可移除。結(jié)合圖11—13進(jìn)行綜合分析，可通過減小保護(hù)靴兩側(cè)紫藍(lán)色區(qū)域壁厚以及移除部分透明區(qū)域以實現(xiàn)保護(hù)靴結(jié)構(gòu)輕量化。

3.4 設(shè)計方案優(yōu)化

根據(jù)圖11—13的分析結(jié)果，基于前文輕量化形態(tài)意象的映射關(guān)系，對原有產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行規(guī)則切除和重塑，采用形態(tài)趨于一致的圓形和矩形產(chǎn)生統(tǒng)一的視覺動力形式以營造簡潔的意象，同時采用重復(fù)的手法，以不同尺寸去切除不同位置的冗余材料，從而達(dá)到對移除部分形態(tài)優(yōu)化的目的，得到優(yōu)化之后的方案如圖14所示。

圖14 最終優(yōu)化方案

4 方案評價與仿真驗證

將上述最終優(yōu)化方案與6個典型代表樣本組合制成7級語義差異量表，為降低用戶認(rèn)知差異對評價結(jié)果產(chǎn)生影響，邀請前文15位受訪者再次進(jìn)行輕量化意象評價，評價結(jié)果如表7所示。兩個方案的所有意象均值都為正值且排名靠前，說明方案形態(tài)輕量化效果良好。且方案a的均值和最大，為最符合輕量化設(shè)計需求的保護(hù)靴形態(tài)設(shè)計方案，如表6所示。

表6 輕量化意象設(shè)計方案評價結(jié)果

Tab.6 Evaluation results of lightweight image design schemes

再次對最終方案進(jìn)行仿真分析以驗證方案合理性，如圖15所示。通過優(yōu)化前后的結(jié)果對比可知，最終優(yōu)化方案應(yīng)力和位移優(yōu)化前后的變化不大，最大應(yīng)力值由之前的1.022×106N/m2變?yōu)?.640× 106N/m2，6.279×105N/m2變?yōu)?.192×106N/m2，最大位移值由之前的1.683 mm變?yōu)?.023 mm，1.328 mm變?yōu)?.250 mm，兩者均在安全范圍內(nèi)，且優(yōu)化后保護(hù)靴質(zhì)量分別由0.898 kg變?yōu)?.578 kg，0.781 kg變?yōu)?.475 kg，質(zhì)量卻減少了近40%，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕量化的目的。通過評價結(jié)果和仿真分析結(jié)果可得，產(chǎn)品在形態(tài)輕量化的同時實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕量化，表明了該方法的可行性。

圖15 最終優(yōu)化方案仿真分析

5 結(jié)語

本文基于視覺動力形式理論和拓?fù)鋬?yōu)化方法，提出了一種形態(tài)輕量化與結(jié)構(gòu)輕量化結(jié)合的綜合設(shè)計方法。以現(xiàn)有的保護(hù)靴作為研究對象，首先通過語義差異法和視覺動力形式理論建立視覺動力形式與輕量化意象之間的映射關(guān)系，并進(jìn)行初始方案設(shè)計。其次對初始方案進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計以判斷結(jié)構(gòu)的材料冗余部位，并結(jié)合映射關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最后通過方案評價和仿真分析結(jié)果驗證了該方法的可行性。該方法有助于避免單一追求產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化而造成的形態(tài)失衡，結(jié)合形態(tài)審美以達(dá)到更為均衡的設(shè)計輸出，達(dá)到用戶心理層面和物理層面的雙重緩解，希望能夠為康護(hù)輔具和其他產(chǎn)品的輕量化設(shè)計提供新思路和方法。此外，材質(zhì)、色彩等對產(chǎn)品的輕量化也有一定程度的影響，有待于進(jìn)一步擴(kuò)展研究。

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Lightweight Design of Health Care Assistive Devices Based on Visual Dynamic Form

WU Jian-tao1, QIN Zhong-zhi1, SUN Li1, ZHANG Shuo1, YUAN Si-qi1, WANG Qiao-ling1, CHENG Yong-sheng2

(1.Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066000, China; 2. Kah Kee College, Xiamen University, Fujian Zhangzhou 363105, China)

The work aims to conduct lightweight design of health care assistive devices and explore a comprehensive design method of product form lightweight and structure lightweight to reduce and alleviate the physical and psychological burdens of users. With protective boots as an example, firstly, the lightweight imagery was taken as the form design target, and the semantic difference method and principal component analysis were used to obtain the lightweight imagery and its typical representative samples; secondly, the visual dynamic form analysis was used to establish the mapping relationship of the lightweight imagery of the product form, and the initial form scheme was designed by the curve control method based on this relationship; then SolidWorks software was used to optimize the topology, determine the redundant part of material and provide guidance for structure weight reduction; finally, the mapping relationship was combined again to optimize the initial form design and obtain the final design scheme. The protective boot design scheme is evaluated. The simulation results show that the weight of the scheme is reduced by nearly 40%. The evaluation results show that the lightweight imagery is well evaluated, which shows the feasibility of the method and provides a new idea and method for the lightweight design of health care assistive devices.

product design; visual power form; topology optimization; lightweight; health care assistive devices

TB472

A

1001-3563(2023)04-0123-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.04.015

2022–09–29

河北省社會科學(xué)基金年度項目（HB20YS003）；福建省社會科學(xué)規(guī)劃項目（FJ2021CO98）；國家社會科學(xué)基金藝術(shù)學(xué)一般項目（2022BG2082）；國家社會科學(xué)基金年度項目藝術(shù)學(xué)單列學(xué)科（2021BG02536）

吳儉濤（1976—）女，博士，教授，主要從事工業(yè)產(chǎn)品智能設(shè)計方法創(chuàng)新研究。

孫利（1973—），男，博士，教授，主要從事機(jī)械裝備產(chǎn)品智能定制設(shè)計理論與方法、康養(yǎng)輔具創(chuàng)新設(shè)計研究。

責(zé)任編輯：馬夢遙