基于感性工學的無人拖拉機造型設(shè)計研究

摘要：為了適應(yīng)新農(nóng)村建設(shè)，建設(shè)具有中國特色的無人農(nóng)場，對農(nóng)業(yè)機械設(shè)備進行造型設(shè)計改造是一個必要的過程。文章通過感性工學（KanseiEngineering，KE）的方式進行研究，構(gòu)建了無人拖拉機造型設(shè)計特征要素與感性意象詞匯的映射關(guān)系，從而將人們對農(nóng)業(yè)機械的感性審美意象轉(zhuǎn)化為可供參考的設(shè)計語言，為設(shè)計符合國民感性審美的無人拖拉機外觀提供了參考。

關(guān)鍵詞：無人拖拉機；感性工學；國民審美；新農(nóng)村；造型設(shè)計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）15-0134-05

引言

技術(shù)的快速發(fā)展和當前農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求為無人拖拉機的發(fā)展提供了一個可靠的前提，其實際應(yīng)用可以給人們的生活帶來很大的便利?；谏鐣?jīng)濟的快速發(fā)展和人們對更高生活水平的追求，農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域?qū)o人拖拉機的需求呈現(xiàn)增長趨勢。然而由于無人拖拉機是一種新興產(chǎn)品，對無人拖拉機的研究集中在電子信息設(shè)備和機械設(shè)備等領(lǐng)域。開展符合我國國民感性審美需求的無人拖拉機造型設(shè)計研究的研究者鳳毛麟角。因此，基于我國國民感性審美需求，利用感性工學的方法對無人拖拉機的造型設(shè)計進行研究，對于適應(yīng)我國新農(nóng)村建設(shè)，建設(shè)具有中國特色的無人農(nóng)場具有重要的價值。

一、研究現(xiàn)狀

無人技術(shù)伴隨電子信息技術(shù)及機械設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生，這是一種新興技術(shù)。將無人技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對于提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提高我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)量具有積極意義。無人拖拉機是一種自主的農(nóng)用車，經(jīng)過編程后可獨立觀察其自身位置及周邊道路情況，確定行駛速度并在執(zhí)行任務(wù)時避開障礙。在無人拖拉機造型設(shè)計上出現(xiàn)了有車廂的無人拖拉機及無車廂的無人拖拉機兩種類型，前者是研發(fā)者考慮到在極端狀態(tài)下拖拉機可由人為操作需求的產(chǎn)物。綜合文章對無人拖拉機的造型設(shè)計要求，在無人拖拉機的設(shè)計中優(yōu)先考慮無車廂的無人拖拉機造型設(shè)計。

將情感需求轉(zhuǎn)化為造型設(shè)計特征是文章研究重點，感性工學為研究者提供了情感定量化評價的標準[1]。約翰迪爾[2] 所發(fā)布的無人拖拉機，其造型設(shè)計亦符合形式服從功能，在此基礎(chǔ)上引入感性工學量化分析用戶對于無人拖拉機造型的情感需求，成果顯著。因此，使感性工學運用到無人拖拉機造型設(shè)計中是一種創(chuàng)新性的方法。

二、感性工學及其應(yīng)用方法簡述

感性工學（Kansei Engineering，KE）起源于我們的鄰國——日本，第一篇正式發(fā)表的關(guān)于感性工學的文章是1975 年由長町三生在《人機工學》雜志上發(fā)表的文章《關(guān)于情緒工學的研究》。此后，經(jīng)過近50 年的發(fā)展，感性工學得到了世界學術(shù)界的廣泛認可和支持，其理論體系和研究方法逐漸得到完善。國內(nèi)的感性工學理論研究可以追溯到2004 年蘇建寧[3] 發(fā)表《感性工學及其在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用研究》一文。在此后20 余年的發(fā)展中，我國學者將感性工學與產(chǎn)品設(shè)計、交互設(shè)計、汽車設(shè)計乃至平面設(shè)計相結(jié)合，取得了豐碩的研究成果[4]。感性工學是一種充分考慮人們的生理和心理需求的學科。感性工學誕生之初被稱為“情緒工學”，反映出感性工學是關(guān)注產(chǎn)品或者界面的使用者，即用戶的情緒反應(yīng)，并將該情緒反應(yīng)進行量化分析，轉(zhuǎn)化為設(shè)計師參考數(shù)據(jù)的一門科學。簡單來說，感性工學就是將人們的感性需求進行定量化分析并轉(zhuǎn)譯為設(shè)計者可參考的設(shè)計語義或特征，從而進行有效設(shè)計的科學。感性工學研究會用到語義差分法、調(diào)查分析法、感性意象與設(shè)計特征系統(tǒng)構(gòu)建等方法。感性工學的數(shù)據(jù)分析是在調(diào)查實驗后進行的，將信度價值較高的調(diào)查數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件[5]，通過主成分分析法、因子分析法等數(shù)學方法進行分析，從中提取價值較高的主成分因子，獲取感性審美意象。將獲得的感性審美意象與造型設(shè)計特征構(gòu)建映射關(guān)系，獲取造型設(shè)計建議。需要注意的是，由于采用的感性語義詞匯過于抽象，容易產(chǎn)生較大的歧義，因此在進行調(diào)查實驗前需要對感性語義詞匯進行歸納，從而方便受試者的理解，獲得更有價值的調(diào)查數(shù)據(jù)。

通過對感性工學應(yīng)用方法的研究，建立了本課題研究的框架思路，如圖1 所示。該研究框架分為三大板塊。第一，收集優(yōu)選無人拖拉機相關(guān)感性意象形容詞，確定具有代表性的形容詞；第二，收集優(yōu)選研究樣本，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求、情感要求等角度細分研究樣本，分析無人拖拉機造型的設(shè)計元素，確定有代表性的樣本；第三，通過對實驗結(jié)果的統(tǒng)計分析，構(gòu)建無人拖拉機的造型設(shè)計特征與國民感性審美意象的關(guān)系。歸納總結(jié)出無人拖拉機造型設(shè)計的設(shè)計策略[6]。

三、無人拖拉機造型設(shè)計研究的調(diào)研分析

（一）無人拖拉機造型感性意象語義研究

1. 感性意象語義詞匯的收集：由于無人拖拉機造型設(shè)計方面的研究存在極大缺口，不足以找出足夠的無人拖拉機造型形態(tài)有關(guān)的感性意象詞匯。因此，本課題研究將感性意象詞匯的收集范圍擴大到無人車輛[7] 大類上來。通過從各大無人車輛論壇、網(wǎng)站等媒介上廣泛收集感性意象形容詞，共收集到了200 組感性意象詞匯。

在已經(jīng)收集到的感性意象形容詞中，存在大量的語義重復(fù)和詞義相近的形容詞，對以上詞匯進行篩選，獲得了80 組感性意象形容詞，而后將上述感性意象形容詞進行分類劃分，再次剔除語義相近組詞匯，獲得24 組感性意象形容詞，如表1 所示。在小組內(nèi)對已經(jīng)收集到的24 組感性意象形容詞進行分析，發(fā)現(xiàn)以上24 組詞匯中存在詞義相近的詞匯對，于是再剔除掉詞義相近及與無人拖拉機造型[8-12]感性意象評價系數(shù)關(guān)聯(lián)度不高的詞匯對，得到12 組詞匯。如表2 所示。

2. 感性意象語義詞匯的篩選：將整理好的12 組感性意象詞匯制成問卷發(fā)放給被測者，考慮到實際狀況和調(diào)研的可信度，要求被調(diào)研者對無人車輛和無人拖拉機有充分的了解并對其造型有足夠的審美評價能力，本次問卷調(diào)研選取20 名農(nóng)業(yè)機械化及其自動化專業(yè)學生和10 名車輛工程專業(yè)學生進行調(diào)研。在回收完畢調(diào)研問卷后，對所得數(shù)據(jù)進行整理，得到了30 份有效問卷。經(jīng)SPSS 信度分析，該組數(shù)據(jù)信度良好。可以對其進行進一步的分析使用。

（二）獲取國民審美訴求痛點

本次問卷調(diào)研的目的是獲得目標群體的感性意象評價形容詞，需要從以上30 組調(diào)研數(shù)據(jù)中分析得到最能反映用戶感性意象需求的數(shù)據(jù)，需要分析該組數(shù)據(jù)的權(quán)重獲得。將該組數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SPSS 分析軟件中進行分析，分析后的總方差解釋率如表3 所示，結(jié)合圖2 碎石圖可以確定該組數(shù)據(jù)的主成分。表3 總方差解釋率中特征值在1 以上的成分有4 個，再輔助觀察圖2 碎石圖的轉(zhuǎn)折傾斜趨勢可以初步確定該組數(shù)據(jù)的主成分個數(shù)為4 個。

通過上述數(shù)據(jù)分析，了解到在以上12 組感性形容詞中，有4 組感性形容詞被“被測者”選中為與無人拖拉機相關(guān)系數(shù)最大的詞匯。再次將該組數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SPSS 軟件進行統(tǒng)計分析，采用主成分因子分析法[13]，計算各組感性詞匯的線性組合系數(shù)及權(quán)重結(jié)果，如表4 所示。從圖中提取出4 組占比最大的感性詞匯對，可以看到，感性詞匯對“安全的－危險的”占比12.96%、“輕巧的－穩(wěn)重的”占比12.19%、“新穎的－傳統(tǒng)的”占比14.47%、“可靠的－激進的”占比14.76%，以上四組數(shù)據(jù)總權(quán)重占比54.38%，為被測試的12 組數(shù)據(jù)中權(quán)重占比最大者。因此，可以初步將以上四組數(shù)據(jù)選為最具代表性的感性詞匯對。

圖3 是通過主成分因子分析法分析獲得的載荷圖。從圖中得知，感性詞匯對“舒適的－難受的、可靠的－激進的、輕巧的－穩(wěn)重的、安全的－危險的、流暢的－曲折的、新穎的－傳統(tǒng)的、個性的－大眾的”7 組數(shù)據(jù)與綜合成分指標呈正相關(guān)關(guān)系。綜上所述，可得到關(guān)于無人拖拉機造型的國民審美評價的代表性感性詞匯對，如表5 所示。通過分析，可得知針對無人拖拉機這一既新又常見的事物，我國國民對其造型的感性審美評價有4 點。1. 情緒評價因子（安全的－危險的），2. 專業(yè)性評價因子（可靠的－激進的），3. 社會性評價因子（新穎的－傳統(tǒng)的），4. 造型體態(tài)評價因子（穩(wěn)重的－輕巧的）。以上4 點的國民審美訴求評價因子可概括為我國國民對無人拖拉機造型的需求痛點，即安全、可靠、新穎、穩(wěn)重。

（三）無人拖拉機相關(guān)樣本的收集與造型特征分析

1. 收集拖拉機樣本數(shù)據(jù)：收集拖拉機樣本數(shù)據(jù)時，由于研究對象無人拖拉機是一個新事物，有關(guān)無人拖拉機的產(chǎn)品較少，因此，只收集無人拖拉機樣本會導(dǎo)致所收集的樣本面不足，故將樣本收集范圍擴大到了拖拉機這一產(chǎn)品領(lǐng)域，如此不僅可以收集足夠的產(chǎn)品樣本，且人們更熟悉拖拉機的造型特征，便于被測者對其進行感性意象評價。通過各大拖拉機網(wǎng)站查找、賣家平臺咨詢等手段，共收集到了20 款拖拉機樣本圖片。圖4 是收集到的拖拉機樣本圖片匯總，為了選取最符合國民感性意象的拖拉機樣本，可以通過以下原則進行。首先，考慮無人拖拉機一類產(chǎn)品的造型規(guī)律，總結(jié)歸納出無人拖拉機各部位的造型特征；其次，篩選掉低價值樣本，選出代表性拖拉機樣本圖片，將其與感性意象詞匯匹配后進行社會調(diào)研，獲得國民感性意象數(shù)據(jù)；最后，通過感性工學的方法選出最符合國民感性意象的樣本。通過小組篩選可得知，樣本4、5、6、7、8、9、10、11 同樣本1、2、3 相似性較高，且無較大的研究價值，因此將樣本4、5、6、7、8、9、10、11 剔除，獲得代表性拖拉機樣本圖片庫，如圖5 所示。

2. 無人拖拉機造型特征分析：分析產(chǎn)品造型特征是進行產(chǎn)品造型設(shè)計的關(guān)鍵一步，對造型的把握不僅關(guān)系到設(shè)計者能否設(shè)計出合適的產(chǎn)品造型，還關(guān)系到設(shè)計者能否很好地將造型特征與感性意象進行有效整合。文章運用形態(tài)分析法對無人拖拉機造型進行分析。結(jié)合收集的拖拉機樣本造型，以適合新農(nóng)村建設(shè)的造型設(shè)計為指導(dǎo)思想，剔除掉不符合感性審美語義的造型特征設(shè)計板塊，并將無人拖拉機的造型進行分割，分割為幾個板塊進行造型設(shè)計研究。文章分別對無人拖拉機的正臉輪廓、側(cè)臉輪廓、煙筒位置、色彩4 個主要造型特征設(shè)計板塊進行分析。分析發(fā)現(xiàn)，上述4 個造型特征可以細分為以下幾個方面。首先是正臉輪廓與輪寬的比較關(guān)系；其次是側(cè)臉輪廓的扁平與凸起比較關(guān)系；又次是色彩搭配和煙筒位置設(shè)置。整理得到表6。

四、無人拖拉機造型特征與意象關(guān)系研究與應(yīng)用

（一）樣本造型特征要素與感性意象關(guān)聯(lián)性分析

1. 構(gòu)建樣本造型特征要素矩陣：為了使感性語義詞匯與無人拖拉機造型設(shè)計特征產(chǎn)生關(guān)系，需要建立造型特征要素矩陣以方便分析。結(jié)合無人拖拉機造型特征庫，把12 個代表性無人拖拉機樣本分別帶入造型特征庫中進行分析。將每個造型特征的主要方面劃分為兩個或三個的造型特征細分方面，獲得11 條造型特征細分點。按照量化分析的方法進行排列，分別將每個樣本設(shè)為縱向列，將11 條造型特征細分點設(shè)為橫向列，對每個樣本的造型特征進行分析。以樣本1為例，若樣本1 具有A3 正臉輪廓寬度大于輪寬的二分之一的造型特征細分點，則令其為數(shù)字“1”，反之則為數(shù)字“0”。其他的樣本亦按照如上方法進行分析，并將其排列組合為一份樣本的造型特征要素矩陣，如表7 所示。借助該矩陣，可以分析代表性樣本造型的具體特征以及造型特征要素矩陣與感性意象的關(guān)系，從而獲取代表性感性意象的造型特征庫，以此來指導(dǎo)設(shè)計者進行無人拖拉機的造型設(shè)計。使用語義差分法對代表性拖拉機樣本進行感性評分，結(jié)合李克特量表建立一個“-3～3”的閾值區(qū)間來制作問卷調(diào)查打分表，如表8 所示，在該組量表的兩邊是一對詞義完全相反的詞匯，位于中間點的“0”則不表示任何語義傾向，越靠近兩邊的數(shù)值表示感性傾向于所靠近的那個詞匯的感性含義。

2. 樣本造型的感性語義量化評價：使用感性語義量化打分表，可以進行樣本造型的感性語義量化評價調(diào)研，將感性語義量化打分表與代表性拖拉機樣本圖片之一結(jié)合，如圖所示。將其他11 幅樣本圖片與打分表結(jié)合便可以獲得一份樣本造型的感性語義量化評價問卷?？紤]到調(diào)研數(shù)據(jù)的專業(yè)性，此次調(diào)研邀請了10 名農(nóng)業(yè)機械化及其自動化專業(yè)研究生和10 名農(nóng)業(yè)機械化及其自動化專業(yè)本科生進行測驗，共計20 名被測者。

將準備好的調(diào)查問卷發(fā)放給被測者，允許他們依據(jù)自己的主觀感受進行填寫，并針對每個代表性樣本進行主觀的感性意象打分。最后共收集到了20份問卷，通過SPSS信度分析，問卷信度良好，數(shù)據(jù)真實，本次調(diào)研共獲得有效問卷20 份。對該組數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計后可獲得各代表性樣本的得分均值，如表9 所示。

3. 感性意象與樣本造型特征的匹配關(guān)系分析：通過感性語義量化評價調(diào)研分析了代表性樣本的感性語義傾向，并計算獲得代表性樣本的感性意象詞匯評價均值，如上表9 所示。由于調(diào)研量表數(shù)值設(shè)置的關(guān)系，負值的絕對值越大則越偏向于詞義正向的感性詞匯。假設(shè)被測者給樣本1 在“安全的”一欄打分“-3”表示，樣本1 是被測者心目中最安全的拖拉機造型。即文章所獲得的表9 代表性樣本感性意象評價均值中所示的數(shù)值越小表示該樣本越接近于相應(yīng)的感性意象。因此，可以根據(jù)表9 分析比較得知符合“最安全的拖拉機造型”的樣本、符合“最可靠的拖拉機造型”的樣本等，在分析匯總后得到圖6。

分析圖6 中的最接近感性意象的拖拉機圖片，可獲得造型特征與感性意象的匹配關(guān)系。在分析造型特征時，我們將關(guān)注點放在正臉輪廓、側(cè)臉輪廓、俯視輪廓以及色彩四大板塊上。實驗表明，正臉輪廓寬度表現(xiàn)為大于輪寬的二分之一這一造型特征通常與“穩(wěn)重的”“可靠的”“新穎的”感性意象相關(guān)。這表明較為寬大的無人拖拉機正臉輪廓在新農(nóng)村、新農(nóng)場建設(shè)語境下更符合國人對于穩(wěn)重、可靠的視覺感受的追求，此外，這種造型特征設(shè)計還能給用戶帶來某些新穎的感受。設(shè)計師在設(shè)計時可通過調(diào)節(jié)無人拖拉機造型的正臉輪廓寬度，使之大于兩前輪間距的二分之一，從而給予用戶以穩(wěn)重可靠的感覺。側(cè)臉輪廓呈現(xiàn)扁平且大部分位于輪之上這一造型特征可以給予用戶以安全、穩(wěn)重、新穎的主觀感受。無人拖拉機不同于有人駕駛拖拉機，不需要在機器上設(shè)置駕駛位，因此在無人拖拉機的造型設(shè)計中側(cè)面輪廓扁平且有大面積的平面更加穩(wěn)重，視覺上的抓地感更凸顯。深色及較為厚重的色彩搭配更符合用戶對安全、穩(wěn)重、新穎感性意象的追求。新農(nóng)村，無人農(nóng)場的建設(shè)需要大量的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備，而針對農(nóng)業(yè)機械設(shè)備造型的成系列、成品牌的設(shè)計策略對于建設(shè)有中國特色的新農(nóng)村至關(guān)重要。采用深色系的色彩搭配能夠?qū)o人拖拉機的穩(wěn)重性、可靠性以及高效能以視覺感受的形式傳達給用戶，使無人拖拉機這一新鮮事物更易被用戶所接受。

（二）無人拖拉機造型設(shè)計實踐

結(jié)合無人拖拉機造型特征設(shè)計建議，可以了解到符合我國國民感性審美的無人拖拉機造型設(shè)計特征要素，即“安全、可靠、穩(wěn)重、新穎”這一感性審美意象目標在造型特征上的表現(xiàn)。其主要表現(xiàn)可以概括為A3 正臉輪廓寬度大于輪寬的二分之一，B1 側(cè)臉輪廓扁平且大部分位于輪之上，C2 車身無煙筒，D3 色彩以單色為主且單色為深色。以上述建議為指導(dǎo)，結(jié)合仿生設(shè)計[14] 的方法提取車體主線條輪廓，進行如下設(shè)計實踐。

1. 仿生特征提取：針對海豚的軀體線條進行提取，主要對海豚的正臉剖面輪廓、側(cè)面剖面輪廓以及俯視剖面輪廓進行仿生特征提取。將側(cè)面剖面輪廓部分解析轉(zhuǎn)化為A 部分、正臉剖面輪廓部分解析轉(zhuǎn)化為B 部分、俯視剖面輪廓解析轉(zhuǎn)化為C 部分進行歸納。如圖7 所示。對上圖進行一個簡單的說明，如圖示，有3 部分，分別給其編號為A、B、C。其中A 部分所示是海豚的側(cè)面剖面輪廓的仿生特征提取，直接將海豚的側(cè)面剖面輪廓提取并簡化為黑白稿，可以得到A1，將A1 微調(diào)、置換可以得到A2，最后將A2 進行增減至簡化線條，可以得到A3；B 部分是海豚俯視剖面輪廓的仿生特征提取，直接將海豚的俯視剖面輪廓提取并簡化為黑白稿，可以得到B1，將B1 進行增減、拉伸，得到B2 接近于紡錘體的形狀，將B2 進行增減和微調(diào)得到B3；C 部分是海豚正臉剖面輪廓的仿生特征提取，將海豚的正臉剖面輪廓提取并簡化為黑白稿，得到C1，對C1 進行增減、拉伸可以得到C2 所示圖形，最后將C2 拉伸，得到C3。該仿生特征的提取可用來指導(dǎo)無人拖拉機造型設(shè)計。

2. 無人拖拉機造型設(shè)計：仿生特征線條的獲取利用了形態(tài)仿生的原理。通過對海豚身體形態(tài)的仿生獲取其體態(tài)優(yōu)勢，并為無人拖拉機的造型設(shè)計提供可供參考的設(shè)計語言。仿生特征線條的獲取對無人拖拉機造型設(shè)計中整體輪廓的確定具有重要意義。仿生特征主要取自3 部分，正臉輪廓、側(cè)臉輪廓以及俯視剖面輪廓，這與無人拖拉機造型特征的主要方面相對應(yīng)?？梢杂梅律卣骶€條組合成無人拖拉機造型的主要輪廓，在此基礎(chǔ)之上，再結(jié)合無人拖拉機造型特征設(shè)計建議進行細節(jié)設(shè)計。最終設(shè)計結(jié)果如圖8 所示。

結(jié)語

無人拖拉機是未來信息化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主力，在鄉(xiāng)村振興和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展進程中有著極其重要的作用。關(guān)注其造型設(shè)計方面，開展符合我國國民審美需求的無人拖拉機造型設(shè)計具有現(xiàn)實意義。文章結(jié)合感性工學的相關(guān)方法，對國民審美進行剖析，將不同的感性意象進行量化，用數(shù)字的形式展現(xiàn)國民對不同無人拖拉機造型的滿意度水平，構(gòu)建感性審美意象與拖拉機造型之間的關(guān)系，提出了無人拖拉機造型特征設(shè)計建議。研究為設(shè)計者進行無人拖拉機造型方面的設(shè)計提供創(chuàng)意指導(dǎo)。

基金項目：貴州大學重點專項“基于學科交叉的地域視覺形象應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計研究”，課題編號：GDYJZX2024001

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