引用本文
孙琳琳, 孔繁森. 基于感性工学和TRIZ理论的汽车座椅视觉舒适度设计. 2014, 44(1): 106-110
SUN Lin-lin, KONG Fan-sen. Visual comfort design of automobile seat based on Kansei engineering and TRIZ theory. 吉林大学学报(工学版), 2014, 44(1): 106-110  
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基于感性工学和TRIZ理论的汽车座椅视觉舒适度设计
孙琳琳, 孔繁森
吉林大学 机械科学与工程学院,长春130022
孔繁森(1965),男,教授,博士生导师.研究方向:制造系统建模,仿真与优化,物流系统规划设计.E-mail:kongfs@jlu.edu.cn

孙琳琳(1979),女,博士研究生.研究方向:人类工效学.E-mail:jlsonger@126.com

基金:吉林省科技发展计划项目(201105018);
摘要

结合感性工学和TRIZ的方法,本文首先通过汽车座椅设计前期的消费者美学喜好调查,得到了最能够贴近消费者心理的设计符号、元素,然后通过形式美学法则来进行设计整合,找出特定人群的心理喜好设计需求,并运用TRIZ的方法进行功能和结构的重组,得到了全新的概念设计样稿;最后,运用眼动仪进行眼动客观评价验证,结果表明,此种设计方法和设计流程有效可行,作为一种普适性的设计研究方法,设计过程简单且易操作、经济性强,可以运用在产品设计过程中。

关键词: 机械设计; 感性工学; TRIZ理论; 眼动仪; 汽车座椅; 概念设计
中图分类号:N945.12 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2014)02-0106-05
Visual comfort design of automobile seat based on Kansei engineering and TRIZ theory
SUN Lin-lin, KONG Fan-sen
College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022,China
Fund:
Abstract

This article presents a design method of visual comfort of automobile seat based on Kansei engineering and TRIZ theory. First, in the early design stage of automobile seat, a customer survey was conducted to obtain the customer's preference of design symbols and elements. Then based on the principle of formal aesthetics, design integration was carried out to found the psychological preference of special group of customers. Second, the TRIZ theory was used to recombine the function and structure, and to achieve a new conceptual prototype design. Finally, objective evaluation and validation of the design were conducted using eye tracker. The results show that the proposed design method and procedure are effective, and can be used as universal design research method. The design procedure is easy to operate and is economic.

Keyword: mechanical design; Kansei engineering; TRIZ theory; eye tacker; automobile seat; concept design
0 引言

汽车座椅作为人们乘驾舒适的重要部分,得到越来越多学者和设计师的关注。De Carvalho D E[ 1]运用放射照相的方法,通过对8名没有腰背部损伤经历的男士进行实验研究,结果表明:座椅后部靠背2 cm到4 cm处增加腰部支撑的位置会导致腰椎突出病症的增加。Paul G[ 2]针对当前汽车座椅后座位舒适度测量不准确的问题,通过准确体位和体压,并使用三坐标测量系统对 点进行测量,结果表明:坐垫、坐垫接触面积和坐垫前部力量可以通过主观人体测量学来模拟。Alves C D[ 3]从肩部水平的铰接对汽车座椅舒适性进行了实验研究,提出人体坐立平均高度为88 cm,并从理论上推导出参考座椅 点以上43.5 cm的高度为舒适铰接高度。Kim S H[ 4]应用北美人群目前的人体测量学,开发人体模型对座椅舒适度进行仿真,根据三维模型得到外部几何轮廓,并对有限元建模过程和建模最终结果与志愿者的实测结果进行了比较。Nishimatsu T[ 5]通过涂层布对汽车座椅舒适性的影响进行研究,根据人们坐在不同表面涂层的座椅上的感觉对七个汽车座椅的舒适性进行了评估,发现具有轻便、优质、温暖和光滑感觉的座椅与其表面的顶级涂层布的摩擦力和热性能等物理性质息息相关。Mohamad D[ 6]运用图像分析法,对汽车座椅舒适性设计进行研究,基于参与者对舒适性的认知提出了一个角度范围。对舒适的位置角度、人体测量数据和座椅调整之间的关系进行了分析讨论。Matthias F[ 7]运用EMG方法研究了轻按摩系统对汽车座椅舒适度和肌电信号的影响,尽管轻按摩系统是轻缓、低强度的,但研究表明:该按摩系统在驾驶过程中不仅增加了舒适性,也增加了肌肉活动。

如前所述,目前研究大多从功能角度探讨汽车座椅的设计,很少关注客户的主观审美情绪,本文将客户的主观审美情绪和结构功能的创新设计结合在一起研究汽车座椅的设计与评价问题。首先,通过汽车座椅设计前期的消费者美学喜好调查,得到最能够贴近消费者心理的设计符号和元素,通过形式美学法则来进行设计整合,以找出特定人群的心理喜好需求。然后,运用TRIZ的方法进行功能和结构的重组,得到全新的概念设计样稿。最后运用眼动仪考察客户审美关注点,进而对座椅的设计给出指导意见。

1 设计流程

感性工学的研究不仅采用了高端科研设备,而且结合了产品的设计、制造与生理心理的认知过程,兼顾和平衡各个人群的感受和需求。本文使用的感性工学的方法为李克特量表法,通过对目标客户美学心理倾向的调查研究,得到消费者的美学倾向,为汽车座椅的设计提供了可靠的美学设计因素。同时,本文使用TRIZ创新方法,对汽车座椅的功能和结构进行创新设计。本文的设计流程如图1所示。设计流程分为以下几个部分:目标客户美学心理需求研究;根据美学需求提取设计符号;运用TRIZ创新方法,结合设计符号进行功能设计创新、设计样稿,并通过眼动仪实验进行设计方法可行性验证。

图1 设计方法流程图Fig.1 The flow chart of design method

2 感性工学实验及分析
2.1 实验设计

采用李克特量表的方法进行问卷设计调查,实验中被调查对象不需要有驾车经验,有工学本科以上学历背景,年龄23岁左右,男女不限,共90人做问卷实验,实验问卷全部回收,有效问卷84份,6份无效问卷。问卷共分为4部分:①美学形态倾向调查,主要从原始美、文化传统美、实用美、习惯产生的中庸美这些维度进行问卷设计;②线条喜好倾向研究采用直线、曲线、直线曲线相结合这些纬度进行;③色彩倾向调查研究,主要从色相、色的明度、色的纯度、色的对比、色的调和、配色的风格几个角度去选择。研究的目的是抓住消费者的色彩心理感受;④形式美法则的抽取调查。本问卷共设66道选择题。

2.2 统计结果
表1 问卷实验结果 Table 1 Experimental results by questionnaire survey
2.3 统计结果分析

实验有效问卷84份,其结果用excel软件做统计分析,按照李克特量表的记分方法,把每个选项分别赋值为1、2、3、4、5,数值越大,越不被接受。结果显示:形态美学喜好排名为原始自然美、实用美、文化美、潮流美,这种审美倾向和被试人群的教育环境相关。在工科专业的同学,往往以自然、实用为美,文科艺术类人群大多倾向潮流时尚,文化传统美;线条喜好平均值显示直线与曲线的结合给此类消费人群更好的感受;形式美学倾向均值显示动感的节奏与韵律、视觉冲击力强的对比与重点这两种规律更易于被接受;最受喜爱的颜色为红、黄。

在excel上用if函数筛选特征参数,问卷设66道选项,以三分之一为界限,设20为特征参数。即若“答案”输入的频数为20,结果就输出相应的题号,低于20频数的题号不输出。分析结果得到:红、绿、紫、蓝、橙五种颜色,分别代表喜欢到不喜欢的5级选项;最喜欢的结果分别代表自然元素的自然原始形态美,直线与曲线的互相配合美,颜色对比醒目、重点突出、和谐色彩美;不喜欢的橙色、蓝色及过分追求潮流的选项,这与目标人群所学专业、年龄、学历有直接关系。因此,在研究实用性的同时一定要兼顾设计的变化,这也是当代年轻人的审美特征之一。

以上分析充分证明针对这个人群的问卷的有效性和实用性。在汽车座椅设计中,抽取原始形态符号,配色以中国传统红、高级灰为主色,既有对比又有重点的配色,尽量避免过分张扬和装饰性强的颜色,尊重人群年龄的变化美要求,并以工学学科的学科背景进行设计。

3 基于Triz创新方法的汽车座椅结构设计
3.1 座椅系统资源分析

首先,利用九屏幕法对座椅系统进行资源分析,分析结果如图2所示。通过资源分析得到的设计灵感源于当前系统的未来,即多功能、舒适性高、可折叠,可移动的汽车座椅。

图2 汽车座椅九屏幕法资源分析图Fig.2 Resource analysis diagram of automobile seat based on nine screen method

3.2 超系统功能

仪表板、方向盘、换挡机构、天棚、车门为超系统。运用STC算子法,把座椅的尺寸和成本进行变化,假如尺寸无限大,一个座椅就可装载整个汽车结构;假如尺寸无限小,那么就不存在座椅,就需要寻找和开发新系统进行功能替代。在不计成本的情况下,汽车座椅直接可以具有汽车所有的功能,整个技术系统就需要更新换代;在成本投入无限小的情况下,座椅可能被取消,用其他系统代替。这种打破思维定势的方法是用夸张的想法来获取灵感,把很多的功能融入到座椅当中,实现座椅多功能化。

3.3 技术矛盾分析

在一个系统中,改善了一个技术参数,相应恶化了另一个技术参数称为技术矛盾。解决技术矛盾的方法是查找矛盾矩阵,找到相应的创新原理。就以上设计方向进行座椅的参数状态分析:座椅的功能增加能够改善操作的方便性,但座椅体积变大,减小了车内空间。以上结果成为了一对技术矛盾,我们定义的改善、恶化的参数分别为操作方便性和增大了体积。通过查找矛盾矩阵表,在备选的方案中,选取了三个创新原理进行设计,即嵌套原理、反向作用原理、组合原理。这三个原理能够有效缓解上述技术矛盾。本文理想化的设计理念是:座椅各个部位可以伸缩嵌套,可采用把仪表板和换挡机构进行功能重组,组合在汽车座椅中;由座椅的单一方向运动改为360°运动,并且可上下伸缩,伸出车外。

4 概念设计样稿说明

结合消费者的审美倾向及结构创新方法的研究,对汽车座椅进行功能结构的概念设计。

本座椅适用于双人位或单人位车辆,通过TRIZ的分析,把车内更多的功能实现在座椅中,外观设计从自然界昆虫的原始形态设计入手,结合功能要求展开。整个座椅实现伸缩、组合、嵌套、旋转的结构,如图3和图4所示。

图3 汽车座椅未显示功能状态图Fig.3 State diagram of automobile seat Not display function

图4 汽车座椅功能展示图Fig.4 Display diagram of automobile seat function

(1)在驾驶者不乘坐的情况下,两个护头组件自动回缩,护头组件不但在急行时保护头部,同时具有语音通话功能。

(2)手柄方式感应方向操纵杆,取消了一直沿用的传统的圆型方向盘,驾驶者乘坐启动汽车,操纵杆自动伸出,驾驶者需要离开座椅时,手柄有控制按键可直接将操纵杆收缩回腿部旁边的两个圆柱弧形体中。

(3)显示屏为伸缩内嵌式结构,启动时从两腿之间的座椅下方一节一节伸出,直到视线平视位置的下方。采用红外视觉搜索,在眼睛看到显示屏的同时,显示数据,在眼睛离开显示屏的时候,显示器自动关闭;兼具疲劳提醒的功能,当疲劳驾驶的时候,眼神会受到视觉收缩系统的提醒,保证安全驾驶。

5 汽车座椅概念设计眼动实验评价
5.1 实验设计

运用以上研究方法进行汽车座椅样稿设计,通过眼动仪的客观评价证明设计样稿能否具有最吸引被试人视觉的效果。评价内容分为单张设计效果图(实验时间8 s),评价设计关键部位能否吸引客户视觉;4张图片组合(实验时间15 s),加入两张干扰图片,即现有汽车座椅中、高档两款,4张图片均以红色为主色调,交叉摆放。每个实验30人,两个实验被试者没有交叉,保证对设计的座椅存有新鲜感。实验地点为吉林大学人类工效学实验室。

5.2 实验仪器

眼动仪实验所使用的仪器为Tobii眼动仪。主要包括视觉采集摄像机、用户表情摄像机、扬声器,全部与视觉追踪装置集成在24仪TFT显示器中整合为一体,不会干扰测试者。精确度≤双眼0.4°;准确度≤双眼0.09°;采样率≥双眼60 Hz;该仪器通过红外线摄像机获得被试者眼睛图像,图像数据分析后,能获得准确眼动数据。

5.3 实验结果

眼动实验表明:设计的功能要素都能够有效地吸引被试者的视觉;影响舒适程度的头、肩颈、腰背部均能吸引被试者的视觉;形态的特异性和结构的嵌套性吸引被试更多关注(图5)。在存在干扰项的图片中(图6),虽然颜色都选择为红色系,减少色相差的干扰,但是由于红色的纯度和明度的不同,纯度高,明度高的座椅首先吸引了被试者的视觉,但是关注点最多的仍然是本次座椅设计稿,每个设计点和功能都得到了长时间的注视。设计样稿效果图(图7)在8 s的眼动实验中,头、肩、背部和仪表板的设计吸引了客户更多的注意力。

图5 设计不同角度热点图Fig.5 Design different angles heap map

图6 有干扰项目的热点图Fig.6 The heap map with interference project

图7 座椅效果图Fig.7 Effect picture of the seat

以上实验结果表明:从客户的美学心理研究入手的汽车座椅创新设计方法,能够有效地把握客户对汽车座椅视觉舒适度的要求。

6 结束语

本文首先通过感性工学方法中李克特量表法,寻找客户消费美学心理倾向;通过TRIZ创新思维方法,突破设计的思维定势,找出功能结构设计关键点。通过以上两方面的结合,运用发散性思维寻找设计关键词,抽取符号,进行汽车座椅的理想化概念设计。最后,针对汽车座椅概念设计结果进行眼动仪实验评价,热点图结果表明,用感性工学和TRIZ的方法进行汽车座椅客户美学倾向调查和功能创新设计,能够真正得到目标消费人群的有效关注,作为准确、快捷、低成本贴近消费者心理的普适性设计方法,更具有广阔的企业研发推广空间。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] De Carvalho D E, Callaghan J P. Influence of automobile seat lumbar support prominence on spine and pelvic postures: A radiological investigation[J]. Applied Ergonomics, 2012, 43(5): 876-882 [本文引用:1] [JCR: 1.728]
[2] Paul G, Daniell N, Fraysse F. Patterns of correlation between vehicle occupant seat pressure and anthropometry[J]. Work, 2012, 41(Suppl): 2226-2231. [本文引用:1]
[3] Alves C D, Sven D. Articulation at shoulder level—a pilot experimental study on car seat comfort[J]. Applied Ergonomics, 2011, 43(1): 27-37. [本文引用:1] [JCR: 1.728]
[4] Kim S H, Pyun J K, Choi H Y. Digital human body model for seat comfort simulation[J]. International Journal of Automotive Technology, 2010, 11(2): 239-244. [本文引用:1] [JCR: 0.69]
[5] Nishimatsu T, Hayakawa H, Shimizu Y, et al. Influence of top coated cloth for sitting comfort of automotive seat[J]. KANSEI Engineering International, 2010, 1(1): 17-24. [本文引用:1]
[6] Mohamad D, Deros B M, Wahab D A, et al. Integration of comfort into a driver's car seat design using image analysis[J]. American Journal of Applied Sciences, 2010, 7(7): 937-942. [本文引用:1]
[7] Matthias F, Raphael Z, Peter V, et al. The effect of a lightweight massage system in a car seat on comfort and electromyogram[J]. Journal of Manipulative and Physiological Therapeutics, 2011, 34(2): 107-113. [本文引用:1] [JCR: 1.647]