機電類產品造型設計研究

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摘要：為了進一步完善機電類產品的造型設計，改善目前機電類產品的造型設計只注重研究功能結構和仿生，不注重人機交互性的產品造型設計以及缺乏用戶感性意向的現狀，本文從人機工程學為主要研究方向，分析了數控機床仿真設備的功能、材料與工藝，通過以數控機床仿真設備造型設計為出發點的實際設計案例，完善了機電類產品設計過程中缺少人機交互因素的造型設計，提出了基于人機交互導向下機電類產品造型設計的設計關鍵點。

關鍵詞：機電類產品；數控機床模擬機；產品造型設計；人機交互

自1989年在日本東京召開的第一屆國際先進機電一體化學術會議，各國政府都開始有計劃的推動和發展機電一體化技術和產品[1]，從此機電類產品開始向縱深發展。各國對機電類產品的研究方向也不盡相同，國外以歐洲國家為首，多數以電子及控制理論為研究出發點；國內學者則從現代機構學的角度出發[2]，鮮少有研究產品造型方向，因此提出以人機交互的視角去研究機電類產品是具有創新性的。

1人機交互的定義

人機交互又稱人機互動（簡稱HCI或HMI），是指人與計算機相互溝通的信息交換的互動方式，良好的人機交互方式能夠顯著提升用戶輸出命令和接受信息的效率。它與認知學、人機工程學、心理學等學科領域有密切的聯系。通過運用計算機技術，運用有效的方式實現人與計算機的相互對話，主要由信息輸入和信息輸出兩個過程組成，信息輸入是指計算機操控人員將使用者的想法、需求轉化成為計算機能夠識別的計算命令傳遞給計算機的CPU，信息輸出是指計算機CPU將計算結果轉化成計算機操控人員能夠識別的信息。人機界面是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介，是計算機系統的重要組成部分，它將機器信息的內部形式與人類能夠接受的形式之間進行互相轉換。

2我國機電類產品發展現狀

機電產品是將機械系統各微電子系統有機結合的產品[3]，目前機電產品作為企業生產的主要工具，具有強烈的技術性，是企業非常關注的一類器械產品，廣泛應用于制造業、農業、交通運輸業等行業，機電類產品的發展呈現輕體量、高精度、一體化和智能化趨勢，現已發展成為現代社會進步與經濟發展中舉足輕重的地位，總之，機電類產品的開發既是振興傳統行業的新鮮血液，又是開啟我國機電行業產品結構調整的鑰匙。機電類產品在我國發展歷史較短，直到近幾年我國機電類產品才擺脫進口其他發達國家核心技術及零件的被動地位，機電類產品的技術應用也開始逐漸達到世界領先的地位，目前我國與機電產品先進的技術應用相反的是機電產品的造型外觀設計，由于我國特殊的近代歷史以及復雜的社會經濟原因，我國機電產品的造型外觀設計仍然停留在單一的外觀設計方面，僅僅從外表上模仿其他國家的機電產品[4]，鮮少有能夠融合人機工程學、產品語義學、系統設計和感性工學等工業產品外觀設計方法的設計方案，對于產品全周期設計的連續性沒有深刻的理解，產品的設計研發全周期往往被割裂為幾個部分，這使得產品在感性消費的社會中處于不利地位，因此機電類產品的開發不應該僅僅局限于技術研發，也應該融入使用者的感受和需求[5]。

3人機交互在機電產品造型設計中的具體運用

3.1人機交互導向下機電類產品造型設計的基本原則。第一，造型及色彩設計應滿足產品功能要求。機電類產品的整體設計首先需要滿足產品的使用功能，使用方式的人性化、內部結構的科學化、生產成本的合理化應當引導產品的外觀設計，同時產品的色彩不僅具備審美性和裝飾性，還具備一定的功能性，色彩同時可以傳遞信息，表達象征意義，產品色彩帶給使用者的色覺疲勞度、警惕性、有效性、安全性、經濟型和審美性等特殊感受是不可替代的[6]，因此機電類產品的造型設計應在此基礎上展開造型設計及色彩設計。第二，造型設計應全面考慮形體的結構、材料、工藝等條件。機電類產品的外觀造型應充分考慮核心結構，在不影響核心結構的前提下還應考慮到形體外部的結構、材料、加工工藝等，并以此表達現代機械產品的特點和時代美感。產品形態的外部結構需要多學科結合，設計師應當與工程師、手工匠人和加工工人等人群探討研究產品形態、材料、加工工藝的設計邊線，并依據此完成產品的設計。第三，整體造型應清晰，各部件的層次分明。機電類產品的整體造型應有明確的功能分區，且充分考慮各部分的均衡、穩定和比例協調關系，盡量取得形體相好的整體視覺效果。避免因功能分區導致的操作使用不便，同時避免功能分區過硬導致產品缺乏人情味，應在理性結構與感性造型之間尋找平衡點，通過設計產品的功能分區優化產品使用流程。第四，注意“人——機”關系的協調。機電類產品的造型設計應考慮到“人”與產品的關系，這里的“人”也應包括產品全生命周期中所有與產品發生互動的人，包括生產者、營銷者、回收者等，但對于機電類產品，使用者應放在首要考慮地位，人機交互應在設計的過程中為各個要素以及整體的造型給予理論上的指導。在設計時，應選定特定的使用人群，特定的使用環境，應用人機交互指導產品的設計，通過優化使用者在使用產品過程中的操作體驗。第五，操作面板等信息傳達位置設計要醒目、形象且配置得當。由于操作界面作為使用者與產品的主要互動載體，在產品整體系統中擔當著重要角色，操作界面的位置、角度、方向、操作方式都影響著使用者通過操作界面這個局部對整體的認知。而名牌、商標、提示信息、使用說明等信息傳達部位要醒目、形象，盡量用更多的意向性符號代替文字，且符號應易于辨認。3.2基于人機交互導向下的數控機床模擬機設計要點解析。數控機床模擬機是為數控機床加工初學者（多為在校大學生）提供一個真實的數控操作虛擬環境，能夠通過內部系統完成數控系統的教學實訓，與數控機床相比較低的價格和較輕巧的機身幫助數控加工初學者更便捷地熟悉數控加工過程，同時將機床虛擬化、數字化和人性化，降低數控機床加工實訓環節出事故的概率，解決機床損耗嚴重等問題。傳統數控機床模擬機通常由實訓臺和二坐標組成，由于采用開放式結構和模塊化設計，暴露在外的電線過多，很容易發生觸電事件，對使用者的安全造成威脅；實訓臺作為教學用具，造型笨重，體積過大，一般教室不足以拜訪多臺設備，影響教學質量；二坐標平臺雖然具有較高的定位精度，但是仍然不能完全還原機床的運行狀態；由于傳統數控機床模擬機的造型設計為分體式，因此搬運和安裝都具有一定操作難度。而人機交互導向下的數控機床模擬機則簡化為一體機，主要使用區域由顯示屏、操控界面組成，將輸入命令設備與輸出信息設備整合到一起，通過對產品造型進行設計，改善了使用者與產品之間的關系，優化了操作流程，為機電類產品未來的外觀設計做出積極的探索。第一，人際交互導向下的數控機床模擬機（以下簡稱模擬機）造型以人機交互為導向，對模擬機外觀造型進行設計，重新設計了顯示屏、操控界面、內部機電裝置、搬運把手和通電插口的位置，使使用者與模擬機的互動更加人性化。色彩以灰白色為主基調，加入黑色和橙色為輔助色，由于灰白色為主基調，產品展現出清新明亮的視覺效果，黑色和橙色的出現則為產品帶來工業風格和機械產品的感情意向認知，同時打破了傳統機電產品沉悶的感覺，改變了人們對工業化產品的整體印象。第二，模擬機機身的外擴式設計使機身的內部形成更大的空間，為內部硬件的組裝提供空間，同時，避免了由于傳統數控機床模擬機實訓臺與二坐標位置、高度不同導致在實訓臺操作后不能即時觀察二坐標運動過程的問題。設計后的顯示屏在操作面板的正上方，使用者在操作面板執行操作命令后，會無意識抬頭，在顯示屏中獲取命令輸出結果，完成信息的瞬時傳播，即機床運行狀態的改變，這是造型結構對功能分區的改進，使用戶無意識的形成更舒適、更高效、更秩序化的人機交互過程。第三，模擬機的整體造型功能分區明確，通過對傳統數控機床模擬機的功能模塊進行重新劃分，重新劃分后的顯示區和控制區通過不同傾斜角度的大體快區分使使用者輕松對模擬機的使用方式有整體認知；機身殼體的形狀特征與內部顯示區和控制區形成的傾斜角度的形狀特征形成呼應，增強了模擬機的整體性，且外擴式的機身設計使產品造型更加穩重，符合人對工業產品的傳統印象。第四，顯示屏與水平面夾角為95°，鈍角的設計降低了使用者在使用過程中對脖頸的損耗，同時，減少屏幕反光對使用者造成的不便，優化了使用者的使用體驗感；模擬機兩側的底部均設有內凹把手，方便使用者對模擬機進行搬運；顯示屏能夠實現操作指令的瞬間可視化，真實模擬使用者執行操控指令下機床的運行狀態，改善了傳統模擬機信息傳遞具有延遲的缺點。第五，操作界面位于產品的中間偏下的位置，且與水平面呈54°夾角，平緩的傾斜角度想較于傳統模擬機床垂直于地面的操作界面，設計后的操作界面更加符合使用者在坐姿的使用；另外，操作面板可以通過更換模板實現不同系統的轉換，以滿足不同人群對不同學習目標的要求；機身正面下部具有產品品牌，有利于該模擬機的企業樹立企業形象識別系統；機身側面貼有產品的介紹說明，便于初次使用模擬機的使用者進行操控使用。

4結語

人機交互是未來產品中不可或缺的設計因素，將人機交互融入到產品中，完善結構，優化造型，利用產品的設計引導產品目標客戶的操作使用方式，使產品的目標客戶在潛移默化中形成自然舒適、秩序且高效的使用方式，并對產品的整體形態有正確的主觀認知。在數控機床模擬機的造型設計中，通過應用人機交互設計形成正確的隱性操作流程，是人機交互導向下數控機床模擬機造型設計成功的關鍵。

作者:楊巖 常瑜 王一默 單位:天津商業大學藝術學院