基于感性工程學(xué)在機(jī)械臂設(shè)計(jì)中的應(yīng)用*

王克武

(連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 連云港222006)

由于生活方式越來越多樣化，人們對產(chǎn)品功能和質(zhì)量提出了更高的要求，同時還要求產(chǎn)品更加多樣化。那些能夠影響人們使用新產(chǎn)品的精神和情學(xué)感滿意度的美學(xué)因素在購買決策中變得越來越重要。感性工程學(xué)(kansei engineering)是一種將精神和情感等主觀因素納入常規(guī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)。它從美學(xué)和情感需求角度出發(fā)，對產(chǎn)品的性能和質(zhì)量之類的客觀因素進(jìn)行評價。

人有5種身體感官，即視覺、聽覺、味覺、嗅覺和觸覺，如圖1所示。每種感官都與人的感性認(rèn)識有關(guān)。與感性(kansei)最為接近的英文詞組是主觀態(tài)度(subjective attribute)或美學(xué)因素(aesthetic factor)。“感性工程學(xué)”一詞廣為人知，且已全球通用。

廣義上講，感性工程學(xué)包括在人機(jī)工程學(xué)(ergonomics)領(lǐng)域內(nèi)。產(chǎn)品的某些因素可以在使用中減輕人體疲勞，確保持久的舒適度;另外，產(chǎn)品的物理特性要“符合”人的尺度，人機(jī)工程學(xué)主要用來對這些因素進(jìn)行評價。感性工程學(xué)需要考慮情感、精神滿意度以及人體舒適度等方面，不僅要對廣大客戶日常使用的產(chǎn)品進(jìn)行感性評價，而且還要對制造領(lǐng)域中的工業(yè)機(jī)器(如機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人)進(jìn)行感性評價，這樣才能最大化工人的舒適度，最小化影響工人積極性的因素。進(jìn)一步講，感性評價對于產(chǎn)品制造支持體系的研究和發(fā)展也非常重要，它可以使產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造中人的感性能力得到淋漓盡致的發(fā)揮。

1 感性工程學(xué)在機(jī)械臂設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

感性評價在產(chǎn)品色彩和外觀上的應(yīng)用最為廣泛，但對于機(jī)器產(chǎn)品來說，用戶的喜好和產(chǎn)品運(yùn)行中的感性評價同樣重要。圖2所示為使用SD法的產(chǎn)品感性評價流程圖，給出了一個感性評價流程示例，并在圖3中列出了一個機(jī)械臂通過運(yùn)動把一杯果汁遞給消費(fèi)者的示例，對這一過程進(jìn)行了感性評價。

如圖3所示，機(jī)械臂拿著一個杯子，并在A點(diǎn)把果汁倒進(jìn)杯子，然后把杯子遞給B點(diǎn)的消費(fèi)者。評價這一運(yùn)動過程中的感性因素。

不同設(shè)計(jì)規(guī)范的組合可以得到不同類型的機(jī)械臂，圖4所示為不同類型設(shè)計(jì)模型的說明。由于這些機(jī)構(gòu)有3個或更多個自由度，增加了產(chǎn)品成本和操作的復(fù)雜性，并且造成了功能冗余，但如果這些機(jī)構(gòu)產(chǎn)生出眾的感性映像，這些設(shè)計(jì)或許值得付出更多成本。至于末端執(zhí)行器(機(jī)械手)的運(yùn)動形式，曲線運(yùn)動的效率可能不如直線運(yùn)動，但在感性方面優(yōu)于直線運(yùn)動。在勻速運(yùn)動前后，手部執(zhí)行器的不同加速度會產(chǎn)生不同的感性印象。通過組合不同的設(shè)計(jì)規(guī)范，可以得到以下10個備選產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案:

①2個自由度，直線運(yùn)動，對稱運(yùn)動模式。②2個自由度，直線運(yùn)動，非對稱運(yùn)動模式。③2個自由度，曲線運(yùn)動，對稱運(yùn)動模式。④2個自由度，曲線運(yùn)動，非對稱運(yùn)動模式。⑤3個自由度，直線運(yùn)動，對稱運(yùn)動模式。⑥3個自由度，直線運(yùn)動，非對稱運(yùn)動模式。⑦3個自由度，曲線運(yùn)動，對稱運(yùn)動模式。⑧3個自由度，曲線運(yùn)動，非對稱運(yùn)動模式。⑨4個自由度，直線運(yùn)動，對稱運(yùn)動模式。⑩4個自由度，直線運(yùn)動，非對稱運(yùn)動模式。

該設(shè)計(jì)的目標(biāo)是:良好的可操作性、最大限度地降低產(chǎn)品成本以及感性需求滿意度。它要求該機(jī)械手在夏天遞上冷飲，在冬天遞上熱飲時的運(yùn)動能夠產(chǎn)生較好的印象。受試人員，即那些正在考慮性購買該產(chǎn)品的客戶在他們的個人電腦顯示器上評價產(chǎn)品的感性特性，并說明他們對機(jī)器運(yùn)動形式的喜好程度。

對產(chǎn)品設(shè)計(jì)感性知覺的定量評價一般較為困難，形容詞詞對(word pair)的語法差異法(semantic differential method)常用衡量人們對給定產(chǎn)品的感覺。語義差異法的具體實(shí)施方法如下:

①第1步:準(zhǔn)備一組可以表達(dá)所要評估產(chǎn)品感性特征的形容詞詞對。

②第2步:受試人員對每個產(chǎn)品模式進(jìn)行評價，然后給出每個形容詞詞對的定量評價結(jié)果。

③第3步:用得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(principal component.analysis)，然后選出最能有效表達(dá)感性印象的詞對，這樣就可以做出一張定量表達(dá)每種產(chǎn)品模型的感性特征評估圖。

表1 6個用來評估機(jī)械臂運(yùn)動感性印象的形容詞詞對

表1所示為6個用來評估機(jī)械臂運(yùn)動感性印象的形容詞詞對。其中，左、右兩列的評價詞組可以分為5段，相應(yīng)的度量值分別是-2、-1、0、1和2。2表示機(jī)械臂運(yùn)動的感性印象與右列的形容詞高度一致，而-2則表示機(jī)械臂運(yùn)動的感性印象與左列的形容詞高度一致，0則表示中立印象。每位受試人員根據(jù)屏幕上顯示的每個機(jī)械手模型的運(yùn)動形式和相應(yīng)的詞組，輸入相應(yīng)的評價值，并根據(jù)他們的感性知覺選出自己最為滿意的模型。

用主成分分析法求得每一對形容詞的數(shù)據(jù)。把所得的6種主要成分表示成Z1，Z2，…，Z6。表2所示為每個主成分的特征值和特征向量。特征值表示特征的差異，逐步變大的差異表示該主成分的重要性在逐漸增加。每個特征向量對應(yīng)有一個感性形容詞，表示為X1，X2，…，X6。特征值之和等于元素的總個數(shù)，此處為6。第一個主成分Z1的貢獻(xiàn)率是60.6%［(3.636 33/6)×100%］，第二個主成分Z2的貢獻(xiàn)率是31.0%［(1.861 12/6)×100%］，這兩個主成分的貢獻(xiàn)率總和是91.6%。由于第一個和第二個主成分在表達(dá)感性印象上的貢獻(xiàn)率超過了90%，所以其他主成分可以忽略不計(jì)。因此，可以把Z1和Z2分別作為評價圖的水平坐標(biāo)軸和垂直坐標(biāo)軸，如圖5所示。

表2 每個主成分的特征值和特征向量

從表1和表2可以看出，在Z1的特征向量中，只有X1有正值，它表示靈活的感覺印象;同樣，在Z2的特征向量中，X4負(fù)值最小(Z2軸主要表示從類人型到機(jī)械型的感覺范圍)。然后根據(jù)每個產(chǎn)品模型的感覺印象將其定位在空間坐標(biāo)系中，這樣就創(chuàng)建了一張?jiān)u價圖。

圖5中的每個圓圈都對應(yīng)一個產(chǎn)品模型。選票的數(shù)量是通過問卷調(diào)查得到的，它從感性角度出發(fā)，確定出了最好的設(shè)計(jì)方案。我們可以認(rèn)為，選票的數(shù)量與產(chǎn)品模型的受歡迎程度成正比。在圖5中，圓圈的亮暗表示所得選票數(shù)量的多少，較暗的圓圈表示選票較多;橫軸表示機(jī)械臂運(yùn)動的靈活水平，較大的正值表示靈敏度較高，較小的負(fù)值則表明受試人員覺得機(jī)械臂的運(yùn)動比較笨重;縱軸上不斷增加的正值表示類人型運(yùn)動印象百分比的增加，不斷變小的負(fù)值則表示機(jī)械型運(yùn)動印象的增加。在這些圖中，每種模型都有同樣的自由度，可以歸為一組，也就是說每個模型都有相同數(shù)量的手臂段，被一個大圓包圍。有2個自由度的模型一般較為靈活，有3個自由度的模型一般較為機(jī)械，而有4個自由度的模型的運(yùn)動就比較類似于人類的運(yùn)動。通過這張?jiān)u價圖可以看出每個產(chǎn)品模型的感性程度和質(zhì)量。

圖5中的模型6得到了最多的選票，表明它的感性印象最好。這個產(chǎn)品模型是3個自由度的機(jī)械臂，它的起始加速度最大，終端執(zhí)行器的運(yùn)動為直線型。選票居于第二的是模型2。為了選出最好的方案，不僅要看選票數(shù)，還必須考慮設(shè)計(jì)方案的成本。在評價圖上，沿著箭頭指示的方向，產(chǎn)品成本逐步增加。兩個模型之間箭頭的寬度與成本差異的大小成正比。

把模型i的感性特征表示為Ei，成本表示為Ci。把得票最多、即最受歡迎的模型命名為S，把S的選票數(shù)量和成本分別表示為ES和CS。沿箭頭方向，位于S之后的那些模型的成本高于模型S。出于長遠(yuǎn)考慮，把這些模型排除在選擇范圍之外。在模型S之前出現(xiàn)的那些模型，成本相對較低，與模型S有可比性。因此，同時考慮感性偏好水平和產(chǎn)品成本，在此基礎(chǔ)上對方案進(jìn)行評價，就可以選出最好的設(shè)計(jì)方案。

圖6所示為模型6、5、2和模型6之前出現(xiàn)的模型1的選票數(shù)量和產(chǎn)品成本之間的關(guān)系。擬合模型1、2、6的虛線就是多目標(biāo)優(yōu)化問題的帕累托最優(yōu)解曲線(pareto optimun solution line)，它兼顧了最多選票數(shù)和最小成本這兩個優(yōu)化目標(biāo)。由于模型5并不位于帕累托最優(yōu)曲線上，所以將它排除在外?？紤]虛線上各模型之間的權(quán)衡關(guān)系，就可以選出最好的模型。以上討論基于一個事實(shí)基礎(chǔ)，即客戶和制造商協(xié)同評價產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案。

圖6模型6、5、2和在模型6之前出現(xiàn)的模型1的選票和產(chǎn)品之間的關(guān)系將感性印象和其他常規(guī)屬性綜合考慮的產(chǎn)品設(shè)計(jì)正變得流行起來，制造商也無法忽視這一點(diǎn)。在這場為客戶設(shè)計(jì)新穎獨(dú)特產(chǎn)品的斗爭中，在技術(shù)上對諸如靜態(tài)位移、產(chǎn)品重量和動態(tài)性能這樣的客觀屬性進(jìn)行定量評估是可行的，但應(yīng)該將這些內(nèi)容與主觀屬性和產(chǎn)品成本限制條件等條件一起綜合考慮?？陀^屬性和主觀屬性通常是獨(dú)立評價。如果產(chǎn)品的客觀和主觀屬性沒有任何關(guān)系，或者在改進(jìn)產(chǎn)品的客觀屬性同時也會提升產(chǎn)品的主觀屬性，這種獨(dú)立評價極為有效。然而，當(dāng)產(chǎn)品的主觀屬性和客觀屬性發(fā)生沖突時，如設(shè)計(jì)一款汽車的車身，方案看起來很迷人，但如果要犧牲汽車的室內(nèi)空間時，就需要同時評價主觀屬性和客觀屬性。

此處把工業(yè)機(jī)器人的模型作為示例，既需要對其靜態(tài)位移、每級力量的最大振動位移、產(chǎn)品重量和負(fù)載能力等客觀屬性進(jìn)行評價，還要考慮諸如外觀之類的主觀屬性。設(shè)計(jì)變量是產(chǎn)品及其零部件的尺寸、整體外形和表面處理等。這樣就可以構(gòu)造出用來表達(dá)客觀屬性和主觀屬性的滿意度。為了得到這5種設(shè)計(jì)變量和外觀之間的關(guān)系，把每個設(shè)計(jì)變量分為3個等級，A、B和C，如表3所示。通過這些等級的組合，構(gòu)造出產(chǎn)品模型的形狀，并將其顯示在計(jì)算機(jī)上。受測試人員對每個產(chǎn)品模型進(jìn)行評價，并給出一個等級，范圍是從1到10。表4所示為通過分類變量和評價值大小表示的備選設(shè)計(jì)方案。然后用數(shù)量化Ⅰ類理論(type I quantification theory)的多屬性分析方法處理這些數(shù)據(jù)，這樣就可以得到感性滿意度函數(shù)u5。

表3 設(shè)計(jì)變量的分類變量值

表4 通過分類變量和評價大小表示的備選設(shè)計(jì)方案

為了定義各屬性的權(quán)重系數(shù)，需要受測人員對屬性進(jìn)行比較。在這個例子中，可得到以下權(quán)重系數(shù):靜態(tài)位移ω1=0.343 7、最大振動位移ω2=0.068 1、產(chǎn)品重量ω3=0.133 9、載荷量ω4=0.136 9、外觀ω5=0.317 3。那么，對客觀屬性和主觀屬性進(jìn)行綜合評價的函數(shù)U0為:

如前所述，為了得到能讓客戶產(chǎn)生最高滿意度的設(shè)計(jì)方案，必須綜合考慮產(chǎn)品的客觀屬性和主觀屬性。有時人們會說，因?yàn)楦行杂∠袷侵饔^的，所以整合感性印像的設(shè)計(jì)可能會不可靠。雖然表示人們主觀評價的數(shù)據(jù)看起來比較分散，但還是有可能從中提取與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)的共同點(diǎn)或者共性的東西。如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目標(biāo)重點(diǎn)在于特定的客戶群體，感性評價就可以為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)決策提供強(qiáng)有力的支持。

2 結(jié)語

“感性工程學(xué)”是最近20多年來興起的設(shè)計(jì)新方向、新學(xué)科之一。通過它可以將過去判定為難以量化、只能定性的、非理性無邏輯可言的感性反應(yīng)，運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)和手段，翻譯成為新生代工學(xué)技術(shù)和產(chǎn)品。在機(jī)械臂設(shè)計(jì)實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)，感性問題通過逐層的分析，在產(chǎn)品和人之間構(gòu)建一套完整價值判斷系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中只要建立起感性因素與定量物理量之間的關(guān)系，就能夠保證設(shè)計(jì)進(jìn)入良性運(yùn)行，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，為機(jī)械臂產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)提供了一種新的思路，從而提高設(shè)計(jì)流程和方法的科學(xué)性。

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