基于人機(jī)工程的便攜式平衡車設(shè)計

譚錦華 ，滕 健

(1. 嶺南師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 工業(yè)設(shè)計系，廣東 湛江 524048；2. 嶺南師范學(xué)院 工業(yè)設(shè)計聯(lián)合研究所，廣東 湛江 524048)

人機(jī)工程學(xué)，是研究系統(tǒng)中人與其他組成部分的交互關(guān)系的學(xué)科，目的是為了“安全、舒適、高效”的設(shè)計.從人機(jī)角度去強(qiáng)化產(chǎn)品的安全性，研究人們的操作方式，是改善產(chǎn)品設(shè)計的一種方式.本次設(shè)計的主體——平衡車，現(xiàn)有產(chǎn)品大多不具有制動系統(tǒng)，安全性難以得到保證，市面上常見的獨(dú)輪式和雙輪式的平衡車，存在著體積大、重量重、續(xù)航能力弱、安全性低等缺點(diǎn)，限制了平衡車只能作為一款娛樂式的代步工具在年輕的用戶群中發(fā)展，而小孩與行動不便的人群則并不適合使用.

本文針對市面上現(xiàn)有產(chǎn)品存在的一些不合理問題進(jìn)行改良，通過設(shè)計來提高平衡車的安全性和便攜性.把功能與外觀結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最優(yōu)化，去掉產(chǎn)品多余的外觀設(shè)計，把簡約時尚的設(shè)計風(fēng)格融入產(chǎn)品的設(shè)計中.同時加入“互聯(lián)網(wǎng)+”概念，在移動設(shè)備上對平衡車進(jìn)行操作控制，以此來達(dá)到改良設(shè)計的初衷.

1 平衡車技術(shù)原理

1.1 平衡車技術(shù)原理介紹

平衡車依賴與控制系統(tǒng)里面的精密電子元件來對車進(jìn)行控制，系統(tǒng)里面的陀螺儀與加速傳感器會在用戶使用的過程中檢測到整體重心的變化，再通過伺服系統(tǒng)來精準(zhǔn)地控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，讓電機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，利用“動態(tài)平衡”來保證平衡車始終保持著平衡的直立狀態(tài).這種陀螺儀平衡技術(shù)被廣泛運(yùn)用在飛機(jī)、輪船上，在技術(shù)上已有重大突破[1].

1.2 獨(dú)輪式驅(qū)動系統(tǒng)

平衡車具體可以分為獨(dú)輪與雙輪兩種，形狀與功能各有不同，但使用形式基本是一致的.使用者站在平衡車上，通過控制身體重心的變化來控制平衡車的前進(jìn)方向與速度.其中雙輪平衡車設(shè)置有操控把手，但體積偏大，因此不屬于本次設(shè)計的目標(biāo).

獨(dú)輪平衡車的驅(qū)動系統(tǒng)由蓄電池跟電機(jī)組成，它所使用的電機(jī)是不同于普通電機(jī)的，這是一種叫做輪轂電機(jī)技術(shù)的成果，整一個車輪就作為一個電機(jī)，在一個車輪里面整合了一個完整的電機(jī)，整個輪轂里就包括了傳動裝置、動力系統(tǒng)和制動系統(tǒng)，這種一體化的輪轂，極大地簡化了驅(qū)動裝置與車輪之間的關(guān)系，讓獨(dú)輪車也能像雙輪車一樣自由地前進(jìn)與后退[2].

2 平衡車使用中的人體受力分析

由于平衡車獨(dú)特的驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，需要用戶不停地調(diào)節(jié)身體的重心來控制平衡車的運(yùn)動與停止，這種動態(tài)平衡與自行車有所不同，平衡車通過自身的系統(tǒng)控制驅(qū)動輪子來調(diào)節(jié)重心位置，這種驅(qū)動形式導(dǎo)致平衡車在外形上難以突破雙輪和單輪的結(jié)構(gòu)，無論是單輪還是雙輪，這種控制方式帶來的不適需要依賴用戶去適應(yīng)，這是如今平衡車設(shè)計亟需解決的問題之一.

現(xiàn)有平衡車的設(shè)計是以人的足部為接觸點(diǎn)進(jìn)行的身體重心感應(yīng).從物理學(xué)的角度，以足部為支點(diǎn)，上半身都是可活動的力矩，腳在平衡車的工作過程中承擔(dān)了非常大的力量.同時，對于身高較高的人群，或者身體平衡度不好的人群，都無法在短時間內(nèi)掌握.過于強(qiáng)調(diào)用戶適應(yīng)產(chǎn)品，說明該人機(jī)系統(tǒng)中，人和產(chǎn)品的總功能分配并不合理.產(chǎn)品本身需要承擔(dān)的功能已經(jīng)部分轉(zhuǎn)移給了人，這就會造成人在運(yùn)用產(chǎn)品過程中無法發(fā)揮正常的控制能力.

3 便攜式平衡車設(shè)計方案

3.1 操縱空間靜態(tài)尺寸設(shè)計

人機(jī)工程學(xué)研究的是人、機(jī)器與環(huán)境的相互作用的綜合性、系統(tǒng)化學(xué)科.其中，包括對人體特性的研究、人機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計和信息傳遞裝置等.在保證產(chǎn)品使用安全性的前提，盡可能改善平衡車的駕駛舒適度.

表1 國標(biāo)立姿人體

根據(jù)我國的人口調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國18歲及以上的成年男性和女性的平均身高分別為167.1 cm和155.8 cm，根據(jù)GB/T10000-1988《中國成年人人體尺寸》的人機(jī)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按照設(shè)定公式(1)[3]：

Lα=Lv+Cf+Cp

(1)

式中：Lα為產(chǎn)品最佳功能尺寸，Cf為功能修正量，Cp為心理修正量.

根據(jù)公式(1)計算出人體在直立狀態(tài)下手部操作最適合的高度是肘高1 024 mm(男)，960 mm(女)，調(diào)整修正量后將平衡車總高度設(shè)置為1 150 mm，符合大多數(shù)人的使用，人體并立時雙腳占地面積在402 cm左右，為此，腳踏部分設(shè)計成帶有防滑紋理的大面積的腳踏，這樣可以減少長時間駕駛的疲倦感.

圖1 尺寸比例說明

為方便不同人群使用，操控把手高度設(shè)計為可調(diào).從用戶舒適度出發(fā)，在原有車型基礎(chǔ)上，調(diào)整了整體機(jī)身的比例、車頭顯示屏的位置、車輪的寬度等幾個方面.整體方案把主體機(jī)身縱向高度降低，整機(jī)重心位置下降，從而提高安全性.橫向?qū)挾仍龃?，同時增大車輪的寬度，這樣在使用過程中輪子與地面的接觸面積更大，抓地力將更加牢固.

3.2 設(shè)計定位

人群定位：針對年輕的上班族、學(xué)生族、熱愛科技的“極客”玩家等人群.每個城市中都有上班族和學(xué)生族，這些人每天穿梭于公司、學(xué)校與住宅之間，路程長短不一，加上每天的出行高峰期交通壓力大，乘坐公共交通工具在短途行程中往往不是最佳的選擇.針對這些問題，設(shè)計一款簡單實(shí)用的平衡車提供給他們使用.本次的設(shè)計構(gòu)思是在獨(dú)輪平衡車的基礎(chǔ)上結(jié)合雙輪平衡車的控制桿，設(shè)計一款小巧的帶把手的便攜式平衡車.

造型定位：設(shè)計應(yīng)該是通過產(chǎn)品與用戶之間的交流來達(dá)到的一種平衡和諧的使用狀態(tài)[4].在對平衡車進(jìn)行設(shè)計的過程中，必須體現(xiàn)一種簡約時尚又具有科技感的風(fēng)格.這也是為了在設(shè)計定位上能夠滿足一些“極客”達(dá)人對科技的需求.在結(jié)構(gòu)上，以獨(dú)輪的平衡車為模板，結(jié)合操縱桿來提高用戶對平衡車的控制能力，結(jié)合車的形狀來分布其他電源跟電路系統(tǒng)；在外觀上，將采用仿生設(shè)計，以白天鵝為對象，提取白天鵝的優(yōu)美弧線與顏色搭配.

功能定位：針對市面上現(xiàn)有產(chǎn)品存在的一些不合理問題進(jìn)行改良，通過設(shè)計來提高平衡車的安全性和便攜性，使其便于攜帶的同時，續(xù)航能力也得到保證.把功能與外觀結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最優(yōu)化，去掉產(chǎn)品多余的外觀設(shè)計，把簡約時尚的設(shè)計風(fēng)格融入產(chǎn)品的設(shè)計中.同時加入互聯(lián)網(wǎng)模塊，利用互聯(lián)網(wǎng)思維，在移動設(shè)備上對平衡車進(jìn)行操作控制，以此來達(dá)到改良設(shè)計的初衷.

3.3 基于人機(jī)工程學(xué)的平衡車產(chǎn)品設(shè)計

本設(shè)計方案演變過程如圖2所示采用獨(dú)輪驅(qū)動方式，能大大減少產(chǎn)品本身的負(fù)重.同時，為了方便用戶在不使用產(chǎn)品時，可以快速收納，把手位置進(jìn)行了可折疊設(shè)置，整體車把高度可調(diào).

圖2 方案草圖

產(chǎn)品整體設(shè)計方案如圖3所示，整體以天鵝為主的仿生設(shè)計，修長的形態(tài)，流暢整潔的配色，猶如正在高歌的天鵝.配色方面以簡潔的白色、黑色為主，搭配其他高級灰顏色元素，保持整體的簡潔大氣.而車身部分除了ABS工程塑料外，將嘗試使用碳纖維做為機(jī)身主要材質(zhì)，碳纖維做為一種新型材料，其重量輕、強(qiáng)度大、耐腐蝕等性能得到了各個科技領(lǐng)域的關(guān)注[5]，使用這種材質(zhì)做為機(jī)身主要材質(zhì)能夠很好地提高機(jī)身強(qiáng)度，讓其更加耐摔，配合鎂鋁合金制作的輪轂連接部分，可以使這款平衡車更加輕便耐用[6].增加伸縮桿的調(diào)節(jié)部件，通過旋轉(zhuǎn)來控制伸縮桿的鎖定與開啟.因?yàn)榭紤]到用戶在使用該平衡車的時候會對車桿有一個前推或后拉的動作，所以腳踏部位設(shè)計成可以進(jìn)行一定角度的調(diào)整的結(jié)構(gòu).整體顏色搭配上改為較為酷炫的紅黑搭配，增強(qiáng)視覺上的穩(wěn)重感.在設(shè)計中加入了車燈部件，車燈作為一種具有照明與提醒作用的部件，在行駛的時候是必不可少的.顯示系統(tǒng)和充電部分設(shè)計在車把位置，方便用戶在使用時隨時查看相關(guān)數(shù)據(jù)，而車把的折疊結(jié)構(gòu)更為合理，折疊起來后可以作為支撐架支撐著車身不倒最終的方案在方案三的基礎(chǔ)上修改了伸縮桿的調(diào)節(jié)部件，通過旋轉(zhuǎn)來控制伸縮桿的鎖定與開啟.因?yàn)榭紤]到用戶在使用該平衡車的時候會對車桿有一個前推或后拉的動作，所以腳踏部位設(shè)計成可以進(jìn)行一定角度的調(diào)整的結(jié)構(gòu).整體顏色搭配上改為對比度較為強(qiáng)烈的紅黑搭配，增強(qiáng)視覺上的穩(wěn)重感[7].

圖3 最終方案六視圖與伸縮效果圖

圖4 最終方案細(xì)節(jié)圖

3.4 基于交流需求的UI界面設(shè)計

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷提高，將產(chǎn)品與個人的通訊設(shè)備相連，進(jìn)而連接網(wǎng)絡(luò).本次設(shè)計平衡車引入了社區(qū)交流的概念，將能傳達(dá)基本駕駛信息的顯示裝置，也能同時具有交流、引導(dǎo)和記錄等功能，功能細(xì)分如表2所示.在對平衡車重新設(shè)計的同時，相應(yīng)地設(shè)計一款移動端的APP，這款A(yù)PP不但可以實(shí)現(xiàn)對平衡車的基本控制，還擁有社交功能，讓用戶在其中建立用戶社區(qū)，分享使用的經(jīng)驗(yàn)與樂趣.(刪除)本設(shè)計中，利用藍(lán)牙技術(shù)對平衡車進(jìn)行鎖定，只有通過手機(jī)端給平衡車解鎖才能讓車的驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)作，這樣就算平衡車被盜，沒有專屬的手機(jī)解鎖，平衡車也是不能使用的，這就使得防盜性能得到加強(qiáng)[8].除此之外，用戶還可以在手機(jī)端調(diào)節(jié)車的移動速度，設(shè)定平衡車的速度上下限，確保平衡車在一個安全的速度上行駛.同時平衡車也可以及時把相關(guān)數(shù)據(jù)(速度、電量、行程等)反饋給用戶，及時提醒用戶進(jìn)行相關(guān)操作.用戶可以通過手機(jī)端把自己的使用數(shù)據(jù)或這各種有趣的使用經(jīng)歷分享到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)上，與朋友分享.

表2 界面功能說明

顯示裝置的主要載體為顯示屏，置于車頭位置，面向用戶視線約車頭45°傾角，處于最佳眼動視野范圍.操控板整體采用扁平化設(shè)計，色彩以暗色調(diào)為主，白色字體在其中能夠更清晰地展示相關(guān)信息，界面清新簡潔，搭配有扁平化的圖案，避免過于單調(diào)[9]，UI設(shè)計效果如圖5所示.在對平衡車重新設(shè)計的同時，相應(yīng)地設(shè)計一款移動端的APP，這款A(yù)PP不但可以實(shí)現(xiàn)對平衡車的基本控制，還擁有社交功能，讓用戶在其中建立用戶社區(qū)，分享使用的經(jīng)驗(yàn)與樂趣.這一款A(yù)PP的設(shè)計思路就是讓用戶盡可能清晰地了解平衡車的使用信息，并在使用過程中與其他玩家進(jìn)行交流，其中的“附近搜索”功能就為用戶提供一個社區(qū)交流的平臺.針對短途出行，特別設(shè)置了導(dǎo)航功能，用戶可以在里面搜索想要去的地方，規(guī)劃好路線后就可以輕松前進(jìn)，不必?fù)?dān)心找不到路線.

對于安全這一部分可以分為設(shè)備安全與用戶安全，用戶在首次啟動平衡車之前必須要經(jīng)過手機(jī)進(jìn)行聯(lián)接綁定，用戶可以在手機(jī)上選擇需要手機(jī)解鎖的使用場合與時間段；對于用戶安全方面，用戶可以在應(yīng)用中設(shè)置平衡車的最高最低行駛速度來保證平衡車的正常運(yùn)作.

圖5 部分界面展示

4 結(jié) 論

本文通過結(jié)合人機(jī)工程學(xué)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過產(chǎn)品最佳功能尺寸計算出人體在直立狀態(tài)下手部操作最適合的高度，在設(shè)計上調(diào)整修正量后重新進(jìn)行平衡車總高度設(shè)置.同事計算人體并立時雙腳占立面積，將腳踏部分設(shè)計成帶有防滑紋理的大面積的腳踏，減少長時間使用的疲倦感.再通過動態(tài)平衡原理，利用內(nèi)部陀螺儀和傳感器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)平衡行駛.

此次對便攜式平衡車的設(shè)計將在市面現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上基于人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行改良，對外觀與功能進(jìn)行再設(shè)計，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，改進(jìn)產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)與易用性，為產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)在平衡車領(lǐng)域上的創(chuàng)新設(shè)計提供了新的思路和理念.

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