基于感性工學和TRIZ理論的汽車座椅視覺舒適度設計

孫琳琳，孔繁森

（吉林大學機械科學與工程學院，長春130022）

0 引 言

汽車座椅作為人們乘駕舒適的重要部分，得到越來越多學者和設計師的關注。De Carvalho D E［1］運用放射照相的方法，通過對8名沒有腰背部損傷經歷的男士進行實驗研究，結果表明：座椅后部靠背2 cm到4 cm處增加腰部支撐的位置會導致腰椎突出病癥的增加。Paul G［2］針對當前汽車座椅后座位舒適度測量不準確的問題，通過準確體位和體壓，并使用三坐標測量系統對H點進行測量，結果表明：坐墊、坐墊接觸面積和坐墊前部力量可以通過主觀人體測量學來模擬。Alves C D［3］從肩部水平的鉸接對汽車座椅舒適性進行了實驗研究，提出人體坐立平均高度為88 cm，并從理論上推導出參考座椅H點以上43.5 cm的高度為舒適鉸接高度。Kim S H［4］應用北美人群目前的人體測量學，開發人體模型對座椅舒適度進行仿真，根據三維模型得到外部幾何輪廓，并對有限元建模過程和建模最終結果與志愿者的實測結果進行了比較。Nishimatsu T［5］通過涂層布對汽車座椅舒適性的影響進行研究，根據人們坐在不同表面涂層的座椅上的感覺對七個汽車座椅的舒適性進行了評估，發現具有輕便、優質、溫暖和光滑感覺的座椅與其表面的頂級涂層布的摩擦力和熱性能等物理性質息息相關。Mohamad D［6］運用圖像分析法，對汽車座椅舒適性設計進行研究，基于參與者對舒適性的認知提出了一個角度范圍。對舒適的位置角度、人體測量數據和座椅調整之間的關系進行了分析討論。Matthias F［7］運用EMG方法研究了輕按摩系統對汽車座椅舒適度和肌電信號的影響，盡管輕按摩系統是輕緩、低強度的，但研究表明：該按摩系統在駕駛過程中不僅增加了舒適性，也增加了肌肉活動。

如前所述，目前研究大多從功能角度探討汽車座椅的設計，很少關注客戶的主觀審美情緒，本文將客戶的主觀審美情緒和結構功能的創新設計結合在一起研究汽車座椅的設計與評價問題。首先，通過汽車座椅設計前期的消費者美學喜好調查，得到最能夠貼近消費者心理的設計符號和元素，通過形式美學法則來進行設計整合，以找出特定人群的心理喜好需求。然后，運用TRIZ的方法進行功能和結構的重組，得到全新的概念設計樣稿。最后運用眼動儀考察客戶審美關注點，進而對座椅的設計給出指導意見。

1 設計流程

感性工學的研究不僅采用了高端科研設備，而且結合了產品的設計、制造與生理心理的認知過程，兼顧和平衡各個人群的感受和需求。本文使用的感性工學的方法為李克特量表法，通過對目標客戶美學心理傾向的調查研究，得到消費者的美學傾向，為汽車座椅的設計提供了可靠的美學設計因素。同時，本文使用TRIZ創新方法，對汽車座椅的功能和結構進行創新設計。本文的設計流程如圖1所示。設計流程分為以下幾個部分：目標客戶美學心理需求研究；根據美學需求提取設計符號；運用TRIZ創新方法，結合設計符號進行功能設計創新、設計樣稿，并通過眼動儀實驗進行設計方法可行性驗證。

圖1 設計方法流程圖Fig.1 The flow chart of design method

2 感性工學實驗及分析

2.1 實驗設計

采用李克特量表的方法進行問卷設計調查，實驗中被調查對象不需要有駕車經驗，有工學本科以上學歷背景，年齡23歲左右，男女不限，共90人做問卷實驗，實驗問卷全部回收，有效問卷84份，6份無效問卷。問卷共分為4部分：①美學形態傾向調查，主要從原始美、文化傳統美、實用美、習慣產生的中庸美這些維度進行問卷設計；②線條喜好傾向研究采用直線、曲線、直線曲線相結合這些緯度進行；③色彩傾向調查研究，主要從色相、色的明度、色的純度、色的對比、色的調和、配色的風格幾個角度去選擇。研究的目的是抓住消費者的色彩心理感受；④形式美法則的抽取調查。本問卷共設66道選擇題。

2.2 統計結果

表1 問卷實驗結果Table 1 Experimental results by questionnaire survey

2.3 統計結果分析

實驗有效問卷84份，其結果用excel軟件做統計分析，按照李克特量表的記分方法，把每個選項分別賦值為1、2、3、4、5，數值越大，越不被接受。結果顯示：形態美學喜好排名為原始自然美、實用美、文化美、潮流美，這種審美傾向和被試人群的教育環境相關。在工科專業的同學，往往以自然、實用為美，文科藝術類人群大多傾向潮流時尚，文化傳統美；線條喜好平均值顯示直線與曲線的結合給此類消費人群更好的感受；形式美學傾向均值顯示動感的節奏與韻律、視覺沖擊力強的對比與重點這兩種規律更易于被接受；最受喜愛的顏色為紅、黃。

在excel上用if函數篩選特征參數，問卷設66道選項，以三分之一為界限，設20為特征參數。即若“答案”輸入的頻數為20，結果就輸出相應的題號，低于20頻數的題號不輸出。分析結果得到：紅、綠、紫、藍、橙五種顏色，分別代表喜歡到不喜歡的5級選項；最喜歡的結果分別代表自然元素的自然原始形態美，直線與曲線的互相配合美，顏色對比醒目、重點突出、和諧色彩美；不喜歡的橙色、藍色及過分追求潮流的選項，這與目標人群所學專業、年齡、學歷有直接關系。因此，在研究實用性的同時一定要兼顧設計的變化，這也是當代年輕人的審美特征之一。

以上分析充分證明針對這個人群的問卷的有效性和實用性。在汽車座椅設計中，抽取原始形態符號，配色以中國傳統紅、高級灰為主色，既有對比又有重點的配色，盡量避免過分張揚和裝飾性強的顏色，尊重人群年齡的變化美要求，并以工學學科的學科背景進行設計。

3 基于Triz創新方法的汽車座椅結構設計

3.1 座椅系統資源分析

首先，利用九屏幕法對座椅系統進行資源分析，分析結果如圖2所示。通過資源分析得到的設計靈感源于當前系統的未來，即多功能、舒適性高、可折疊，可移動的汽車座椅。

圖2 汽車座椅九屏幕法資源分析圖Fig.2 Resource analysis diagram of automobile seat based on nine screen method

3.2 超系統功能

儀表板、方向盤、換擋機構、天棚、車門為超系統。運用STC算子法，把座椅的尺寸和成本進行變化，假如尺寸無限大，一個座椅就可裝載整個汽車結構；假如尺寸無限小，那么就不存在座椅，就需要尋找和開發新系統進行功能替代。在不計成本的情況下，汽車座椅直接可以具有汽車所有的功能，整個技術系統就需要更新換代；在成本投入無限小的情況下，座椅可能被取消，用其他系統代替。這種打破思維定勢的方法是用夸張的想法來獲取靈感，把很多的功能融入到座椅當中，實現座椅多功能化。

3.3 技術矛盾分析

在一個系統中，改善了一個技術參數，相應惡化了另一個技術參數稱為技術矛盾。解決技術矛盾的方法是查找矛盾矩陣，找到相應的創新原理。就以上設計方向進行座椅的參數狀態分析：座椅的功能增加能夠改善操作的方便性，但座椅體積變大，減小了車內空間。以上結果成為了一對技術矛盾，我們定義的改善、惡化的參數分別為操作方便性和增大了體積。通過查找矛盾矩陣表，在備選的方案中，選取了三個創新原理進行設計，即嵌套原理、反向作用原理、組合原理。這三個原理能夠有效緩解上述技術矛盾。本文理想化的設計理念是：座椅各個部位可以伸縮嵌套，可采用把儀表板和換擋機構進行功能重組，組合在汽車座椅中；由座椅的單一方向運動改為360°運動，并且可上下伸縮，伸出車外。

4 概念設計樣稿說明

結合消費者的審美傾向及結構創新方法的研究，對汽車座椅進行功能結構的概念設計。

本座椅適用于雙人位或單人位車輛，通過TRIZ的分析，把車內更多的功能實現在座椅中，外觀設計從自然界昆蟲的原始形態設計入手，結合功能要求展開。整個座椅實現伸縮、組合、嵌套、旋轉的結構，如圖3和圖4所示。

圖3 汽車座椅未顯示功能狀態圖Fig.3 State diagram of automobile seat Not display function

（1）在駕駛者不乘坐的情況下，兩個護頭組件自動回縮，護頭組件不但在急行時保護頭部，同時具有語音通話功能。

圖4 汽車座椅功能展示圖Fig.4 Display diagram of automobile seat function

（2）手柄方式感應方向操縱桿，取消了一直沿用的傳統的圓型方向盤，駕駛者乘坐啟動汽車，操縱桿自動伸出，駕駛者需要離開座椅時，手柄有控制按鍵可直接將操縱桿收縮回腿部旁邊的兩個圓柱弧形體中。

（3）顯示屏為伸縮內嵌式結構，啟動時從兩腿之間的座椅下方一節一節伸出，直到視線平視位置的下方。采用紅外視覺搜索，在眼睛看到顯示屏的同時，顯示數據，在眼睛離開顯示屏的時候，顯示器自動關閉；兼具疲勞提醒的功能，當疲勞駕駛的時候，眼神會受到視覺收縮系統的提醒，保證安全駕駛。

5 汽車座椅概念設計眼動實驗評價

5.1 實驗設計

運用以上研究方法進行汽車座椅樣稿設計，通過眼動儀的客觀評價證明設計樣稿能否具有最吸引被試人視覺的效果。評價內容分為單張設計效果圖（實驗時間8 s），評價設計關鍵部位能否吸引客戶視覺；4張圖片組合（實驗時間15 s），加入兩張干擾圖片，即現有汽車座椅中、高檔兩款，4張圖片均以紅色為主色調，交叉擺放。每個實驗30人，兩個實驗被試者沒有交叉，保證對設計的座椅存有新鮮感。實驗地點為吉林大學人類工效學實驗室。

5.2 實驗儀器

眼動儀實驗所使用的儀器為Tobii眼動儀。主要包括視覺采集攝像機、用戶表情攝像機、揚聲器，全部與視覺追蹤裝置集成在24儀TFT顯示器中整合為一體，不會干擾測試者。精確度≤雙眼0.4°；準確度≤雙眼0.09°；采樣率≥雙眼60 Hz；該儀器通過紅外線攝像機獲得被試者眼睛圖像，圖像數據分析后，能獲得準確眼動數據。

5.3 實驗結果

眼動實驗表明：設計的功能要素都能夠有效地吸引被試者的視覺；影響舒適程度的頭、肩頸、腰背部均能吸引被試者的視覺；形態的特異性和結構的嵌套性吸引被試更多關注（圖5）。在存在干擾項的圖片中（圖6），雖然顏色都選擇為紅色系，減少色相差的干擾，但是由于紅色的純度和明度的不同，純度高，明度高的座椅首先吸引了被試者的視覺，但是關注點最多的仍然是本次座椅設計稿，每個設計點和功能都得到了長時間的注視。設計樣稿效果圖（圖7）在8 s的眼動實驗中，頭、肩、背部和儀表板的設計吸引了客戶更多的注意力。以上實驗結果表明：從客戶的美學心理研究入手的汽車座椅創新設計方法，能夠有效地把握客戶對汽車座椅視覺舒適度的要求。

圖5 設計不同角度熱點圖Fig.5 Design different angles heap map

圖6 有干擾項目的熱點圖Fig.6 The heap map with interference project

圖7 座椅效果圖Fig.7 Effect picture of the seat

6 結束語

本文首先通過感性工學方法中李克特量表法，尋找客戶消費美學心理傾向；通過TRIZ創新思維方法，突破設計的思維定勢，找出功能結構設計關鍵點。通過以上兩方面的結合，運用發散性思維尋找設計關鍵詞，抽取符號，進行汽車座椅的理想化概念設計。最后，針對汽車座椅概念設計結果進行眼動儀實驗評價，熱點圖結果表明，用感性工學和TRIZ的方法進行汽車座椅客戶美學傾向調查和功能創新設計，能夠真正得到目標消費人群的有效關注，作為準確、快捷、低成本貼近消費者心理的普適性設計方法，更具有廣闊的企業研發推廣空間。

［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

［2］Paul G，Daniell N，Fraysse F.Patterns of correlation between vehicle occupant seat pressure and anthropometry［J］.Work，2012，41（Suppl）：2226-2231.

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