基于感性工學與TRIZ 理論的汽車窗簾創新設計*

曹嘉平，馬婧儒，高志勇，汪 煜，朱玉杰

（1.東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040；2.江南大學，江蘇 無錫 214112）

20世紀后半葉以來，汽車逐漸成為大眾的日常消費品，隨著人工智能時代的到來以及無人駕駛技術的日趨成熟，高品質的出行體驗成為終端消費者追求的目標[1]。許多研究者已設計出具有不同功能的智能家具窗簾，如2018 年韓大鳳[2]研發的基于嵌入式和Zigbee 技術的智能窗簾；2019 年蘇賜民等[3]研發的基于WIFI 通信技術支持的智能窗簾。目前，市場上的汽車窗簾主要有吸盤的鋁箔遮陽擋、紗網式測遮陽擋、靜電貼式測遮陽擋和遮陽簾4 種形式，但功能比較單一，無法自動控制。針對這些問題，本文提出了一款車載智能光控窗簾。

1 理論介紹及集成應用

1.1 感性工學理論

感性工學理論起源于日本，是將感性與工學相結合的技術，其主要通過分析用戶的感官、情感來設計產品，依據產品特性制造產品，屬于工學的一個新分支[4]。

1.2 TRIZ 理論

TRIZ 理論由蘇聯科學家阿奇舒勒（ALTSHULLER G S）于1946 年創立，為人們創造性地發現問題和解決問題提供了系統的理論和方法工具[5]。在利用TRIZ 理論的創新方法解決問題的過程中，首先將待設計的產品表達成為TRIZ 理論問題，其次利用TRIZ 理論中的工具求出問題的普適解，最后把普適解轉化為特解。

運用TRIZ 理論，可大大加快人們創造發明的進程，但是TRIZ 理論自身并不能有效地尋找矛盾所在處[6]。

1.3 基于兩種理論的汽車窗簾設計流程

通過多種途徑收集樣本，運用Q型聚類分析和相似取優的方法對樣本庫進行合并、歸類和刪除，得到需要的車載窗簾典型樣本。收集與設計意向相關的形容詞作為感性詞匯，由受過相關訓練的專業人員對收集詞匯進行篩選，以各年齡段駕乘人員為對象進行問卷調查，對調查統計結果進行主成分分析，得出最終的關鍵感性詞匯，利用階層類別分析法將其逐一轉化成產品的設計要素，并運用TRIZ理論的創新方法進行實物設計。將感性工學理論和TRIZ 理論有機集成為能夠滿足用戶的感官以及情感需求，也能解決設計要素中的技術矛盾[7-10]。本文運用感性工學理論與TRIZ 理論結合的汽車窗簾創新設計流程見圖1。

圖1 汽車窗簾創新設計流程圖

2 感性工學理論與TRIZ 理論的集成應用

2.1 確定典型樣本

通過網絡購物平臺查詢、實地走訪、文獻查詢等方式收集多種樣本，初步獲取70 個汽車窗簾樣本，運用Q型聚類分析對70 個樣本進行合并、歸類，刪除外形及結構相似的樣本，得到7 個性能最優的樣本作為典型樣本，典型樣本外形見圖2。

圖2 7 個性能最優的典型樣本外形

2.2 確定關鍵感性詞匯

通過查閱相關資料獲取感性詞匯，初步篩選以剔除相似度高或不常用的形容詞，得到包含40 組感性詞匯的匯總見表1。

表1 感性詞匯初步匯總表

邀請受過相關訓練的人員，基于他們的專業知識，對感性詞匯進行反復甄別、篩選，通過查閱相關資料文獻，進一步刪減不相關或無實際參考價值的感性詞匯，合并詞義相近的感性詞匯，最終得出9 組感性詞匯作為汽車窗簾的關鍵感性詞匯。9 組感性詞匯分別為：安全的—危險的；環保的—污染的；系統的—零亂的；便宜的—昂貴的；智能的—機械的；鮮艷的—淡雅的；適合的—無用的；易裝卸的—難裝卸的；簡單的—復雜的。

2.3 確定設計要素

2.3.1 基于語義差異法的問卷附表設計

利用語義差異法，應用獲取的9 組關鍵感性詞匯對x個典型樣本建立評價值調查表（見表2），設置值為-3，-2，-1，0，1，2，3，共7 個量級[11]。

2.3.2 數據收集

隨機選取200 位機動車駕駛員和乘員發放調查問卷，共回收到有效問卷196 份。匯總有效問卷結果，逐一對典型樣本的不同感性詞匯評價值進行求和計算，取平均值作為感性詞匯最終得分，計算結果見第63 頁表3。

表2 典型樣本感性詞匯評價值調查表

2.3.3 主成分分析

為了對初步選取的感性詞匯進行客觀分析，將9 組感性詞匯在7 個典型樣本中的平均值作為基本數據，進行主成分分析[12-13]。

設第i個典型樣本的第j個感性詞匯得分為aij；第j個感性詞匯表示為xj；第j個感性詞匯的樣本均值和樣本標準差分別為μj和sj。

對原始數據進行標準化處理，將標準化處理后的感性詞匯得分與感性詞匯分別表示為公式為

表3 典型樣本感性詞匯平均值

進行相關系數矩陣計算，將相關系數矩陣記為R，且R=（rij）m×m，則rij的公式為

分別用λm和μm（μj=[μ1jμ2j… μmj]T）表示相關系數矩陣R 對應的特征值以及特征向量。由特征向量μm可得到9 個新的感性詞匯，將其設為y1，y2，…，yj，…，ym，并分別記為第m個主成分，其中m=1，2，…，9。通過計算可得出每一主成分的貢獻率和累積貢獻率，其中bj為主成分yj的單獨貢獻率，αp為前p個主成分y1，y2，…，yp（p≤9）的累積貢獻率，公式分別為

應用MATLAB 軟件計算各成分的信息貢獻率、累積貢獻率以及每個主成分的組成。表4 為累積貢獻率表；表5 為成分1 和成分2 組成表。由表4 結果可知：成分1 和成分2 的信息貢獻率遠高于其他成分，且累積貢獻率超過了95%。故選擇成分1 和成分2 作為主成分。由表5 可知，成分1 中影響最大的感性詞匯為x3（系統的）和x5（智能的），成分2 中影響最大的感性詞匯變量為x1（安全的）和x7（適合的）。通過對典型樣本的搜集、篩選以及對感性詞匯進行主成分分析，確定設計汽車窗簾的關鍵感性詞匯為：安全的、系統的、智能的、適合的，以此作為產品的基本設計要素，運用TRIZ 理論的創新方法進行具體設計。

表4 累積貢獻率表 （%）

表5 成分1 和成分2 組成表

2.3.4 感性詞匯的轉化

根據主成分分析結果以及用戶體驗研究得到汽車窗簾的關鍵感性詞匯，以此作為感性要素，利用階層類別分析法逐一將感性設計要素轉化為具有物理性質的或可量化特征的設計要素[8]。汽車窗簾的設計階層見圖3。

圖3 汽車窗簾的設計階層圖

2.4 矛盾的描述

結合設計特征目前現有的技術分析，得到設計要素為構建結構（形狀、組成）、控制方式（光控）、簾體結構（構成、特性、容量、多用）、運動方式（自動、手動、安全、動態）。發現設計要素中存在3 對矛盾，即1 對物理矛盾和2 對技術矛盾。物理矛盾為窗簾的打開閉合狀態（一方面希望窗簾打開，觀賞車窗外風景；另一方面希望窗簾關閉，遮擋陽光）；技術矛盾為蓄電池的體積和容量（體積越小，儲存的電能越少）、汽車窗簾的形狀與安全（客運汽車窗簾關閉時，乘員無法通過安全窗逃生）。

2.5 矛盾的消解

運用TRIZ 理論中的39 個標準技術特性[14]描述技術沖突為：欲改善的參數為N8蓄電池的體積（由于車窗框架處的空間有限，因此蓄電池的體積以及容量受限），欲惡化的參數是N21蓄電池的功率（蓄電池的體積太小，無法提供足夠的能量供窗簾響應）；欲改善的參數是N38汽車窗簾的自動化程度（窗簾可由光照強度控制開啟與閉合），欲惡化的參數是N12汽車窗簾的形狀（客運汽車窗簾自動閉合后將影響乘員從安全窗逃生）。由表6 矛盾矩陣查出可用的發明原理。

表6 矛盾矩陣局部

3 車載智能光控窗簾設計生成方案

根據感性設計要素、物化設計要素所對應的矛盾和消解，設計了一款車載智能光控窗簾，主要包括構建結構、控制方式、簾體結構、運動方式4 個部分的詳細設計。

運用N24反饋原理和N5組合原理對構建結構和控制方式進行設計：采用N24反饋原理，考慮汽車窗簾可以根據窗外光照強度反饋，自動調節窗簾的開啟和閉合，使之根據特定條件的反饋自動響應；根據N5組合原理，將步進電機（通過正轉與反轉控制窗簾的打開與閉合）、光傳感器（通過光伏充電控制器與步進電機連接，控制步進電機的正轉與反轉）、蓄電池（安裝在框架的一側，設有光伏充電控制器）、運動執行部分（由絲桿與滑塊組成）以及窗簾簾體進行合理組合，得到車載智能光控窗簾外形（見圖4）以及細節結構（見圖5）。

運用N1分割原理、N6多用性原理、N24借助中介物原理、N30柔性殼體或薄膜原理、N27廉價替代品原理對車載智能光控窗簾的簾體結構進行設計。一是運用N1分割原理，將窗簾幕簾設計為三層，分別是第一窗簾層、薄膜太陽能電池層、第二窗簾層，其中第一窗簾層朝向車外，具有透光性與防水性；薄膜太陽能電池層位于所述第一窗簾層與第二窗簾層之間，與蓄電池連接；第二薄膜層朝向車內，具有不透光性、耐臟性以及美觀性。二是運用N6多用性原理，窗簾簾體為薄膜太陽能電池提供安裝空間。三是運用N24借助中介物原理，汽車窗簾為薄膜太陽能電池提供安裝位置。四是運用N30柔性殼體與薄膜原理，應用非晶硅柔性薄膜太陽能電池，改變太陽能電池的物理形態，由于其自身具有柔性，因此可以襯聯到其他柔性物上，增大了受光面積，以吸收更多的太陽能。五是運用N27廉價替代品原理，非晶硅柔性薄膜太陽能電池具有生產成本低、弱光響應好以及充電效率高等特點[15]，可有效代替價格相對較高的太陽能電池。車載智能光控窗簾的簾體結構見圖6。

圖4 車載智能光控窗簾外形圖

圖5 車載智能光控窗簾細節結構圖

圖6 車載智能光控窗簾的簾體結構圖

運用N1分割原理、N13反向作用原理以及N15動態特性原理對車載智能光控窗簾的運動方式進行設計。一是運用N1分割原理，百葉窗代替傳統的幕簾式汽車窗簾，實現窗簾自動調節外界射入光線。二是運用N13反向作用原理和N15動態特性原理，將百葉片的橫向安裝方式改為縱向安裝方式，同時將百葉窗固定框架設計為可推拉式窗體框架，方便乘員手動控制汽車窗簾。車載智能光控窗簾的實際安裝與使用效果見第65 頁圖7。

圖7 車載智能光控窗簾的實際安裝與使用效果圖

4 車載智能光控窗簾工作原理

為使車載智能光控窗簾適用于空間受限且安全要求高的特殊安裝載體，將其驅動方式改為蓄電池驅動，通過安裝在窗簾簾體上的非晶硅薄膜太陽能電池增大受光面積，儲存足夠的電能，供步進電機響應。根據光照強度的變化，光傳感器將強光與弱光的不同信號輸入到STC59C52 單片機中，控制伺服電機正轉與反轉，帶動傳動機構（見圖8）。

圖8 車載智能光控窗簾控制原理圖

5 結束語

感性工學理論主要將用戶的情感化需求特征轉化為產品設計特征，而TRIZ 理論主要用于分析設計要素中產生的矛盾和沖突，并利用相應的發明原理加以解決[8]。將感性工學理論和TRIZ 理論進行有機集成，根據現有技術和目前可用的發明原理，對汽車窗簾的構建結構、控制方式、簾體結構、運動方式4 個部分進行創新，設計了一款車載智能光控窗簾。與市場上現有的汽車窗簾相比，本文創新設計的汽車窗簾不僅能夠根據光照強度的變化自動調節開合，以保證車內光線適宜，而且保證了汽車作為移動載體在安裝空間和安全性方面的特殊要求。