基于視覺動力形式的康護輔具輕量化設計研究

吳儉濤，覃忠志，孫利，張碩，袁思琪，王巧玲，程永勝

基于視覺動力形式的康護輔具輕量化設計研究

吳儉濤1，覃忠志1，孫利1，張碩1，袁思琪1，王巧玲1，程永勝2

（1.燕山大學，河北 秦皇島 066000；2.廈門大學嘉庚學院，福建 漳州 363105）

為了減輕和緩解用戶物理負擔和心理負擔，對康護輔具進行輕量化設計，探索一種產品形態輕量化與結構輕量化并行的綜合設計方法。以保護靴為例，將輕量化意象作為形態設計目標，采用語義差法和主成分分析得到輕量化意象及其典型代表樣本；采用視覺動力形式分析建立產品形態輕量化意象的映射關系，并在此關系上通過曲線控制法進行初始形態方案設計；利用SolidWorks軟件進行拓撲優化，判斷材料冗余部分，為結構減重提供指導；再次結合映射關系對初始形態進行形態優化設計，得到最終設計方案。對保護靴設計方案進行評估，仿真結果顯示方案重量降低近40%，評價結果顯示輕量化意象評價良好，表明了該方法的可行性，為康護輔具的輕量化設計提供了新思路與方法。

產品設計；視覺動力形式；拓撲優化；輕量化；康護輔具

隨著體育事業在全國范圍的快速發展以及全民運動健身的提倡，運動損傷變得愈發普遍，康護輔具作為一種重要的運動康護產品，其市場也隨著體育行業的發展在不斷擴大。目前，康護輔具技術與功能趨于同質，如何為用戶提供更好的使用體驗成為設計關鍵，使康護輔具的輕量化設計逐漸成為熱點。當前輕量化研究主要集中通過拓撲優化實現產品結構優化[1-3]，從而減輕用戶肢體上的物理負擔，伍賽等[4]運用拓撲優化技術對全新產品機械結構進行設計，降低了產品重量并優化了產品結構和性能。馮楨等[5]將拓撲優化運用在工業機器人形態設計中，通過改變約束條件生成多個設計樣本，驗證了拓撲優化方法在產品設計應用中的可行性。梁健等[6]應用拓撲優化方法，達到了下肢康復外骨骼結構輕量化的目的。張芳蘭等[7]通過拓撲優化生成裸足矯形器輕量化設計方案。相比之下，形態輕量化的重要性往往被忽略。形態輕量化意味著對產品形態視覺認知的減重，通過視覺感知給予用戶輕松舒緩的心理感受[8-10]，減輕用戶的心理負擔，從而給予用戶積極的康復影響和引導。因此，以保護靴為例，從視覺動力形式角度進行設計分析，在康護輔具產品設計中采用視覺動力形式理論和拓撲優化方法來進行方案設計以及優化，嘗試探索出一種產品形態輕量化與結構輕量化并行的設計方法。

1 視覺動力形式

1.1 視覺動力形式概述

視覺動力形式源于格式塔心理學，是阿恩海姆在考夫卡動力論的基礎上提出的，并將視覺力分為三種力：即力、張力、動力[11-13]。阿恩海姆認為“動力”是指在觀察靜止對象中視覺認知到的有方向性的矢量張力，且任何一個物象自身都存在動力形式。產品形態蘊含著豐富的視覺動力形式，在創造豐富視覺效果的同時給予認知主體不同的心理感受。當前視覺動力形式被廣泛運用于產品形態設計中，候士江等[14]通過語義差分法和視覺動力分析建立了目標意象與叉車動力形式之間的關聯，滿足了用戶的意象需求并提升了叉車外觀形態。花雨張等[15]運用視覺動力形式分析機械臂外觀形態設計元素并完成了產品語義的量化描述，成功構建了產品外觀形態與產品語義通用性的關系。榮歆等[16]從視覺動力角度分析了V形符號在機車車頭形態中的張力特點與聯系并進行了相應的概念設計。尚會超等[17]運用視覺動力形式解析了減速機視覺動力類型，建立了減速機形態視覺動力體系，為減速機形態設計提供了解決方案。洪碧云[18]采用視覺動力形式分析和數量化I類，研究傳統紫砂壺的視覺形態要素與視覺意象的相關性，為傳統紫砂壺的創新設計提供了新方案。康護輔具作為一種可穿戴產品，其形態設計中同樣蘊含著豐富的視覺動力形式，通過視覺感知上“力”的運用，能夠有效減輕產品視覺認知重量，減輕用戶的心理負擔從而促進用戶康復。

1.2 產品形態中視覺動力形式類型

在產品設計中視知覺動力形式的方法主要有傾斜、形變、重復、對稱四類[19-20]。傾斜是指物體在空間中垂直和水平方向所產生強烈的偏離感，通過視覺感知產生知覺性偏離而形成一種由偏離位置向正常位置的有方向的傾向性張力，傾斜角度與張力強度呈正相關關系，傾斜角越大，張力越大。形變是指物體在外力作用下其形狀及尺寸變化而產生的一種反作用力的趨勢，形變量越大，對應產生的反作用力越大，在形態設計往往運用S形曲線以獲得反作用力。重復是指物體在某一方向的連續出現，而在位移方向上的連續出現可被看成是運動，可使人們通過視覺感受在知覺上感知到一個方向性的推動力。對稱指物體或圖形在一定變換條件下，其相同部分在水平方向或垂直方向有規律重復的現象，這使其往往形成相對的視覺動力，兩者互相抵消，形成靜止感。四者相互融合變化產生豐富的視覺動力形式進而影響主體的心理感受變化，既包含抗爭的、對立的，又包含和諧的、趨同的。

2 基于視覺動力形式的康復輔具輕量化設計研究流程

基于視覺動力形式的康護輔具輕量化設計研究強調在人的視覺規律下，既包含滿足輕量化視覺前提下的形態設計，又包含滿足功能實現和產品安全前提下的結構拓撲優化設計，兩者內外結合。本文提出了基于視覺動力理論的保護靴輕量化設計研究流程，其具體步驟如下：建立代表樣本庫和意象詞庫，通過語義差法和主成分分析確定輕量化意象及其典型代表樣本；對輕量化意象的典型代表樣本進行視覺動力形式分析，建立保護靴輕量化形態意象的映射關系；基于映射關系進行產品初始形態方案設計；利用SolidWorks軟件在初始形態方案基礎上進行拓撲優化，判斷冗余材料部分；再次結合映射關系對初始形態冗余部分進行形態優化設計以得到最終設計方案；通過語義差法和仿真分析對最終方案進行評價篩選。具體流程如圖1所示。

3 保護靴輕量化設計

3.1 構建輕量化形態意象映射關系

3.1.1 獲取保護靴代表樣本

從雜志期刊、在線商城等渠道搜集國內外保護靴樣本，初步篩選獲取35個樣本，經由小組討論和專家評價，根據保護靴形態特征差異性進行分類和篩選，最終確定得到10個保護靴代表樣本，如圖2所示。

3.1.2 保護靴輕量化目標意象獲取

通過網絡問卷和在線商城評論等渠道搜集到32個保護靴相關的意象詞匯，為剔除相似詞匯以及與“輕量化”語義差較大的詞匯，降低后期數據的處理難度，邀請4名從事感性工學研究方向的老師與學生以及4名長期從事康養輔具設計的企業設計人員組成專家小組，采用線上會議形式經過多輪討論與投票，最終得到8個保護靴輕量化意象詞匯。結合前文10個保護靴代表樣本制成7級語義差異量表“非常符合”“很符合”“一般”“不符合”“很不符合”“非常不符合”，分別記為3、2、1、0、–1、–2、–3分值。同時為避免色彩、材質等因素的干擾，將12個代表樣本圖片進行灰度處理。最后，為保證意象評價結果的代表性和可靠性，從不同年齡層次的設計者和用戶角度出發，分別邀請2位工業設計專業老師、3名工業設計學生，2名青少年用戶、4名青中年用戶以及4名老年用戶等，共計15名具有保護靴使用經歷的受訪者，要求上述15名受訪者在瀏覽樣本圖片后對各樣本進行語義打分，其得分集為{C1C2C3，C}（代表第個樣本，代表第個意向詞，代表第個測者）。由此可得到第個樣本在第個意向詞的語義得分均值記為C，根據式（1）—（2）計算第個樣本在第個意象詞的均值和標準差，均值能夠有效地反映每一個樣本各意向詞的總體得分水平，標準差則反映每一個樣本各意向詞得分的離散程度，離散程度越低，說明受訪者的評價越統一，可信程度越高。同時為了保證問卷數據的可靠性和有效性，提升數據準確性，依據萊依達準則（3）即式（3）剔除粗大誤差值。對剔除粗大誤差后的數據進行整理，如表1所示。

此外，為進一步降低用戶意象認知維度，將評價均值導入SPSS分析軟件進行因子分析和主成分分析以實現意象詞數據的降維處理，獲得方差解釋圖和主成分矩陣，如表2和表3所示。

圖2 代表樣本圖

表1 樣本意象評分均值

Tab.1 Mean value of sample imagery score

表2 因子分析載荷矩陣機方差貢獻率

Tab.2 Variance contribution rate of factor analysis load matrix machine

表3 因子主成分分析矩陣

Tab.3 Analysis matrix of factor principal components

發現存在4個特征值大于1的因子，旋轉后的方差累計貢獻率為89.383%，大于85%，說明該4個因子可以解釋全部的意象詞匯，故將8個意象詞歸納為4個維度并選取每個維度中載荷系數值最大的意象詞匯來代表該維度，由此確定保護靴視覺輕量化意象詞匯={修長、輕薄、運動、簡潔}。

3.1.3 獲取輕量化意象典型代表樣本

根據已確定的代表意象詞匯，結合已獲取的意象評價結果（見表4），對比分析獲取意象典型代表樣本。

表4中數據根據式（1）—（2）計算可知，離散程度均低于1，表明數據具有可信度，故直接選擇各意象評價均值前3的作為該意象詞的典型代表樣本，得到各意象與典型代表樣本的對應關系，如圖3所示。

表4 樣本意象評價值

Tab.4 Evaluation value of sample imagery

圖3 意象代表樣本

3.1.4 建立輕量化形態意象映射關系

結合前文產品形態設計中的視覺動力形式類型，分析保護靴側面形態中的視覺動力形式。通過分析輕量化意象詞典型代表樣本的視覺動力形式，建立輕量化形態意象映射關系，為方案設計提供指導。

1）對符合“修長”意象的典型代表樣本7、8、4的視覺動力形式分析如下圖4所示。在水平方向產生相對的兩個力，使保護靴兩側的曲線產生形變，值越大，左右距離越小；在垂直方向產生相離的兩個力，使頂部和底部曲線產生形變，值越大，上下距離越大；兩個方向的力共同作用，最終使產品整體在垂直方向獲得無限拉長，從而產生“修長”的視覺意象。對比三者水平形變與垂直形變的大小，可以發現在水平形變上，7≈84；垂直方向形變上，784。計算三者的形變比，可以得到樣本7樣本8樣本4，時結合表4中“修長”意象評價值可知，樣本7的評價均值最大，樣本4評價均值最小，兩者綜合分析對比可以得到垂直方向與水平方向形變比值與修長感呈正相關，形變比越大則修長感越強。

圖4 “修長”視覺動力形式分析圖

2）對符合“輕薄”意象的典型代表樣本7、8、9的視覺動力形式分析如下圖5所示。樣本7和8主要受到水平方向和垂直方向的力，產生水平形變和垂直形變；樣本9則主要受到水平方向的力，產生水平形變，且水平方向上7>8>9，垂直方向上7≈8>9結合表4中“輕薄”感評價值可知，樣本7和8的評價均值均大于樣本9，可以得出，垂直方向形變越大，水平方向形變越大，則營造的“輕薄”視覺意象越強。進一步對樣本7、8進行分析，兩者垂直形變接近，且水平方向相對的力均集中于腿部和足部，腿部和足部均受相對和相離兩對力的作用而產生腿部形變W和足部形變W，兩者足部均受相離的力且足部形變量W相近，但是W7>W8，分別計算W/W可以得到樣本7>樣本8，結合表4中輕薄感評價值可知，樣本7的評價均值大于樣本8的評價均值。綜合分析對比可以得到水平的腿部形變與足部形變比值與輕薄感呈正相關，腿部形變與足部形變比值越大，運動感越強。

圖5 “輕薄”視覺動力形式分析圖

3）對符合“運動”意象的典型代表樣本2、8、7的動力形式分析如圖6所示。三者主要在水平方向都受到相離的兩個力，分別是位于腳踝處水平向右的力1和位于腿部處水平向左的力2，兩者作用下造成左側輪廓線產生向右彎曲的形變W，故形成垂直方向向左的傾斜角度，進而產生水平向左前進的力，營造出“運動”的視覺意象。進一步對比分析三者輪廓的左側形變W，可以發現W2>W8>W7，樣本2中左側形變最大，對應產生的垂直方向與水平方向的傾斜角度2最大，樣本8次之，而樣本7左側形變最小，對應產生的傾斜角度7最小，得到287。結合表4中運動感評價值可知，樣本2的評價均值最大，樣本7評價均值最小。綜合分析對比可以得到運動感與垂直方向向左的傾斜角度大小正相關，傾斜角度越大則運動感越強。

圖6 “運動”視覺動力形式分析圖

4）對符合“簡潔”意象的典型代表樣本7、5、6的動力形式分析如圖6所示。通過分析三者側面輪廓中的圖形元素數量可以發現，圖形元素數量的多少直接對應著動力數量的多少，且不同的圖形元素所產生的視覺動力方向各不相同，但當圖形元素為規則矩形和圓形，且處于水平和或垂直狀態時，該圖形元素則不具有視覺動力。同時進一步研究圖形元素動力形式之間的關系，由于不同圖形元素所產生的視覺動力方向不同，進而導致視覺動力之間發生沖突，圖形元素種類越多，對應產生的視覺動力越多，動力之間的沖突也越大。通過圖6可知，樣本7中視覺動力最少，樣本5較少，樣本6最多。結合表4中簡潔評價值可知，樣本7的評價均值最大，樣本6的評價均值最小。綜合對比分析可以得到，側面輪廓內視覺動力數量與簡潔感呈負相關；視覺動力數量越多則動力間力的方向沖突越多，簡潔感越低。

圖7 “簡潔”視覺動力形式分析圖

通過以上對比分析，建立輕量化形態意象映射關系如下：修長感與垂直方向和水平方向形變比呈正相關，應通過提高垂直形變與水平形變之間的比值，以營造“修長”感；輕薄感與水平方向腿部形變與足部形變比呈正相關，應通過提高腿部形變W與足部形變W之間的比值，以營造“輕薄”感；運動感與垂直方向向左的傾斜角度大小呈正相關，應通過加大保護靴側面輪廓左側曲形變W，從而提高垂直方向的傾斜角度，以營造“運動”感；簡潔與視覺動力數量呈負相關，應減少保護靴側面輪廓中圖形元素數量或采用不具有視覺動力的規則矩形和圓形，以營造“簡潔”感。

3.2 初始形態方案設計

由前文可知樣本7各意象值均在前列，故選取樣本7作為參考樣本，采用NURBS曲線對樣本7的側面輪廓進行提取并作為參考曲線，選取曲線中轉角處為控制點，分別得到點。同時為保證貼合度與舒適度，基于人體工學提取人體腿部曲線作為約束曲線并選取曲線中轉角處為控制點，分別得到點111111111。通過曲線控制法，記錄初始曲線點位移坐標和約束曲線位移坐標，計算兩者各控制點相對位移差，采用形態均化法和二分點法，得到均化輪廓及控制點′′′′′′′′，如圖8所示。

圖8 均化輪廓曲線

根據映射關系要求，逐次改變初始位移的控制點坐標來控制曲線彎曲變形程度，從而達到水平形變比大和傾斜角度大的設計目標，通過改變點′′′的水平位移來控制水平的形變量和傾斜感，改變點′′的垂直位移來控制形變比率，改變點′′′的垂直位移來控制垂直形變，逐次改變初始位移的控制點坐標來控制曲線彎曲形變程度，從而達到水平形變比大和傾斜角度大，以滿足修長、輕薄、運動的意象，最終獲得設計曲線，如圖9所示。

在此基礎上，采用Rhino三維軟件進行建模，形成了兩個保護靴形態輕量化的初始形態設計方案，如圖10所示。

3.3 拓撲優化分析

3.3.1 臨界條件和載荷確立

將用戶在穿戴保護靴下的身體姿態作為臨界條件，以計算得到其邊界約束和載荷條件。由于保護靴是將整個小腿和足部全部固定包裹，整體受膝關節控制且要避免擺動，故只考慮相對靜止狀態。同時根據與用戶的實地觀察交流，得出用戶在穿戴保護靴下的兩類基本運動狀況：

1）在躺臥狀態下，為了保持腳踝和跟腱處于松弛狀態，保護靴在穿戴情況下保持水平狀態，需要考慮用戶小腿自身重量對保護靴側面所施加的重力。

2）在靜坐狀態下，為了保持腳踝和跟腱處于松弛狀態，保護靴足部和小腿部保持垂直固定，保護靴足底接觸地面需要與地面接觸，所以在受力分析時，需要考慮用戶小腿自身重量對保護靴足底施加的重力。因此，最危險的狀態可等同于穿戴保護靴下，用戶在躺臥和靜坐過程中，保護靴不同位置結構承受最大力的時刻。以180 cm/83 kg的成年人為例，根據人機工程和引力公式計算以上兩種工況下的最大受力，可以得到狀態1下和狀態2下保護靴側面和足底所受壓力均為57 N，因此選擇兩處受力同時最大的時刻進行分析。

圖9 曲線演化過程

圖10 初始設計方案

3.3.2 靜力分析

根據前文兩類工況分析結果，將保護靴初始形態方案的Rhino三維模型導入SolidWorks中，通過sumilation插件進行靜受力分析。按照設計要求選擇設計方案材料，所使用材料為保護靴常用材質PP共聚物，其材料力學性能如表5所示。

表5 PP材料力學性能

Tab.5 Mechanical properties of PP materials

此外對設計方案添加臨界條件下對應的受力載荷，在足掌底部添加固定幾何體約束，進而生成網格，分別計算得到保護靴應力云圖，如圖11所示。結果表明，保護靴的最大應力值分別為1.022×106N/m2、6.279×105N/m2，低于工程塑料PP共聚物材質的屈服力4.5×107N/m2；最大位移分別為1.683 mm、1.328 mm，兩者均在安全范圍內，表明設計方案符合安全要求。

圖11 保護靴靜應力分析圖例

通過設計洞察模塊經驗度分析得到保護靴材料分布狀況，將靜應力圖和設計洞察圖進行對比分析，如圖12所示。可發現靜應力越大，材料保留程度越大，越趨于實體化，屬于材料保留部分；靜應力越小，材料保留程度越小，越趨近于透明，屬于材料冗余部分。因此可以對冗余部位進行鏤空處理以達到減重目的，從而完成拓撲優化設計。

圖12 保護靴設計洞察圖

3.3.3 拓撲優化求解

基于SolidWorks中的拓撲算例模塊對有限元模型進行拓撲優化。在SolidWorks中，導入模型后進相關參數設置：首先進行夾具和載荷設置，在足掌底部添加固定幾何體約束；其次在設置目標與約束模塊中選取最佳強度質量比為目標，質量減少30%，同時為保留設計方案的形態輪廓特征，需在制造控制模塊中添加保留區域，保留區域為模型側面輪廓線與足掌底板，進而生成網格。通過運算求解，計算得出保護靴，如圖13所示。

圖13 保護靴拓撲優化圖例

圖13中紫藍色區域為在保證結構剛強度的前提下可去除部分，可以發現方案的兩側壁厚均有部分可移除。結合圖11—13進行綜合分析，可通過減小保護靴兩側紫藍色區域壁厚以及移除部分透明區域以實現保護靴結構輕量化。

3.4 設計方案優化

根據圖11—13的分析結果，基于前文輕量化形態意象的映射關系，對原有產品形態進行規則切除和重塑，采用形態趨于一致的圓形和矩形產生統一的視覺動力形式以營造簡潔的意象，同時采用重復的手法，以不同尺寸去切除不同位置的冗余材料，從而達到對移除部分形態優化的目的，得到優化之后的方案如圖14所示。

圖14 最終優化方案

4 方案評價與仿真驗證

將上述最終優化方案與6個典型代表樣本組合制成7級語義差異量表，為降低用戶認知差異對評價結果產生影響，邀請前文15位受訪者再次進行輕量化意象評價，評價結果如表7所示。兩個方案的所有意象均值都為正值且排名靠前，說明方案形態輕量化效果良好。且方案a的均值和最大，為最符合輕量化設計需求的保護靴形態設計方案，如表6所示。

表6 輕量化意象設計方案評價結果

Tab.6 Evaluation results of lightweight image design schemes

再次對最終方案進行仿真分析以驗證方案合理性，如圖15所示。通過優化前后的結果對比可知，最終優化方案應力和位移優化前后的變化不大，最大應力值由之前的1.022×106N/m2變為2.640× 106N/m2，6.279×105N/m2變為8.192×106N/m2，最大位移值由之前的1.683 mm變為1.023 mm，1.328 mm變為9.250 mm，兩者均在安全范圍內，且優化后保護靴質量分別由0.898 kg變為0.578 kg，0.781 kg變為0.475 kg，質量卻減少了近40%，實現了結構質量輕量化的目的。通過評價結果和仿真分析結果可得，產品在形態輕量化的同時實現了結構質量輕量化，表明了該方法的可行性。

圖15 最終優化方案仿真分析

5 結語

本文基于視覺動力形式理論和拓撲優化方法，提出了一種形態輕量化與結構輕量化結合的綜合設計方法。以現有的保護靴作為研究對象，首先通過語義差異法和視覺動力形式理論建立視覺動力形式與輕量化意象之間的映射關系，并進行初始方案設計。其次對初始方案進行拓撲優化設計以判斷結構的材料冗余部位，并結合映射關系進行優化設計，最后通過方案評價和仿真分析結果驗證了該方法的可行性。該方法有助于避免單一追求產品結構輕量化而造成的形態失衡，結合形態審美以達到更為均衡的設計輸出，達到用戶心理層面和物理層面的雙重緩解，希望能夠為康護輔具和其他產品的輕量化設計提供新思路和方法。此外，材質、色彩等對產品的輕量化也有一定程度的影響，有待于進一步擴展研究。

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Lightweight Design of Health Care Assistive Devices Based on Visual Dynamic Form

WU Jian-tao1, QIN Zhong-zhi1, SUN Li1, ZHANG Shuo1, YUAN Si-qi1, WANG Qiao-ling1, CHENG Yong-sheng2

(1.Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066000, China; 2. Kah Kee College, Xiamen University, Fujian Zhangzhou 363105, China)

The work aims to conduct lightweight design of health care assistive devices and explore a comprehensive design method of product form lightweight and structure lightweight to reduce and alleviate the physical and psychological burdens of users. With protective boots as an example, firstly, the lightweight imagery was taken as the form design target, and the semantic difference method and principal component analysis were used to obtain the lightweight imagery and its typical representative samples; secondly, the visual dynamic form analysis was used to establish the mapping relationship of the lightweight imagery of the product form, and the initial form scheme was designed by the curve control method based on this relationship; then SolidWorks software was used to optimize the topology, determine the redundant part of material and provide guidance for structure weight reduction; finally, the mapping relationship was combined again to optimize the initial form design and obtain the final design scheme. The protective boot design scheme is evaluated. The simulation results show that the weight of the scheme is reduced by nearly 40%. The evaluation results show that the lightweight imagery is well evaluated, which shows the feasibility of the method and provides a new idea and method for the lightweight design of health care assistive devices.

product design; visual power form; topology optimization; lightweight; health care assistive devices

TB472

A

1001-3563(2023)04-0123-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.04.015

2022–09–29

河北省社會科學基金年度項目（HB20YS003）；福建省社會科學規劃項目（FJ2021CO98）；國家社會科學基金藝術學一般項目（2022BG2082）；國家社會科學基金年度項目藝術學單列學科（2021BG02536）

吳儉濤（1976—）女，博士，教授，主要從事工業產品智能設計方法創新研究。

孫利（1973—），男，博士，教授，主要從事機械裝備產品智能定制設計理論與方法、康養輔具創新設計研究。

責任編輯：馬夢遙