陳緒才，楊 彥，王旭超，楊正元

（上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072）

0 引言

自法國人西夫拉克（Comte de Sivrac）1791年發(fā)明首輛木制結(jié)構(gòu)的前后兩輪結(jié)構(gòu)代步器（英語命名為bicycle；我國一般稱為自行車）[1]以來，這種最早為載人運物功用的機械裝置，逐漸在交通、代步（主要服務(wù)于老年和殘障人士）、康復(fù)、健身、載重、娛樂、體育、童車等許多行業(yè)得到廣泛的推廣和應(yīng)用[2]。當(dāng)今社會大力提倡節(jié)能、環(huán)保和健康，以人力作為驅(qū)動力的代步工具不僅不會被淘汰

新型代步器是代步器中內(nèi)容最豐富、最深刻、最前衛(wèi)、最能代表科技發(fā)展和設(shè)計水平的代步器。新型代步器的展示，是各大公司借以展示其科技實力和設(shè)計觀念的最重要的方式。而概念設(shè)計在新型代步器開發(fā)中起著舉足輕重的作用： ①探討、預(yù)測、反映未來代步器產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的發(fā)展趨勢；②縮短新型代步器產(chǎn)品設(shè)計周期、節(jié)約成本；③促進(jìn)代步器行業(yè)內(nèi)企業(yè)間的良性競爭，引領(lǐng)和引導(dǎo)代步器市場的發(fā)展。新型代步器的推出往往是代步器企業(yè)引以為自豪的理念，其研究與開發(fā)往往都伴隨著新技術(shù)和新材料的使用，帶有一定的前瞻性，預(yù)示著一個新的發(fā)展階段和開端。

設(shè)計人員在概念設(shè)計理論的指導(dǎo)下進(jìn)行設(shè)計，可提高工作效率，縮短開發(fā)時間，提高產(chǎn)品的性能，能夠更好地滿足用戶的需求。只有最大限度的滿足用戶需求的產(chǎn)品和企業(yè)才能在市場競爭中取得勝利。隨著市場競爭的日漸激烈，概念設(shè)計越來越受到重視。

1 代步器概念設(shè)計的基本要素

代步器的功能、造型和技術(shù)條件，是其設(shè)計的三大基本要素。功能是指產(chǎn)品所具有的某種特定功效和性能。造型是產(chǎn)品的實體形態(tài)，是功能的表現(xiàn)形式。產(chǎn)品功能的實現(xiàn)和造型的確立需要材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計等，這些被稱為技術(shù)條件。圖1 詳細(xì)列舉了新型代步器概念設(shè)計的基本要素。包括功能、造型和技術(shù)條件三大基本要素的設(shè)計都需要一定的設(shè)計原則的支撐下進(jìn)行設(shè)計。

圖1 新型代步器概念設(shè)計的基本要素Fig.1 The new moving-assistant devices concept design elements

2 新型代步器概念設(shè)計原則

2.1 人機交互原則

隨著工業(yè)社會的進(jìn)步，產(chǎn)品的人機交互方式也不再局限在單一的范圍內(nèi)。近百年來，自行車的形態(tài)基本上呈三角形，而隨著碳纖維加強玻璃鋼合成材料的出現(xiàn)，徹底改變了傳統(tǒng)的三角形框架，許多異形車架的設(shè)計不斷涌現(xiàn)。隨之而來的人機交互的新方式是設(shè)計的必然趨勢。在代步器設(shè)計中，人機交互的方式可分為兩大類：

（1）控制驅(qū)動方式的人機交互。代步器的功能可以歸結(jié)為： 控制方向和動力驅(qū)動，以此推廣，代步器與人的主要關(guān)聯(lián)在于人的上肢（手）、下肢（腳）與代步器的交互關(guān)系。表1 列舉了不同的驅(qū)控操作與手腳的組合關(guān)系及其特點。

（2）操作姿態(tài)的人機交互。驅(qū)控方式的不同，也會影響操作者的使用姿態(tài)，而不同的使用姿態(tài)會帶給用戶不一樣的驅(qū)控體驗，操作姿態(tài)的人機交互新方式，也是在設(shè)計時所需探討的要素之一。綜合而言，有以下幾種交互方式的操作姿態(tài)： ①坐姿操作，從人機交互學(xué)的角度出發(fā)，進(jìn)行正確操作姿態(tài)的設(shè)計，是使代步器具有良好坐姿舒適性、操作舒適性和安全性的必要手段；②站姿操作，站姿操作的代步器產(chǎn)品一般為青少年設(shè)計開發(fā)，具有運動健身娛樂的功能，適合在戶外運動的場合。

表1 控制與驅(qū)動方式的不同組合Tab.1 The different combination of controlling and driving

2.2 產(chǎn)品語義學(xué)原則

在代步器的結(jié)構(gòu)特征中，主要涉及以下幾個方面的語義認(rèn)知： ①隨著科技的發(fā)展，自行車的外形也會隨之發(fā)生了重大的變化。不同的車架結(jié)構(gòu)從一定程度上可以說直接影響了整個自行車的形態(tài)，隨之也聯(lián)系了用戶的視覺以及情感認(rèn)知；②車輪數(shù)量及其排布隨著新型代步器的不斷涌現(xiàn)，其輪子的數(shù)量不再局限于兩個（以常用的自行車為參考）。單輪和惰輪式的代步器也是新型代步器產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，一般而言，不同數(shù)量的輪子會給消費者不一樣的語義認(rèn)知。

2.3 美學(xué)原則

產(chǎn)品視覺形象的創(chuàng)造主要有兩個方面的內(nèi)容： 一是產(chǎn)品形態(tài)的設(shè)計；二是產(chǎn)品色彩的設(shè)計。代步器的概念設(shè)計必須在表現(xiàn)產(chǎn)品功能的前提下，在合理充分運用物質(zhì)技術(shù)條件的同時，充分地把美學(xué)藝術(shù)內(nèi)容和處理手法融合在整個產(chǎn)品概念設(shè)計中，充分利用現(xiàn)代材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方法體現(xiàn)產(chǎn)品的形態(tài)美、色彩美等。

3 基于概念設(shè)計的新型代步器的開發(fā)

對于代步器來說，與人生活息息相關(guān)，其開發(fā)的主要流程更注重與 “人” 的交互與關(guān)聯(lián)。將概念設(shè)計應(yīng)用到新型代步器產(chǎn)品的開發(fā)中來，通過對工業(yè)設(shè)計、概念設(shè)計、產(chǎn)品知識庫之間的關(guān)系及其相關(guān)概念的探討，以代步器概念設(shè)計的基本要素為基礎(chǔ)，結(jié)合新型代步器產(chǎn)品的概念設(shè)計原則即： ①人機交互原則；②產(chǎn)品語義原則；③美學(xué)原則。開發(fā)一款具體功能為全新概念的代步器—手驅(qū)腳控集成式老年代步器，如圖2 所示突破傳統(tǒng)代步器的操作形式，改變了消費者習(xí)慣性通過手控制方向的思維，一定程度上對開發(fā)人的大腦以及延緩大腦的衰老有積極的作用[3]。

圖2 手驅(qū)腳控集成式老年代步器Fig.2 Hand driving and foot controlling integrated elderly moving-assistant device

4 概念設(shè)計在新型代步器設(shè)計中的應(yīng)用實踐

4.1 代步器的交互性

（1）控制驅(qū)動方式：摒棄了傳統(tǒng)的腳驅(qū)動手控制的交互方式，采用全新手驅(qū)動腳控制的逆向思維，在實現(xiàn)代步功能的同時，改變了老年人的思維運動模式，從而在身心兩方面得到了鍛煉。

（2）可調(diào)節(jié)座椅：在座椅的設(shè)計上，考慮到男女老年人的差異性，座椅可以實現(xiàn)前后以及上下的調(diào)節(jié)，從而保證了大部分用戶使用的舒適性。除此之外，座椅的可調(diào)節(jié)也方便了代步器的收納，保證了空間的最佳利用。

圖3 代步器的交互性Fig.3 Human-machine interaction modes of Move-assistant device

4.2 代步器的功能性

（1）折疊式兩用坐墊： 在方形坐墊翻起時成為背靠，作為老年人騎行時后背的一個支撐，一定程度上舒緩了腰部的壓力。在方形坐墊翻下時，作為一個載人坐墊，可以方便他人的乘坐。雙人乘坐的形式從中程度上也增加了此款代步器的趣味性，增進(jìn)了人與人之間的互動。

（2）手推車功能：此款代步器后部為一個“Y”形車架，搭配推桿可以作為手推車使用。此外，在外出時若遇騎行者體力有限時，他人可以通過推桿助力，同時也增進(jìn)了人與人之間的情感。

圖4 折疊式兩用坐墊手推車Fig.4 Folding dual-purpose type Move-assistant device

4.3 代步器的美觀性

（1）線條簡潔：此款老年代步器大部分采用了直線以及折線，給人一種簡潔有力的感覺。局部采用了曲線，柔化了強硬的視覺效果，同時與輪子等曲線相呼應(yīng)，在設(shè)計上體現(xiàn)出整體性。

（2）色彩清新干凈：傳統(tǒng)老年人產(chǎn)品色彩偏向質(zhì)樸渾厚以體現(xiàn)品質(zhì)，而此款代步器則采用了白色以及草綠色，一是與環(huán)境顏色（白云以及青草）相映襯，二是白色以及綠色的搭配表現(xiàn)出一種活力，拉近了老年人與年輕人的產(chǎn)品差距，從色彩上向老年人提供了一種減齡的心理暗示。

4.4 代步器的技術(shù)性

此款新型代步器突破傳統(tǒng)前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動的方式，實現(xiàn)前輪兼具驅(qū)動及轉(zhuǎn)向功能。全新的驅(qū)控方式，使得驅(qū)動轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)緊湊，便于一體化設(shè)計，同時采用錐齒輪傳動方式解決了驅(qū)動與轉(zhuǎn)向互相干涉的問題。

圖5 新型代步器傳動原理簡圖Fig.5 The transmission principle of new Move-assistant device

除了傳統(tǒng)自行車所采用的鏈傳動方式以外，還結(jié)合了錐齒輪傳動方式。具體的傳動原理如圖5 所示。當(dāng)操作者搖動手柄時，帶動鏈輪Ⅰ轉(zhuǎn)動，通過鏈條傳到轉(zhuǎn)動力到鏈輪Ⅱ，并通過同軸錐齒輪①驅(qū)動從動錐齒輪②轉(zhuǎn)動，并帶動錐齒輪③同向旋轉(zhuǎn)，錐齒輪③驅(qū)動錐齒輪④轉(zhuǎn)動，并通過同軸鏈輪Ⅲ驅(qū)動鏈條使鏈輪Ⅳ旋轉(zhuǎn)，從而帶動前輪轉(zhuǎn)動。

在代步器的設(shè)計中，鏈輪Ⅰ為49 齒，鏈輪Ⅱ為14齒，鏈輪Ⅲ以及鏈輪Ⅳ都為14 齒。四個錐齒輪齒數(shù)相同。則齒輪比為： G=C/F=49/14=3.5，也就是說輪盤搖動一圈，鏈輪Ⅳ轉(zhuǎn)動3 圈半。前輪直徑為12 寸，即可求出傳動比： D=C/F×B=49/14×12=3.5×12=42。則傳動行程M= C/F×B×π=D×π=42π≈131.88 英寸。以1 英寸=2.54厘米換算，則傳動行程M=131.88×2.54=334.9752 厘米。

以上數(shù)據(jù)是人搖動代步器輪盤一周，車子向前行進(jìn)約335 厘米，即3.35 米。

可以說，此款代步器提供給老年人的不僅僅是一種代步形式，更多的是一種心理狀態(tài)的改變以及生活方式的優(yōu)化。

5 總結(jié)

產(chǎn)品開發(fā)中創(chuàng)新設(shè)計的影響力日益突顯，而產(chǎn)品創(chuàng)新的核心是產(chǎn)品概念設(shè)計，對產(chǎn)品設(shè)計有著十分重要的影響。將概念設(shè)計原則方法在新型代步器設(shè)計案例中進(jìn)行運用，以創(chuàng)新的思維方式來詮釋未來代步器的個性化需求，使其具有獨特的核心優(yōu)勢，這些優(yōu)勢可能體現(xiàn)在技術(shù)方面，例如采用新技術(shù)和材料；也可能體現(xiàn)在造型方面，例如使代步工具更具美學(xué)的藝術(shù)感；還可能體現(xiàn)在制造工藝或成本方面，反映出設(shè)計的綜合性。因此，概念設(shè)計在代步器新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用研究，是一個具有廣闊開發(fā)空間和設(shè)計意義的領(lǐng)域，同樣具有巨大的市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[1] 虞世鳴.面向發(fā)明專利特質(zhì)的新型代步器體系開發(fā)[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012，3.

[2] Herlihy，David V.Bicycle:the history[M].USA:Yale University Press，2004.

[3] 楊彥，虞世鳴，胡雯婷.手驅(qū)動前輪腳控制前輪代步器[P].受理號：中國發(fā)明專利：201410147324.8.

[4] 溫永濤，虞世鳴，劉相龍，等.手驅(qū)動腳控制兩輪自行車[P].中國發(fā)明專利：ZL201310215249.X，20130603.

[5] 楊琦.自行車創(chuàng)新設(shè)計的仿真研究及其實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2000，6.

[6] 陳緒才，虞世鳴，溫永濤，等.手驅(qū)動前輪腳控制后輪二輪自行車[P].中國發(fā)明專利：201310273349.8.

[7] 虞世鳴.產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.

[8] 王震亞，劉和山.談人機交互原理在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用[J].工程圖學(xué)學(xué)報，2009，2.