程永勝

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計系，福建 漳州 363105)

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體感交互在自平衡車設(shè)計中的應(yīng)用研究

程永勝

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計系，福建 漳州 363105)

體感交互是繼鼠標(biāo)、多點觸控之后人機交互模式變革的又一個新起點。通過對人體各感官特性的分析，了解人體本能、肢體動作、軀體經(jīng)驗與周邊裝置或環(huán)境的互動方式，并分析在體感交互環(huán)境下如何為用戶帶來良好的體驗感受。同時對自平衡車用戶人群、市場、品牌進(jìn)行調(diào)研分析，挖掘用戶潛在的設(shè)計需求。在此基礎(chǔ)上分析產(chǎn)品的功能和原理，分析用戶操作行為，按照人機交互標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)人機交互流程中的缺陷與不足。通過上述研究，得出影響自平衡車體感交互因素，結(jié)合體感交互設(shè)計理論與自平衡車調(diào)研分析。尋找設(shè)計切入點，歸納得出自平衡車創(chuàng)新設(shè)計目標(biāo)與設(shè)計思路，從外觀特征、操控方式、交互體驗等要素綜合考慮進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

體感交互；自平衡車；用戶體驗；創(chuàng)新設(shè)計

引言

全球能源危機愈演愈烈，發(fā)展低碳經(jīng)濟已成為國內(nèi)外城市經(jīng)濟的主流。伴隨著低碳全球化進(jìn)程，國內(nèi)外城市都在大力發(fā)展低碳型交通，低碳的出行方式是促進(jìn)國家低碳經(jīng)濟發(fā)展、緩解能源危機的最有效方式。嚴(yán)格控制出行過程中各個環(huán)節(jié)的廢氣體排放是低碳交通發(fā)展的關(guān)鍵。提倡轉(zhuǎn)換出行方式、改善交通結(jié)構(gòu)、縮短出行時間提高出行效率，最大程度地降低碳排放是節(jié)省能源、保護(hù)環(huán)境最有效的方法。因此，城市低碳交通的重點應(yīng)放在新型低碳交通工具的研發(fā)與設(shè)計上。

目前，我國城市快速發(fā)展、城市人口不斷增加，對私人交通工具的使用需求也在相應(yīng)地增長。因此，城市環(huán)境污染、交通堵塞等問題也愈演愈烈，傳統(tǒng)的出行方式例如公共交通、私家車的出行效率非常的差。對于公共交通，雖然已經(jīng)有不少的公交線路及軌道交通，但是每逢早晚高峰時段，還是十分的擁擠，這種擁擠的環(huán)境，也成為許多病菌傳播的途徑。對于私家車，其出行成本相對而言又高出許多，并且還要為尋找停車位而苦惱。因此，選擇一種綠色便捷的出行方式是全社會所期盼的，而以輕量化、微型化為設(shè)計思路的小型代步工具，將會成為未來個人代步工具的主要發(fā)展趨勢。

自平衡車因操控簡單、攜帶方便、個性化等方面的優(yōu)勢，逐步走入大眾的生活。同時，由于其環(huán)保節(jié)能的零污染排放，正在成為當(dāng)今綠色環(huán)保的代表。因此自平衡車正在逐漸改變著整個城市交通結(jié)構(gòu)，這將是一場顛覆性的改變。

1 研究內(nèi)容

1.1 研究目的

目前對于自平衡車的研究主要集中在理論和技術(shù)層面上，本論文結(jié)合體感交互理論分析使用者在操控中的本質(zhì)需求，提出新的研究課題。將自平衡車與人機體感交互概念結(jié)合在一起，以用戶與產(chǎn)品為研究核心，分析體感交互技術(shù)理論指導(dǎo)下的自平衡車創(chuàng)新設(shè)計方法，以構(gòu)建自平衡車多層次多感官體感互動為設(shè)計目的。

1.2 研究意義

面對當(dāng)下城市交通現(xiàn)狀，人們的出行方式變得更加多樣化，交通結(jié)構(gòu)變的更加多元化[12]。用戶對代步工具也有了新的認(rèn)識，需求也由之前的單一代步需求，向功能需求多樣化、個性化轉(zhuǎn)變。滿足了消費者心理、社會關(guān)懷、經(jīng)濟地位、社會意識、可持續(xù)發(fā)展等方面內(nèi)容。

1.3 研究方法

為了達(dá)到基于體感交互理念對自平衡車進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計的研究目的，首先，收集體感交互及相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)資料，并對其內(nèi)容進(jìn)行理解分析；其次，對現(xiàn)有自平衡車的現(xiàn)狀和用戶需求進(jìn)行調(diào)研結(jié)果分析，從產(chǎn)品功能、操作方式、外觀設(shè)計等方面作為切入點來研究現(xiàn)有自平衡車設(shè)計的不足之處，并進(jìn)行反向研究設(shè)計；再次，結(jié)合體感交互理論分析自平衡車的本質(zhì)需求，尋找創(chuàng)新突破點，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計；最后，將設(shè)計方案效果展示，并對實物模型進(jìn)行制作與總結(jié)。

2 體感交互與自平衡車的基本概述

2.1 體感交互概述

2.1.1 體感交互簡介

人機體感交互的出現(xiàn)是人與產(chǎn)品交流方式回歸自然的重要體現(xiàn)，產(chǎn)品通過對人體運動信號的捕捉和識別，識別用戶的體感特征和潛在的情感需求。

用戶的體感特征主要體現(xiàn)在：用戶無需使用任何復(fù)雜的控制機器，通過肢體動作與特定姿勢傳達(dá)交互意圖，與周邊的裝置或環(huán)境完成人機信息交流。與傳統(tǒng)鍵盤鼠標(biāo)、多點觸摸交互相比，體感交互擺脫了設(shè)備操作方式的局限性。

用戶的情感需求原則是：隨著人機體感交互技術(shù)的出現(xiàn)，產(chǎn)品不僅僅局限于外觀造型和基礎(chǔ)功能的設(shè)計，還更加注重挖掘用戶的情感需求和操作體驗，構(gòu)建合理有效的交互行為，即用戶情感層面的設(shè)計。

2.1.2 體感交互應(yīng)用

人們最先了解體感交互概念是通過鋼鐵俠系列電影，片中人物通過肢體動作就可以輕松自如地操控鋼鐵盔甲。隨著近幾年體感交互技術(shù)在智能硬件中的廣泛應(yīng)用，電影當(dāng)中的“體感交互”已經(jīng)從科幻走進(jìn)現(xiàn)實。

在日常生活中，我們也越來越多地接觸到體感交互產(chǎn)品。舉一個很簡單的例子：傳統(tǒng)電視的遙控器上布滿了密密麻麻的按鍵，80%的情況下完全用不上，而現(xiàn)在只需要安裝一個體感識別硬件，就可以通過肢體動作進(jìn)行操作，簡化了用戶操控流程，使整個使用過程變得輕松自如、簡單明了。

2.1.3 體感交互數(shù)據(jù)處理流程

用戶動作數(shù)據(jù)的跟蹤識別主要是通過運動傳感器，運動傳感器的功能主要體現(xiàn)在實時采集運動數(shù)據(jù)，并對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)預(yù)處理和傳輸?shù)?。整體交互過程大致為，首先對用戶身體運動數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，并對產(chǎn)品進(jìn)行實時操控，過程如圖1所示。

圖1 體感交互數(shù)據(jù)處理流程
Fig.1 Somatosensory interactive data processing

如上圖所示，體感交互數(shù)據(jù)處理流程模型根據(jù)數(shù)據(jù)信息處理功能的不同分為以下三層：

交互層：用戶對產(chǎn)品下達(dá)操作指令，輸入模塊通過捕捉人體運動數(shù)據(jù)信號，完成用戶和產(chǎn)品的交互行為，這也是體感交互數(shù)據(jù)的第一步流程。輸入模塊主要包括：運動傳感器、觸控屏幕、鍵盤鼠標(biāo)、語音識別、三維攝像頭等。捕捉到的人體運動數(shù)據(jù)直接輸入到數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。例如運動的軌跡，速度，頻率、提取特征，方便進(jìn)行識別模塊或者其他相關(guān)模塊使用。輸出模塊主要是將輸出信息轉(zhuǎn)化為用戶可以直接感知的圖形，聲音或者是虛擬化的動作或命令。

表示層：行為識別模塊負(fù)責(zé)將獲取到的人體運動數(shù)據(jù)精煉提取和分類識別，轉(zhuǎn)換為可視化、虛擬化、情感化等體感交互信息。匯總的這些交互信息最終都會通過產(chǎn)品的交互模塊展示給用戶。為了提高體感交互的人性化和智能化，表現(xiàn)層的形式需盡可能地多元化，且整合的信息要簡單明了，交互形式更加靈活化。

體驗層：體驗層主要針對人體運動數(shù)據(jù)的整理、傳輸、模擬、表達(dá)，是整個體感交互系統(tǒng)中唯一可以與用戶接觸的層面。同時體驗層還擔(dān)負(fù)著處理交互層和表示層之間的協(xié)調(diào)工作，通過將輸入和數(shù)據(jù)處理模塊、輸出模塊、交互模塊整合在一起，提高產(chǎn)品虛擬化與智能化，以提高交互流程的智能流暢。隨著體感計算系統(tǒng)對體感交互處理流程的優(yōu)化，分析處理數(shù)據(jù)能力的提升，交互方式也將變得越來越簡單化，操作方式也更加自然。

2.2 自平衡車概述

2.2.1 自平衡車簡介

自平衡車又被稱作體感車、思維車、攝位車等。自平衡車工作原理是利用車體內(nèi)部的陀螺儀和加速度傳感器，檢測使用者身體姿態(tài)的變化，并通過控制系統(tǒng)對驅(qū)動電機進(jìn)行精確的調(diào)整，以保持自平衡車平穩(wěn)行駛。

2.2.2 自平衡車分類

按照自平衡車的使用方式的不同，主要分為雙輪自平衡車、獨輪自平衡車和滑板自平衡車三種。獨輪自平衡車自身穩(wěn)定性較差、操控難度較高，因此對用戶的平衡能力要求較高，且安全性差，但其售價為三者中最低。而雙輪自平衡車則需要雙套電機和電池，這也決定其售價最高，但易操作，安全性高?；遘嚨淖陨矸€(wěn)定性本身比較強，滑行速度快并且行駛自如，使得此類型的自平衡車更加富有動感和便捷性。自平衡車分類如圖2-2所示。

圖2 自平衡車分類Fig.2 Self-balancing vehicle classification

2.2.3 自平衡車操控方式分析

基于體感交互的設(shè)計理念可知，操控方式是自平衡車設(shè)計的主要設(shè)計點。下面對自平衡車的操控方式進(jìn)行詳細(xì)分析。

(1)操作方式個體性體現(xiàn)

由于用戶個體之間存在著差異化，包括特殊的身體機能和身體語言，如身高、體重、力量、平衡度、敏捷度、韌度和速度等。因而，在其與外界交流互動的方式上，例如對自平衡車的操作過程也會顯示出差異性?；诖耍趥€性化的行為交互設(shè)計中，著重于設(shè)計能夠滿足用戶自身操作效果和軀體經(jīng)驗的個性化屬性與個性化功能，其表現(xiàn)為：智能化定位和識別用戶，跟蹤用戶肢體動作，同時設(shè)定自平衡車的基本參數(shù)，行駛速度和傾斜角度等參數(shù)，從而，實現(xiàn)操控方式的個體性體現(xiàn)。

(2)操作方式多樣性體現(xiàn)

首先用戶需要與自平衡車構(gòu)建特定的體感交互語境，當(dāng)用戶通過指定的肢體動作和特定姿勢，傳達(dá)操作行為、交互意圖，實現(xiàn)與產(chǎn)品交互過程體驗性的認(rèn)識。

創(chuàng)造性體驗是將用戶的各種身體感官行為和意識形態(tài)相融合，在用戶主動探索充分認(rèn)知和熟練操作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行創(chuàng)造性的體驗。當(dāng)用戶可以游刃有余對設(shè)備進(jìn)行操控之后，就會對產(chǎn)品進(jìn)行新的探索，這樣就會產(chǎn)生設(shè)備的升級換代，滿足客戶潛在的心理需求。

(3)操作方式的情感性體現(xiàn)

用戶的情感會直接影響操作行為，當(dāng)用戶在操作產(chǎn)品過程中感到不適時，產(chǎn)品自身并不能很好地解決。因此構(gòu)建智能的人機交互模式，即讓產(chǎn)品擁有情感感知力，讓整個操作過程流暢，讓機器富有情感，仍是目前研究的重點。創(chuàng)造一種能夠感知、識別和理解用戶情感的實時反饋交互系統(tǒng)，就需要不斷地提高產(chǎn)品對用戶的情感識別。目前，已有很多新的識別方法，如壓力感知識別、姿勢運動識別等來滿足這一需求。

(4)操作方式安全性體現(xiàn)

自平衡車和其他交通工具的制動方式不同，其需要依靠用戶自身的肢體動作來控制自平衡車的行駛與停止。如果操作失誤，很容易發(fā)生意外。而在馬路上行駛時，如遇突發(fā)情況，則容易手忙腳亂，后果不堪設(shè)想。因此安全出行是自平衡車操作首先需要關(guān)注的問題。現(xiàn)在市場上的自平衡車?yán)脛討B(tài)穩(wěn)定原理，除了實現(xiàn)前后方向的自平衡，也為使用者提供了限速保護(hù)，將行駛速度控制在最安全的范圍之內(nèi)，保證使用者的安全行駛。

3 基于體感交互的自平衡車設(shè)計目標(biāo)與思路

3.1基于體感交互的自平衡車設(shè)計目標(biāo)

設(shè)計目標(biāo)就是從產(chǎn)品的外觀特征、操控方式、交互體驗入手，不斷對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化完善、創(chuàng)新設(shè)計，從而滿足用戶與產(chǎn)品之間交流的情感化需求。其中，對產(chǎn)品操控方式的設(shè)計是體感交互設(shè)計中最重要最核心的部分。

(1)外觀特征：通過前期的調(diào)研總結(jié)，首先應(yīng)該考慮確定自平衡車外觀設(shè)計風(fēng)格和設(shè)計元素，通過反復(fù)推敲、組合探尋可以引起用戶視覺效果共鳴的產(chǎn)品外觀特征。研究色彩和材質(zhì)與整體造型的搭配，設(shè)計出富有視覺情感的作品。同時為產(chǎn)品創(chuàng)造簡易小巧攜帶方便、新穎獨特的視覺形象，有助于形成親和、友好的視覺效果。

(2)操控方式：首先需要理解用戶動作操作行為的功能意義、用戶的操作習(xí)慣和軀體經(jīng)驗，從而設(shè)計出用戶易學(xué)、易懂、流暢和不易疲勞的自然操作行為。同時，要在產(chǎn)品的智能化功能上進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計，實現(xiàn)用戶和自平衡車以及交通環(huán)境系統(tǒng)三者之間的和諧，從而為用戶帶來更加便利舒適的操控體驗和情感反饋。

(3)交互體驗：在設(shè)計過程中要經(jīng)常與用戶進(jìn)行溝通，分析總結(jié)用戶對產(chǎn)品的本質(zhì)需求。設(shè)計合理有效的體感交互功能，使用戶在與自平衡車長期互動的過程中，對用戶操作行為進(jìn)行積極回應(yīng)。保持用戶與產(chǎn)品的良好溝通，更容易為用戶帶來良好的交互體驗。

3.2 基于體感交互的自平衡車設(shè)計思路

在進(jìn)行設(shè)計前，首先要明確自平衡車設(shè)計思路，從以下的幾個創(chuàng)新點去進(jìn)行設(shè)計。

體感信息獲?。簽榱双@取用戶詳細(xì)的運動數(shù)據(jù)，保障行駛過程的安全性和穩(wěn)定性。通過重力感應(yīng)技術(shù)，當(dāng)人體站立在自平衡車上面時，自平衡會獲取到操作者的詳細(xì)數(shù)據(jù)，通過對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)定針對使用者的個性化自平衡車操作程序。

功能模塊化：自平衡車的實用性、靈活性以及便攜性是設(shè)計創(chuàng)新的重點。模塊化設(shè)計可以將自平衡車功能進(jìn)行拆分和組合，單獨模塊是整個產(chǎn)品功能的重要組成部分，組合模塊可以實現(xiàn)功能的最大化。

無線充電模塊：自平衡車?yán)m(xù)航能力是影響用戶體驗的重要因素之一。因此在構(gòu)思自平衡車設(shè)計之初，可以設(shè)想一套完善的充電裝置來彌補這一短板，期望達(dá)到自平衡車無意識充電的目的。當(dāng)自平衡車停在固定的位置時，地下的無線充電裝置就會為其充電，當(dāng)充電完成時它也會通過手機APP來提醒用戶充電完成。由于自平衡車可以拆分與組合，因此如何實現(xiàn)車輪和主體模塊之間便捷的鏈接、高效的充電方式是設(shè)計的重點。

操縱桿結(jié)構(gòu)：由于使用者的個體特征不同，因此操縱桿的可調(diào)節(jié)性是非常重要的。主流的操縱桿連接方式為上下伸縮結(jié)構(gòu)，但傳統(tǒng)的伸縮結(jié)構(gòu)只可以調(diào)節(jié)操縱桿的長短，并不能在操縱過程中根據(jù)人體的運動軌跡左右活動。因此在操縱桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，在保留其上下伸縮的傳統(tǒng)功能的同時，更應(yīng)注重其左右搖擺的創(chuàng)新功能的設(shè)計。

降低制作成本：上文提到過目前自平衡車價格普遍偏高，性價比低。這直接影響用戶的購買行為，因此在設(shè)計中應(yīng)注重有效地降低成本，盡量削減價格偏高帶來的負(fù)面影響。影響產(chǎn)品成本的主要因素是材質(zhì)、工藝、結(jié)構(gòu)以及銷售，從造型形態(tài)上考慮，必須選取合理的造型形態(tài)，以便后期生產(chǎn)制造以及用戶操作。同時，也應(yīng)注重貼近市場，通過用戶的市場反饋，進(jìn)一步了解市場以及用戶的需求，從而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計。

4 結(jié)論

文章通過對當(dāng)前自平衡車發(fā)展現(xiàn)狀和存在問題進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)以輕量化、微型化為設(shè)計思路的自平衡車，將會成為未來個人代步工具的主要發(fā)展趨勢。

但當(dāng)前自平衡車行業(yè)發(fā)展還不夠完善，國內(nèi)針對自平衡車設(shè)計領(lǐng)域研究幾乎為空白。操控性、安全性、便攜性以及續(xù)航性都是制約自平衡車發(fā)展所面臨的嚴(yán)峻問題。 在設(shè)計方面主要以體感交互結(jié)合用戶操控需求設(shè)計自平衡車的外觀造型，同時加入其他因素考慮，如成本、材料、工藝等，把握設(shè)計平衡點。在體感交互方式上，用戶可用性和易操作性需要進(jìn)一步提高，使人機交互更加友好，從而提高設(shè)計效率。限于個人能力，有些問題研究得尚不夠深入，且自平衡車操控性還需要進(jìn)一步提高使用戶擁有更好的產(chǎn)品體驗，后續(xù)還需進(jìn)行深入探索研究。

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Somatosensory interaction in the application of self balancing car design research

CHENG Yong-sheng

(Xiamen University Tan Kah Kee College, Art and Design, Zhangzhou City, Fujian Province ,363105,China)

Somatosensory interaction is following the mouse, multi-touch man-machine interaction pattern of change and a new starting point. Through the analysis of the characteristics of the human body each sensory understanding human instinct, body movements, body experience interact with peripheral device or the environment, and analysis in the body feeling interaction environment how to bring good experience for the user. To self balancing car user groups at the same time, market, brand research analysis, mining the design of the potential customers' needs. On the basis of the understanding of user needs analysis principle and the function of the product, analysis of user behavior operation, according to the standard, human-computer interaction analysis summarizes the defects and deficiencies of the human-computer interaction process.Through the above analysis, it is concluded that the factors affecting self balancing the body feeling interaction, combination feeling self balancing car research analysis and the theory of interaction design. Entry point for design, summarized from the balanced car innovation design target and design ideas, from the appearance characteristics, control mode, the interaction experience elements such as comprehensive consideration for innovative design.

somatosensory interaction; self-balancing vehicle; user experience; innovative design

2016-05-19

程永勝(1990-)，男，山西大同人，助教、碩士。主要研究方向：概念交通工具設(shè)計。

TB21

A

1673-6125(2016)03-0033-05