机电类产品造型设计研究

摘要：为了进一步完善机电类产品的造型设计，改善目前机电类产品的造型设计只注重研究功能结构和仿生，不注重人机交互性的产品造型设计以及缺乏用户感性意向的现状，本文从人机工程学为主要研究方向，分析了数控机床仿真设备的功能、材料与工艺，通过以数控机床仿真设备造型设计为出发点的实际设计案例，完善了机电类产品设计过程中缺少人机交互因素的造型设计，提出了基于人机交互导向下机电类产品造型设计的设计关键点。

关键词：机电类产品；数控机床模拟机；产品造型设计；人机交互

自1989年在日本东京召开的第一届国际先进机电一体化学术会议，各国政府都开始有计划的推动和发展机电一体化技术和产品[1]，从此机电类产品开始向纵深发展。各国对机电类产品的研究方向也不尽相同，国外以欧洲国家为首，多数以电子及控制理论为研究出发点；国内学者则从现代机构学的角度出发[2]，鲜少有研究产品造型方向，因此提出以人机交互的视角去研究机电类产品是具有创新性的。

1人机交互的定义

人机交互又称人机互动（简称HCI或HMI），是指人与计算机相互沟通的信息交换的互动方式，良好的人机交互方式能够显著提升用户输出命令和接受信息的效率。它与认知学、人机工程学、心理学等学科领域有密切的联系。通过运用计算机技术，运用有效的方式实现人与计算机的相互对话，主要由信息输入和信息输出两个过程组成，信息输入是指计算机操控人员将使用者的想法、需求转化成为计算机能够识别的计算命令传递给计算机的CPU，信息输出是指计算机CPU将计算结果转化成计算机操控人员能够识别的信息。人机界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介，是计算机系统的重要组成部分，它将机器信息的内部形式与人类能够接受的形式之间进行互相转换。

2我国机电类产品发展现状

机电产品是将机械系统各微电子系统有机结合的产品[3]，目前机电产品作为企业生产的主要工具，具有强烈的技术性，是企业非常关注的一类器械产品，广泛应用于制造业、农业、交通运输业等行业，机电类产品的发展呈现轻体量、高精度、一体化和智能化趋势，现已发展成为现代社会进步与经济发展中举足轻重的地位，总之，机电类产品的开发既是振兴传统行业的新鲜血液，又是开启我国机电行业产品结构调整的钥匙。机电类产品在我国发展历史较短，直到近几年我国机电类产品才摆脱进口其他发达国家核心技术及零件的被动地位，机电类产品的技术应用也开始逐渐达到世界领先的地位，目前我国与机电产品先进的技术应用相反的是机电产品的造型外观设计，由于我国特殊的近代历史以及复杂的社会经济原因，我国机电产品的造型外观设计仍然停留在单一的外观设计方面，仅仅从外表上模仿其他国家的机电产品[4]，鲜少有能够融合人机工程学、产品语义学、系统设计和感性工学等工业产品外观设计方法的设计方案，对于产品全周期设计的连续性没有深刻的理解，产品的设计研发全周期往往被割裂为几个部分，这使得产品在感性消费的社会中处于不利地位，因此机电类产品的开发不应该仅仅局限于技术研发，也应该融入使用者的感受和需求[5]。

3人机交互在机电产品造型设计中的具体运用

3.1人机交互导向下机电类产品造型设计的基本原则。第一，造型及色彩设计应满足产品功能要求。机电类产品的整体设计首先需要满足产品的使用功能，使用方式的人性化、内部结构的科学化、生产成本的合理化应当引导产品的外观设计，同时产品的色彩不仅具备审美性和装饰性，还具备一定的功能性，色彩同时可以传递信息，表达象征意义，产品色彩带给使用者的色觉疲劳度、警惕性、有效性、安全性、经济型和审美性等特殊感受是不可替代的[6]，因此机电类产品的造型设计应在此基础上展开造型设计及色彩设计。第二，造型设计应全面考虑形体的结构、材料、工艺等条件。机电类产品的外观造型应充分考虑核心结构，在不影响核心结构的前提下还应考虑到形体外部的结构、材料、加工工艺等，并以此表达现代机械产品的特点和时代美感。产品形态的外部结构需要多学科结合，设计师应当与工程师、手工匠人和加工工人等人群探讨研究产品形态、材料、加工工艺的设计边线，并依据此完成产品的设计。第三，整体造型应清晰，各部件的层次分明。机电类产品的整体造型应有明确的功能分区，且充分考虑各部分的均衡、稳定和比例协调关系，尽量取得形体相好的整体视觉效果。避免因功能分区导致的操作使用不便，同时避免功能分区过硬导致产品缺乏人情味，应在理性结构与感性造型之间寻找平衡点，通过设计产品的功能分区优化产品使用流程。第四，注意“人——机”关系的协调。机电类产品的造型设计应考虑到“人”与产品的关系，这里的“人”也应包括产品全生命周期中所有与产品发生互动的人，包括生产者、营销者、回收者等，但对于机电类产品，使用者应放在首要考虑地位，人机交互应在设计的过程中为各个要素以及整体的造型给予理论上的指导。在设计时，应选定特定的使用人群，特定的使用环境，应用人机交互指导产品的设计，通过优化使用者在使用产品过程中的操作体验。第五，操作面板等信息传达位置设计要醒目、形象且配置得当。由于操作界面作为使用者与产品的主要互动载体，在产品整体系统中担当着重要角色，操作界面的位置、角度、方向、操作方式都影响着使用者通过操作界面这个局部对整体的认知。而名牌、商标、提示信息、使用说明等信息传达部位要醒目、形象，尽量用更多的意向性符号代替文字，且符号应易于辨认。3.2基于人机交互导向下的数控机床模拟机设计要点解析。数控机床模拟机是为数控机床加工初学者（多为在校大学生）提供一个真实的数控操作虚拟环境，能够通过内部系统完成数控系统的教学实训，与数控机床相比较低的价格和较轻巧的机身帮助数控加工初学者更便捷地熟悉数控加工过程，同时将机床虚拟化、数字化和人性化，降低数控机床加工实训环节出事故的概率，解决机床损耗严重等问题。传统数控机床模拟机通常由实训台和二坐标组成，由于采用开放式结构和模块化设计，暴露在外的电线过多，很容易发生触电事件，对使用者的安全造成威胁；实训台作为教学用具，造型笨重，体积过大，一般教室不足以拜访多台设备，影响教学质量；二坐标平台虽然具有较高的定位精度，但是仍然不能完全还原机床的运行状态；由于传统数控机床模拟机的造型设计为分体式，因此搬运和安装都具有一定操作难度。而人机交互导向下的数控机床模拟机则简化为一体机，主要使用区域由显示屏、操控界面组成，将输入命令设备与输出信息设备整合到一起，通过对产品造型进行设计，改善了使用者与产品之间的关系，优化了操作流程，为机电类产品未来的外观设计做出积极的探索。第一，人际交互导向下的数控机床模拟机（以下简称模拟机）造型以人机交互为导向，对模拟机外观造型进行设计，重新设计了显示屏、操控界面、内部机电装置、搬运把手和通电插口的位置，使使用者与模拟机的互动更加人性化。色彩以灰白色为主基调，加入黑色和橙色为辅助色，由于灰白色为主基调，产品展现出清新明亮的视觉效果，黑色和橙色的出现则为产品带来工业风格和机械产品的感情意向认知，同时打破了传统机电产品沉闷的感觉，改变了人们对工业化产品的整体印象。第二，模拟机机身的外扩式设计使机身的内部形成更大的空间，为内部硬件的组装提供空间，同时，避免了由于传统数控机床模拟机实训台与二坐标位置、高度不同导致在实训台操作后不能即时观察二坐标运动过程的问题。设计后的显示屏在操作面板的正上方，使用者在操作面板执行操作命令后，会无意识抬头，在显示屏中获取命令输出结果，完成信息的瞬时传播，即机床运行状态的改变，这是造型结构对功能分区的改进，使用户无意识的形成更舒适、更高效、更秩序化的人机交互过程。第三，模拟机的整体造型功能分区明确，通过对传统数控机床模拟机的功能模块进行重新划分，重新划分后的显示区和控制区通过不同倾斜角度的大体快区分使使用者轻松对模拟机的使用方式有整体认知；机身壳体的形状特征与内部显示区和控制区形成的倾斜角度的形状特征形成呼应，增强了模拟机的整体性，且外扩式的机身设计使产品造型更加稳重，符合人对工业产品的传统印象。第四，显示屏与水平面夹角为95°，钝角的设计降低了使用者在使用过程中对脖颈的损耗，同时，减少屏幕反光对使用者造成的不便，优化了使用者的使用体验感；模拟机两侧的底部均设有内凹把手，方便使用者对模拟机进行搬运；显示屏能够实现操作指令的瞬间可视化，真实模拟使用者执行操控指令下机床的运行状态，改善了传统模拟机信息传递具有延迟的缺点。第五，操作界面位于产品的中间偏下的位置，且与水平面呈54°夹角，平缓的倾斜角度想较于传统模拟机床垂直于地面的操作界面，设计后的操作界面更加符合使用者在坐姿的使用；另外，操作面板可以通过更换模板实现不同系统的转换，以满足不同人群对不同学习目标的要求；机身正面下部具有产品品牌，有利于该模拟机的企业树立企业形象识别系统；机身侧面贴有产品的介绍说明，便于初次使用模拟机的使用者进行操控使用。

4结语

人机交互是未来产品中不可或缺的设计因素，将人机交互融入到产品中，完善结构，优化造型，利用产品的设计引导产品目标客户的操作使用方式，使产品的目标客户在潜移默化中形成自然舒适、秩序且高效的使用方式，并对产品的整体形态有正确的主观认知。在数控机床模拟机的造型设计中，通过应用人机交互设计形成正确的隐性操作流程，是人机交互导向下数控机床模拟机造型设计成功的关键。

作者:杨岩 常瑜 王一默 单位:天津商业大学艺术学院