体感交互在自平衡车设计中的应用研究

程永胜

(厦门大学嘉庚学院 艺术设计系，福建 漳州 363105)



体感交互在自平衡车设计中的应用研究

程永胜

(厦门大学嘉庚学院 艺术设计系，福建 漳州 363105)

体感交互是继鼠标、多点触控之后人机交互模式变革的又一个新起点。通过对人体各感官特性的分析，了解人体本能、肢体动作、躯体经验与周边装置或环境的互动方式，并分析在体感交互环境下如何为用户带来良好的体验感受。同时对自平衡车用户人群、市场、品牌进行调研分析，挖掘用户潜在的设计需求。在此基础上分析产品的功能和原理，分析用户操作行为，按照人机交互标准，总结人机交互流程中的缺陷与不足。通过上述研究，得出影响自平衡车体感交互因素，结合体感交互设计理论与自平衡车调研分析。寻找设计切入点，归纳得出自平衡车创新设计目标与设计思路，从外观特征、操控方式、交互体验等要素综合考虑进行创新设计。

体感交互；自平衡车；用户体验；创新设计

引言

全球能源危机愈演愈烈，发展低碳经济已成为国内外城市经济的主流。伴随着低碳全球化进程，国内外城市都在大力发展低碳型交通，低碳的出行方式是促进国家低碳经济发展、缓解能源危机的最有效方式。严格控制出行过程中各个环节的废气体排放是低碳交通发展的关键。提倡转换出行方式、改善交通结构、缩短出行时间提高出行效率，最大程度地降低碳排放是节省能源、保护环境最有效的方法。因此，城市低碳交通的重点应放在新型低碳交通工具的研发与设计上。

目前，我国城市快速发展、城市人口不断增加，对私人交通工具的使用需求也在相应地增长。因此，城市环境污染、交通堵塞等问题也愈演愈烈，传统的出行方式例如公共交通、私家车的出行效率非常的差。对于公共交通，虽然已经有不少的公交线路及轨道交通，但是每逢早晚高峰时段，还是十分的拥挤，这种拥挤的环境，也成为许多病菌传播的途径。对于私家车，其出行成本相对而言又高出许多，并且还要为寻找停车位而苦恼。因此，选择一种绿色便捷的出行方式是全社会所期盼的，而以轻量化、微型化为设计思路的小型代步工具，将会成为未来个人代步工具的主要发展趋势。

自平衡车因操控简单、携带方便、个性化等方面的优势，逐步走入大众的生活。同时，由于其环保节能的零污染排放，正在成为当今绿色环保的代表。因此自平衡车正在逐渐改变着整个城市交通结构，这将是一场颠覆性的改变。

1 研究内容

1.1 研究目的

目前对于自平衡车的研究主要集中在理论和技术层面上，本论文结合体感交互理论分析使用者在操控中的本质需求，提出新的研究课题。将自平衡车与人机体感交互概念结合在一起，以用户与产品为研究核心，分析体感交互技术理论指导下的自平衡车创新设计方法，以构建自平衡车多层次多感官体感互动为设计目的。

1.2 研究意义

面对当下城市交通现状，人们的出行方式变得更加多样化，交通结构变的更加多元化[12]。用户对代步工具也有了新的认识，需求也由之前的单一代步需求，向功能需求多样化、个性化转变。满足了消费者心理、社会关怀、经济地位、社会意识、可持续发展等方面内容。

1.3 研究方法

为了达到基于体感交互理念对自平衡车进行创新设计的研究目的，首先，收集体感交互及相关领域的文献资料，并对其内容进行理解分析；其次，对现有自平衡车的现状和用户需求进行调研结果分析，从产品功能、操作方式、外观设计等方面作为切入点来研究现有自平衡车设计的不足之处，并进行反向研究设计；再次，结合体感交互理论分析自平衡车的本质需求，寻找创新突破点，进行创新设计；最后，将设计方案效果展示，并对实物模型进行制作与总结。

2 体感交互与自平衡车的基本概述

2.1 体感交互概述

2.1.1 体感交互简介

人机体感交互的出现是人与产品交流方式回归自然的重要体现，产品通过对人体运动信号的捕捉和识别，识别用户的体感特征和潜在的情感需求。

用户的体感特征主要体现在：用户无需使用任何复杂的控制机器，通过肢体动作与特定姿势传达交互意图，与周边的装置或环境完成人机信息交流。与传统键盘鼠标、多点触摸交互相比，体感交互摆脱了设备操作方式的局限性。

用户的情感需求原则是：随着人机体感交互技术的出现，产品不仅仅局限于外观造型和基础功能的设计，还更加注重挖掘用户的情感需求和操作体验，构建合理有效的交互行为，即用户情感层面的设计。

2.1.2 体感交互应用

人们最先了解体感交互概念是通过钢铁侠系列电影，片中人物通过肢体动作就可以轻松自如地操控钢铁盔甲。随着近几年体感交互技术在智能硬件中的广泛应用，电影当中的“体感交互”已经从科幻走进现实。

在日常生活中，我们也越来越多地接触到体感交互产品。举一个很简单的例子：传统电视的遥控器上布满了密密麻麻的按键，80%的情况下完全用不上，而现在只需要安装一个体感识别硬件，就可以通过肢体动作进行操作，简化了用户操控流程，使整个使用过程变得轻松自如、简单明了。

2.1.3 体感交互数据处理流程

用户动作数据的跟踪识别主要是通过运动传感器，运动传感器的功能主要体现在实时采集运动数据，并对获取的数据进行精细预处理和传输等。整体交互过程大致为，首先对用户身体运动数据进行捕捉，然后对数据进行特征提取，并对产品进行实时操控，过程如图1所示。

图1 体感交互数据处理流程
Fig.1 Somatosensory interactive data processing

如上图所示，体感交互数据处理流程模型根据数据信息处理功能的不同分为以下三层：

交互层：用户对产品下达操作指令，输入模块通过捕捉人体运动数据信号，完成用户和产品的交互行为，这也是体感交互数据的第一步流程。输入模块主要包括：运动传感器、触控屏幕、键盘鼠标、语音识别、三维摄像头等。捕捉到的人体运动数据直接输入到数据预处理模块，然后进行数据的分析。例如运动的轨迹，速度，频率、提取特征，方便进行识别模块或者其他相关模块使用。输出模块主要是将输出信息转化为用户可以直接感知的图形，声音或者是虚拟化的动作或命令。

表示层：行为识别模块负责将获取到的人体运动数据精炼提取和分类识别，转换为可视化、虚拟化、情感化等体感交互信息。汇总的这些交互信息最终都会通过产品的交互模块展示给用户。为了提高体感交互的人性化和智能化，表现层的形式需尽可能地多元化，且整合的信息要简单明了，交互形式更加灵活化。

体验层：体验层主要针对人体运动数据的整理、传输、模拟、表达，是整个体感交互系统中唯一可以与用户接触的层面。同时体验层还担负着处理交互层和表示层之间的协调工作，通过将输入和数据处理模块、输出模块、交互模块整合在一起，提高产品虚拟化与智能化，以提高交互流程的智能流畅。随着体感计算系统对体感交互处理流程的优化，分析处理数据能力的提升，交互方式也将变得越来越简单化，操作方式也更加自然。

2.2 自平衡车概述

2.2.1 自平衡车简介

自平衡车又被称作体感车、思维车、摄位车等。自平衡车工作原理是利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，检测使用者身体姿态的变化，并通过控制系统对驱动电机进行精确的调整，以保持自平衡车平稳行驶。

2.2.2 自平衡车分类

按照自平衡车的使用方式的不同，主要分为双轮自平衡车、独轮自平衡车和滑板自平衡车三种。独轮自平衡车自身稳定性较差、操控难度较高，因此对用户的平衡能力要求较高，且安全性差，但其售价为三者中最低。而双轮自平衡车则需要双套电机和电池，这也决定其售价最高，但易操作，安全性高。滑板车的自身稳定性本身比较强，滑行速度快并且行驶自如，使得此类型的自平衡车更加富有动感和便捷性。自平衡车分类如图2-2所示。

图2 自平衡车分类Fig.2 Self-balancing vehicle classification

2.2.3 自平衡车操控方式分析

基于体感交互的设计理念可知，操控方式是自平衡车设计的主要设计点。下面对自平衡车的操控方式进行详细分析。

(1)操作方式个体性体现

由于用户个体之间存在着差异化，包括特殊的身体机能和身体语言，如身高、体重、力量、平衡度、敏捷度、韧度和速度等。因而，在其与外界交流互动的方式上，例如对自平衡车的操作过程也会显示出差异性。基于此，在个性化的行为交互设计中，着重于设计能够满足用户自身操作效果和躯体经验的个性化属性与个性化功能，其表现为：智能化定位和识别用户，跟踪用户肢体动作，同时设定自平衡车的基本参数，行驶速度和倾斜角度等参数，从而，实现操控方式的个体性体现。

(2)操作方式多样性体现

首先用户需要与自平衡车构建特定的体感交互语境，当用户通过指定的肢体动作和特定姿势，传达操作行为、交互意图，实现与产品交互过程体验性的认识。

创造性体验是将用户的各种身体感官行为和意识形态相融合，在用户主动探索充分认知和熟练操作的基础上，进行创造性的体验。当用户可以游刃有余对设备进行操控之后，就会对产品进行新的探索，这样就会产生设备的升级换代，满足客户潜在的心理需求。

(3)操作方式的情感性体现

用户的情感会直接影响操作行为，当用户在操作产品过程中感到不适时，产品自身并不能很好地解决。因此构建智能的人机交互模式，即让产品拥有情感感知力，让整个操作过程流畅，让机器富有情感，仍是目前研究的重点。创造一种能够感知、识别和理解用户情感的实时反馈交互系统，就需要不断地提高产品对用户的情感识别。目前，已有很多新的识别方法，如压力感知识别、姿势运动识别等来满足这一需求。

(4)操作方式安全性体现

自平衡车和其他交通工具的制动方式不同，其需要依靠用户自身的肢体动作来控制自平衡车的行驶与停止。如果操作失误，很容易发生意外。而在马路上行驶时，如遇突发情况，则容易手忙脚乱，后果不堪设想。因此安全出行是自平衡车操作首先需要关注的问题。现在市场上的自平衡车利用动态稳定原理，除了实现前后方向的自平衡，也为使用者提供了限速保护，将行驶速度控制在最安全的范围之内，保证使用者的安全行驶。

3 基于体感交互的自平衡车设计目标与思路

3.1基于体感交互的自平衡车设计目标

设计目标就是从产品的外观特征、操控方式、交互体验入手，不断对产品进行优化完善、创新设计，从而满足用户与产品之间交流的情感化需求。其中，对产品操控方式的设计是体感交互设计中最重要最核心的部分。

(1)外观特征：通过前期的调研总结，首先应该考虑确定自平衡车外观设计风格和设计元素，通过反复推敲、组合探寻可以引起用户视觉效果共鸣的产品外观特征。研究色彩和材质与整体造型的搭配，设计出富有视觉情感的作品。同时为产品创造简易小巧携带方便、新颖独特的视觉形象，有助于形成亲和、友好的视觉效果。

(2)操控方式：首先需要理解用户动作操作行为的功能意义、用户的操作习惯和躯体经验，从而设计出用户易学、易懂、流畅和不易疲劳的自然操作行为。同时，要在产品的智能化功能上进行创新性设计，实现用户和自平衡车以及交通环境系统三者之间的和谐，从而为用户带来更加便利舒适的操控体验和情感反馈。

(3)交互体验：在设计过程中要经常与用户进行沟通，分析总结用户对产品的本质需求。设计合理有效的体感交互功能，使用户在与自平衡车长期互动的过程中，对用户操作行为进行积极回应。保持用户与产品的良好沟通，更容易为用户带来良好的交互体验。

3.2 基于体感交互的自平衡车设计思路

在进行设计前，首先要明确自平衡车设计思路，从以下的几个创新点去进行设计。

体感信息获取：为了获取用户详细的运动数据，保障行驶过程的安全性和稳定性。通过重力感应技术，当人体站立在自平衡车上面时，自平衡会获取到操作者的详细数据，通过对获得的数据进行分析，设定针对使用者的个性化自平衡车操作程序。

功能模块化：自平衡车的实用性、灵活性以及便携性是设计创新的重点。模块化设计可以将自平衡车功能进行拆分和组合，单独模块是整个产品功能的重要组成部分，组合模块可以实现功能的最大化。

无线充电模块：自平衡车续航能力是影响用户体验的重要因素之一。因此在构思自平衡车设计之初，可以设想一套完善的充电装置来弥补这一短板，期望达到自平衡车无意识充电的目的。当自平衡车停在固定的位置时，地下的无线充电装置就会为其充电，当充电完成时它也会通过手机APP来提醒用户充电完成。由于自平衡车可以拆分与组合，因此如何实现车轮和主体模块之间便捷的链接、高效的充电方式是设计的重点。

操纵杆结构：由于使用者的个体特征不同，因此操纵杆的可调节性是非常重要的。主流的操纵杆连接方式为上下伸缩结构，但传统的伸缩结构只可以调节操纵杆的长短，并不能在操纵过程中根据人体的运动轨迹左右活动。因此在操纵杆的结构设计上，在保留其上下伸缩的传统功能的同时，更应注重其左右摇摆的创新功能的设计。

降低制作成本：上文提到过目前自平衡车价格普遍偏高，性价比低。这直接影响用户的购买行为，因此在设计中应注重有效地降低成本，尽量削减价格偏高带来的负面影响。影响产品成本的主要因素是材质、工艺、结构以及销售，从造型形态上考虑，必须选取合理的造型形态，以便后期生产制造以及用户操作。同时，也应注重贴近市场，通过用户的市场反馈，进一步了解市场以及用户的需求，从而改进产品设计。

4 结论

文章通过对当前自平衡车发展现状和存在问题进行研究分析，发现以轻量化、微型化为设计思路的自平衡车，将会成为未来个人代步工具的主要发展趋势。

但当前自平衡车行业发展还不够完善，国内针对自平衡车设计领域研究几乎为空白。操控性、安全性、便携性以及续航性都是制约自平衡车发展所面临的严峻问题。 在设计方面主要以体感交互结合用户操控需求设计自平衡车的外观造型，同时加入其他因素考虑，如成本、材料、工艺等，把握设计平衡点。在体感交互方式上，用户可用性和易操作性需要进一步提高，使人机交互更加友好，从而提高设计效率。限于个人能力，有些问题研究得尚不够深入，且自平衡车操控性还需要进一步提高使用户拥有更好的产品体验，后续还需进行深入探索研究。

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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

程永胜(1990-)，男，山西大同人，助教、硕士。主要研究方向：概念交通工具设计。

TB21

A

1673-6125(2016)03-0033-05