基于人机工程的便携式平衡车设计

谭锦华 ，滕 健

(1. 岭南师范学院 机电工程学院 工业设计系，广东 湛江 524048；2. 岭南师范学院 工业设计联合研究所，广东 湛江 524048)

人机工程学，是研究系统中人与其他组成部分的交互关系的学科，目的是为了“安全、舒适、高效”的设计.从人机角度去强化产品的安全性，研究人们的操作方式，是改善产品设计的一种方式.本次设计的主体——平衡车，现有产品大多不具有制动系统，安全性难以得到保证，市面上常见的独轮式和双轮式的平衡车，存在着体积大、重量重、续航能力弱、安全性低等缺点，限制了平衡车只能作为一款娱乐式的代步工具在年轻的用户群中发展，而小孩与行动不便的人群则并不适合使用.

本文针对市面上现有产品存在的一些不合理问题进行改良，通过设计来提高平衡车的安全性和便携性.把功能与外观结合起来，实现产品最优化，去掉产品多余的外观设计，把简约时尚的设计风格融入产品的设计中.同时加入“互联网+”概念，在移动设备上对平衡车进行操作控制，以此来达到改良设计的初衷.

1 平衡车技术原理

1.1 平衡车技术原理介绍

平衡车依赖与控制系统里面的精密电子元件来对车进行控制，系统里面的陀螺仪与加速传感器会在用户使用的过程中检测到整体重心的变化，再通过伺服系统来精准地控制电机转动，让电机进行适当地调整，利用“动态平衡”来保证平衡车始终保持着平衡的直立状态.这种陀螺仪平衡技术被广泛运用在飞机、轮船上，在技术上已有重大突破[1].

1.2 独轮式驱动系统

平衡车具体可以分为独轮与双轮两种，形状与功能各有不同，但使用形式基本是一致的.使用者站在平衡车上，通过控制身体重心的变化来控制平衡车的前进方向与速度.其中双轮平衡车设置有操控把手，但体积偏大，因此不属于本次设计的目标.

独轮平衡车的驱动系统由蓄电池跟电机组成，它所使用的电机是不同于普通电机的，这是一种叫做轮毂电机技术的成果，整一个车轮就作为一个电机，在一个车轮里面整合了一个完整的电机，整个轮毂里就包括了传动装置、动力系统和制动系统，这种一体化的轮毂，极大地简化了驱动装置与车轮之间的关系，让独轮车也能像双轮车一样自由地前进与后退[2].

2 平衡车使用中的人体受力分析

由于平衡车独特的驱动系统和控制系统，需要用户不停地调节身体的重心来控制平衡车的运动与停止，这种动态平衡与自行车有所不同，平衡车通过自身的系统控制驱动轮子来调节重心位置，这种驱动形式导致平衡车在外形上难以突破双轮和单轮的结构，无论是单轮还是双轮，这种控制方式带来的不适需要依赖用户去适应，这是如今平衡车设计亟需解决的问题之一.

现有平衡车的设计是以人的足部为接触点进行的身体重心感应.从物理学的角度，以足部为支点，上半身都是可活动的力矩，脚在平衡车的工作过程中承担了非常大的力量.同时，对于身高较高的人群，或者身体平衡度不好的人群，都无法在短时间内掌握.过于强调用户适应产品，说明该人机系统中，人和产品的总功能分配并不合理.产品本身需要承担的功能已经部分转移给了人，这就会造成人在运用产品过程中无法发挥正常的控制能力.

3 便携式平衡车设计方案

3.1 操纵空间静态尺寸设计

人机工程学研究的是人、机器与环境的相互作用的综合性、系统化学科.其中，包括对人体特性的研究、人机系统总体设计和信息传递装置等.在保证产品使用安全性的前提，尽可能改善平衡车的驾驶舒适度.

表1 国标立姿人体

根据我国的人口调查数据显示，我国18岁及以上的成年男性和女性的平均身高分别为167.1 cm和155.8 cm，根据GB/T10000-1988《中国成年人人体尺寸》的人机工程技术标准，按照设定公式(1)[3]：

Lα=Lv+Cf+Cp

(1)

式中：Lα为产品最佳功能尺寸，Cf为功能修正量，Cp为心理修正量.

根据公式(1)计算出人体在直立状态下手部操作最适合的高度是肘高1 024 mm(男)，960 mm(女)，调整修正量后将平衡车总高度设置为1 150 mm，符合大多数人的使用，人体并立时双脚占地面积在402 cm左右，为此，脚踏部分设计成带有防滑纹理的大面积的脚踏，这样可以减少长时间驾驶的疲倦感.

图1 尺寸比例说明

为方便不同人群使用，操控把手高度设计为可调.从用户舒适度出发，在原有车型基础上，调整了整体机身的比例、车头显示屏的位置、车轮的宽度等几个方面.整体方案把主体机身纵向高度降低，整机重心位置下降，从而提高安全性.横向宽度增大，同时增大车轮的宽度，这样在使用过程中轮子与地面的接触面积更大，抓地力将更加牢固.

3.2 设计定位

人群定位：针对年轻的上班族、学生族、热爱科技的“极客”玩家等人群.每个城市中都有上班族和学生族，这些人每天穿梭于公司、学校与住宅之间，路程长短不一，加上每天的出行高峰期交通压力大，乘坐公共交通工具在短途行程中往往不是最佳的选择.针对这些问题，设计一款简单实用的平衡车提供给他们使用.本次的设计构思是在独轮平衡车的基础上结合双轮平衡车的控制杆，设计一款小巧的带把手的便携式平衡车.

造型定位：设计应该是通过产品与用户之间的交流来达到的一种平衡和谐的使用状态[4].在对平衡车进行设计的过程中，必须体现一种简约时尚又具有科技感的风格.这也是为了在设计定位上能够满足一些“极客”达人对科技的需求.在结构上，以独轮的平衡车为模板，结合操纵杆来提高用户对平衡车的控制能力，结合车的形状来分布其他电源跟电路系统；在外观上，将采用仿生设计，以白天鹅为对象，提取白天鹅的优美弧线与颜色搭配.

功能定位：针对市面上现有产品存在的一些不合理问题进行改良，通过设计来提高平衡车的安全性和便携性，使其便于携带的同时，续航能力也得到保证.把功能与外观结合起来，实现产品最优化，去掉产品多余的外观设计，把简约时尚的设计风格融入产品的设计中.同时加入互联网模块，利用互联网思维，在移动设备上对平衡车进行操作控制，以此来达到改良设计的初衷.

3.3 基于人机工程学的平衡车产品设计

本设计方案演变过程如图2所示采用独轮驱动方式，能大大减少产品本身的负重.同时，为了方便用户在不使用产品时，可以快速收纳，把手位置进行了可折叠设置，整体车把高度可调.

图2 方案草图

产品整体设计方案如图3所示，整体以天鹅为主的仿生设计，修长的形态，流畅整洁的配色，犹如正在高歌的天鹅.配色方面以简洁的白色、黑色为主，搭配其他高级灰颜色元素，保持整体的简洁大气.而车身部分除了ABS工程塑料外，将尝试使用碳纤维做为机身主要材质，碳纤维做为一种新型材料，其重量轻、强度大、耐腐蚀等性能得到了各个科技领域的关注[5]，使用这种材质做为机身主要材质能够很好地提高机身强度，让其更加耐摔，配合镁铝合金制作的轮毂连接部分，可以使这款平衡车更加轻便耐用[6].增加伸缩杆的调节部件，通过旋转来控制伸缩杆的锁定与开启.因为考虑到用户在使用该平衡车的时候会对车杆有一个前推或后拉的动作，所以脚踏部位设计成可以进行一定角度的调整的结构.整体颜色搭配上改为较为酷炫的红黑搭配，增强视觉上的稳重感.在设计中加入了车灯部件，车灯作为一种具有照明与提醒作用的部件，在行驶的时候是必不可少的.显示系统和充电部分设计在车把位置，方便用户在使用时随时查看相关数据，而车把的折叠结构更为合理，折叠起来后可以作为支撑架支撑着车身不倒最终的方案在方案三的基础上修改了伸缩杆的调节部件，通过旋转来控制伸缩杆的锁定与开启.因为考虑到用户在使用该平衡车的时候会对车杆有一个前推或后拉的动作，所以脚踏部位设计成可以进行一定角度的调整的结构.整体颜色搭配上改为对比度较为强烈的红黑搭配，增强视觉上的稳重感[7].

图3 最终方案六视图与伸缩效果图

图4 最终方案细节图

3.4 基于交流需求的UI界面设计

随着物联网技术的不断提高，将产品与个人的通讯设备相连，进而连接网络.本次设计平衡车引入了社区交流的概念，将能传达基本驾驶信息的显示装置，也能同时具有交流、引导和记录等功能，功能细分如表2所示.在对平衡车重新设计的同时，相应地设计一款移动端的APP，这款APP不但可以实现对平衡车的基本控制，还拥有社交功能，让用户在其中建立用户社区，分享使用的经验与乐趣.(删除)本设计中，利用蓝牙技术对平衡车进行锁定，只有通过手机端给平衡车解锁才能让车的驱动系统运作，这样就算平衡车被盗，没有专属的手机解锁，平衡车也是不能使用的，这就使得防盗性能得到加强[8].除此之外，用户还可以在手机端调节车的移动速度，设定平衡车的速度上下限，确保平衡车在一个安全的速度上行驶.同时平衡车也可以及时把相关数据(速度、电量、行程等)反馈给用户，及时提醒用户进行相关操作.用户可以通过手机端把自己的使用数据或这各种有趣的使用经历分享到相应的网络社区上，与朋友分享.

表2 界面功能说明

显示装置的主要载体为显示屏，置于车头位置，面向用户视线约车头45°倾角，处于最佳眼动视野范围.操控板整体采用扁平化设计，色彩以暗色调为主，白色字体在其中能够更清晰地展示相关信息，界面清新简洁，搭配有扁平化的图案，避免过于单调[9]，UI设计效果如图5所示.在对平衡车重新设计的同时，相应地设计一款移动端的APP，这款APP不但可以实现对平衡车的基本控制，还拥有社交功能，让用户在其中建立用户社区，分享使用的经验与乐趣.这一款APP的设计思路就是让用户尽可能清晰地了解平衡车的使用信息，并在使用过程中与其他玩家进行交流，其中的“附近搜索”功能就为用户提供一个社区交流的平台.针对短途出行，特别设置了导航功能，用户可以在里面搜索想要去的地方，规划好路线后就可以轻松前进，不必担心找不到路线.

对于安全这一部分可以分为设备安全与用户安全，用户在首次启动平衡车之前必须要经过手机进行联接绑定，用户可以在手机上选择需要手机解锁的使用场合与时间段；对于用户安全方面，用户可以在应用中设置平衡车的最高最低行驶速度来保证平衡车的正常运作.

图5 部分界面展示

4 结 论

本文通过结合人机工程学技术标准，经过产品最佳功能尺寸计算出人体在直立状态下手部操作最适合的高度，在设计上调整修正量后重新进行平衡车总高度设置.同事计算人体并立时双脚占立面积，将脚踏部分设计成带有防滑纹理的大面积的脚踏，减少长时间使用的疲倦感.再通过动态平衡原理，利用内部陀螺仪和传感器的调节实现平衡行驶.

此次对便携式平衡车的设计将在市面现有产品的基础上基于人机工程学进行改良，对外观与功能进行再设计，结合物联网与互联网技术，改进产品的用户体验与易用性，为产品设计行业在平衡车领域上的创新设计提供了新的思路和理念.

[1] 申晓峰.自平衡载人电动独轮车的控制系统研究 [D]. 浙江大学 ，2015.

[2] 谭建成.永磁无刷直流电机技术[M]. 北京：机械工业出版社, 2011.

[3] 阮宝湘.工业设计人机工程[M].北京：机械工业出版社，2015.

[4] 原研哉.设计中的设计[M].山东：山东人民出版社，2011.

[5] 陈思宇、王军.产品设计材料与工艺[M].重庆：中国水利水电出版社，2013.

[6](日)依达千代.产品设计材料与工艺色彩设计的原理[M].北京：中信出版社，2011.

[7] 香港设计中心.设计的精神[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2009.

[8] 禹帆.蓝牙技术[M]. 北京：清华大学出版社, 2002.

[9] (德)拉扬·阿卜杜拉，罗格·许贝纳.图示与图标设计[M].北京：中国青年出版社，2007.