基于形状文法的医院消毒机器人造型设计

石元伍 卫璐

摘要：为更好地继承和发扬同族群产品和参考产品的设计优势，降低消毒机器人造型推敲阶段的主观性，提升产品造型与用户需求的匹配程度，旨在设计一款消毒机器人为医疗机构提供一体化消毒解决方案。构建消毒机器人风格意象的感性词汇资料库确定产品风格意向，并基于形状文法进行产品形态创新设计。以消毒机器人的风格意象定位为基础，从最终选择的同族群产品和可参考的产品中提取能够反映用户需求的形态特征，作为形状推演的形态元素，对消毒机器人造型进行优化设计。最终确定消毒机器人造型设计方案，设计方法与产品方案为同类产品提供参考。

关键词：形状文法消毒机器人产品风格意象 产品造型设计

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2019） 03-0120-04

引言

伴随着人们生活水平的日益提高，消费者的消费模式已然发生转变。现如今让消费者欣然买单的不再是单一的商品，而对于商品带来的体验感与场景感也是十分注重的。消费形态的转变使得市面上的产品造型设计从功能第一转而倾向于情感的表达。传达情感的有效途径之一便是产品的风格[1]。产品的风格特征传递出产品隐含的社会文化信息，不仅能使人们体验到“物质功能”，同时还能感受到“精神功能”[2]。由于成熟的产品在技术、材料、功能等方面的差异日渐缩小，生产者为了使自己的产品从市场上的众多同类产品中脱颖而出，产品的“精神”方面便受到了更多的重视。这一变化要求设计师们准确地掌握消费者真实的感觉和期望进行设计，设计师需要通过对同领域或与之相接近领域的产品进行研究，传承优点，从而做到真正理解消费者对产品的情感认知并在产品中传递，以更好的满足目标群体的要求。

产品的造型是设计师与消费者沟通的重要媒介。目前，国内具体的辅助造型设计方法上，文献较少。在辅助造型设计方法中，形状文法是较为实用的一种。在此前基于形状文法的研究中，重点关注的是目标产品及其本领域产品的形态研究，而对于跨领域形态知识的运用主要凭借设计人员自身累积的经验进行设计，有较大主观性。如国内学者孙志学[3]等人基于形状文法，提出了通过感性情感、功能、技术条件的约束制定形状推演的规则的方法，将形状文法与感性工学、技术驱动相结合，对形状推演的过程形成多个因素制约进行设计。李雪瑞[4]等人基于用户感性需求，综合运用多个学科的知识，如生物学科、计算机学科，基于形状文法理论开发了智能优化设计引擎，最终应用于设计之中。李阳和许占民[5]通过风格意向约束及尺寸、形状、空间关系等物理约束进行造型推演，将文法化逻辑演绎和物理约束结合进行设计。

世界卫生组织的报告显示，由于医院感染，世界每年有数亿患者接受住院治疗，医院感染使得其治疗、护理过程变得更加复杂。针对医院内环境问题市面上推出了消毒机器人。但目前市面上的消毒机器人外形偏向于功能因素的制约，设计感较差，而在医院这样一个特殊的环境里，功能因素固然是首位，但产品的“精神”方面也是不容小觑的。因此企业在注重产品功能的同时，同样需要赋予产品以特殊形态与风格意象，提升产品的造型和医院内用户需求的匹配程度。基于以上研究，本文提出引入形状文法，从消毒机器人本族群和参考产品中提取能够满足用户需求的形态，作为形状推演的形态元素，优化消毒机器人的造型。

一、研究方法

（1）采集并筛选出能够表达产品风格的意象词汇，根据使用环境确定目标人群，并通过问卷、实地访谈等掌握目标人群的真实感受以及对产品的期望，从而确定产品风格意象。

（2）根据产品的风格意象定位，选择合适的目标产品的同族产品，构建相同族群产品集Rf，并选择具有相同选择与目标产品意象定位一致、功能上相关性较高的非同族群产品，构建其他可参考产品集Rrt。

（3）由经验丰富的设计师分析同族群产品集和其他可参考产品集的形态，并提取与目标产品风格意象定位一致的形态要素。

（4）对上一阶段所提取的形态元素进行分析，通过形状文法关系与规则来描述设计的空间组织或形态组成，结合实际应用场景对产品的要求，对尺寸进行约束，构造产品外观空间。

（5）有经验的设计师在众多设计方案中进行初步筛选，方案从造型美感、风格意象等方面进行评价后选出最终方案进行三维模型构建与渲染。

二、产品研究与形态推演过程

（一）消毒机器人风格意向确立

1.消毒机器人感性意象词汇搜集

意象词汇表达了用户对产品外观和特征的感知，并代表了用户的主观感受。在设计的早期阶段，应收集尽可能多的，与产品有关的词汇，以反映用户对产品的看法。

感性意象词汇搜集阶段的主要工作是广泛搜集消毒机器人的购买者、使用者等人群对于消毒机器人的感性意象。通过网络、期刊、报纸等方式共获得200個感性意象词汇。在这一阶段仅搜集与消毒机器人相关的感性表达形容词，不作筛选。

2.感性词汇提取

感性意象词汇提取分为两个阶段进行。第一阶段，删减与实验目标不一致、生僻或语义过于相近的词汇，得到60个与消毒机器人产品风格相关的初级感性词汇，形成30对感性词对。

在第二阶段，最终将30对词汇分为10类，并基于K-Means聚类分析法对结果进行分析，选取每个分类中与中心欧几里距离最近的样本的作为此类别中的代表词，最终得出（如表1）中的10组最能够精确代表使用者对消毒机器人风格感受的感性词对。

招聘39名被调查对象，其中用户（医院内医生、护士、患者）、制造商、设计师各13名，根据非常重要、重要、较为重要、轻微重要、不重要5种偏好程度对感性词汇进行打分。分别记为5、4、3、2、1分。使用sPss软件来计算结果，当共同度不低于0.5时，则代表该词比较理想;平均值大小和感性词汇的重要度成正比。分析结果（如表2）。

通过感性意向词汇分析，选取共同度和平均值大的两组形容词对，最终确定消毒机器人的意向定位为简约、亲近的。

（二）消毒机器人形状文法造型设计

1.形状文法理论

形状文法（Shape Grammar，SG）始于1972年，最初由MIT建筑系George Stiny教授首次提出[6]。此后，国内外众多学者都对其有一定研究，如美国学者Kirch、国内学者孙守迁、孙志学等。通过形状文法既可以使产品按照一定的规则生成新的形状，又产品不失品牌的延续性[7-8]，同时也可以衍生出新的产品设计方案[9]。

形状文法是通过计算机辅助（CAD）的方式来进行设计[10]，可表示为：SG=（S、L、R、1），其中SG表示S经推演规则衍生的形状集，S是初始形状的有限集合;L是符号的有限集合;R是推演规则的有限集合;l是用于推演的初始形状。

2.形状文法推演规则

（1）置换：用其他产品部分形态曲线替换某产品的现有形态曲线的变化，可表示为：TOS=S”，如，S={○，◇，☆），TOS ={○，◇，口）。

（2）增删：增加或删除初始形状的部分或全部形态曲线，可表示为：增加.TIS=S◎Sl=S U si-sn si，如，S={○，◇，☆），Sl={○，△），则TIS={○，◇，☆，△k刪除：T25=S -51，如.s={○，◇，☆，口，△），si={○，◇，口}，则T2S={☆，△}。可以看到，对于形状增加推理，s∩si可为空，对于删除操作则需有Sl S。

（3）缩放：缩小或放大初始形状的部分或全部曲线，可表示为：

当λ>1时为扩大变换;当O<λ

（4）镜像：初始形状的部分或全部曲线延某一轴线发生翻转，可表示为：

当k<0时，若kx=-l，ky=l，则为S沿y轴镜像;若kx=l，ky=-l，则为S沿x轴镜像;其他镜像变换可由这两种镜像操作得到。

（5）复制：对初始形状曲线进行复制、移动操作。

其中，N为复制操作次数，M为复制操作后形状位置的变动。n≥0且n∈Z：当n=0时，则表示形状S未复制，仅在x，y方向的位移为mx， my。

（6）旋转：对初始形状进行角度变换。

其中，e为图形S绕坐标轴原点逆时针旋转的角度。

（7）错切：错切变换是改变图形S的坐标值的方法，在继承原有图形特征的同时也进行了变化，可以表示为其中，hx，hy分别为S在x，y方向上的错切量。（8）坐标微调：

其中，△x，△y分别为S的坐标变动量。

3.消毒机器人的设计思路

为了明确消毒机器人的主要造型要素，邀请5名有经验的设计师对样本进行形态层次分析，最终将消毒机器人造型元素归纳为：顶部消毒液喷射孔、消毒剂分散装置、升降台、机身、手推握把、平板显示器、运行状态指示灯、静音万向轮及刹车脚轮。由于平板显示器、状态运行指示灯、静音万向轮及刹车脚轮、等属于采购标准件，故在分析时不予考虑。通过形态分析法可知，在消毒机器人造型特征的层次结构中，机身处于中间过渡层，承接消毒机器人顶部消毒液喷射孔及底部底盘，是造型信息最为丰富的一层，如Rl机身采用的是小圆角方形的设计，给人以安全的感受，R5、R6则采用的拟人形态设计，给人以亲和感，R7采用的是圆柱形的机身设计，更加节省空间。拟200份问卷对医院环境内人群：医生、护士、患者、患者家属等进行调查，实际收回问卷188份。问卷统计结果（如表3）所示。通过形态分析及问卷调查最终得知不同的机身形状给人以不同的感受，56.8%与45.7%的医院环境内人群认为机身形状是最能够体现产品整体简约、亲近的特性的部分，故这里以机身作为研究对象来研究消毒机器人造型风格。

4.目标产品分析

5.产品选取、机身形态元素分析

根据前期得出的对消毒机器人亲近、简约的意象定位，选取以下可供参考的消毒机器人同族产品与其他可供参考的产品，因空气净化器产品简约、亲和的外观和目标产品意向定位一致，且功能与目标产品较为接近，因此将空气净化器作为可参考产品（如表4）。

6.产品形态演变过程

由曲线集合{CIC2，C2C3，C4C5，C5C6，C6C7，C7C8，C8C9，C9Cl0，ClOCll，C12Cl}构成目标产品的形状（如图1）所示。从（表4）的同族产品中选取R2，异族产品中选取Rr2、Rr3、Rr6作为初始形态进行演变。对演变的尺寸进行约束：500mm≤L（长）<675mm，600mm

在（如图2）中，rl代表置换，r2代表增删，r3代表缩放，r4代表镜像，r5代表复制，r8代表坐标微调。

7.方案生成

将形状文法运用于消毒机器人形态创新设计中，能够生成大量方案群，方案群包括推演过程中生成的方案及推演完成的最终方案。从生成的初步方案中筛选出4个机身组成整体消毒机器人方案，基于语义差分法从简约、现代的角度对生成的4个方案进行问卷调查，该阶段邀请20位医生、护士、患者对选出的4个样本进行造型意向评价，通过主观感受的评价方式，从简约、现代的角度采用7阶态度量表，量表赋值为-3～3，数值3代表该样本与风格意向相匹配，数值O代表普通，_3则表示该样本偏离风格意向较远，（如表5）所示。

通过（如表5）可得出结论，四个方案中，Rl给人以更加亲近、简约的感受，R3次之。即R1>R3>R2>R4.。故对Rl进行深入建模（如图3）。

结论

通过深入了解目标人群对消毒机器人产品风格意象倾向后，结合分析消毒机器人外部形状特征的基础上，本文基于形状文法，根据产品的意象定位，选取目标产品的同族群产品和非同族群产品，并对其形态进行分析。通过产品风格意象确立、目标产品分析、同类产品和参考产品形态筛选及分析、产品形态演变过程、最终方案生成等5个步骤来进行论述。结果表明，该方法既能够继承产品本身的优势之处，同时也能够从其他参考产品中获得形态元素，结合两者优势之处加以设计以做到更好地理解消费者对于产品的情感认知，并通过产品来满足目标群体的需求。为今后的产品形态设计提供参考。.

参考文献

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