基于感性工学与TRIZ 理论的汽车窗帘创新设计*

曹嘉平，马婧儒，高志勇，汪 煜，朱玉杰

（1.东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040；2.江南大学，江苏 无锡 214112）

20世纪后半叶以来，汽车逐渐成为大众的日常消费品，随着人工智能时代的到来以及无人驾驶技术的日趋成熟，高品质的出行体验成为终端消费者追求的目标[1]。许多研究者已设计出具有不同功能的智能家具窗帘，如2018 年韩大凤[2]研发的基于嵌入式和Zigbee 技术的智能窗帘；2019 年苏赐民等[3]研发的基于WIFI 通信技术支持的智能窗帘。目前，市场上的汽车窗帘主要有吸盘的铝箔遮阳挡、纱网式测遮阳挡、静电贴式测遮阳挡和遮阳帘4 种形式，但功能比较单一，无法自动控制。针对这些问题，本文提出了一款车载智能光控窗帘。

1 理论介绍及集成应用

1.1 感性工学理论

感性工学理论起源于日本，是将感性与工学相结合的技术，其主要通过分析用户的感官、情感来设计产品，依据产品特性制造产品，属于工学的一个新分支[4]。

1.2 TRIZ 理论

TRIZ 理论由苏联科学家阿奇舒勒（ALTSHULLER G S）于1946 年创立，为人们创造性地发现问题和解决问题提供了系统的理论和方法工具[5]。在利用TRIZ 理论的创新方法解决问题的过程中，首先将待设计的产品表达成为TRIZ 理论问题，其次利用TRIZ 理论中的工具求出问题的普适解，最后把普适解转化为特解。

运用TRIZ 理论，可大大加快人们创造发明的进程，但是TRIZ 理论自身并不能有效地寻找矛盾所在处[6]。

1.3 基于两种理论的汽车窗帘设计流程

通过多种途径收集样本，运用Q型聚类分析和相似取优的方法对样本库进行合并、归类和删除，得到需要的车载窗帘典型样本。收集与设计意向相关的形容词作为感性词汇，由受过相关训练的专业人员对收集词汇进行筛选，以各年龄段驾乘人员为对象进行问卷调查，对调查统计结果进行主成分分析，得出最终的关键感性词汇，利用阶层类别分析法将其逐一转化成产品的设计要素，并运用TRIZ理论的创新方法进行实物设计。将感性工学理论和TRIZ 理论有机集成为能够满足用户的感官以及情感需求，也能解决设计要素中的技术矛盾[7-10]。本文运用感性工学理论与TRIZ 理论结合的汽车窗帘创新设计流程见图1。

图1 汽车窗帘创新设计流程图

2 感性工学理论与TRIZ 理论的集成应用

2.1 确定典型样本

通过网络购物平台查询、实地走访、文献查询等方式收集多种样本，初步获取70 个汽车窗帘样本，运用Q型聚类分析对70 个样本进行合并、归类，删除外形及结构相似的样本，得到7 个性能最优的样本作为典型样本，典型样本外形见图2。

图2 7 个性能最优的典型样本外形

2.2 确定关键感性词汇

通过查阅相关资料获取感性词汇，初步筛选以剔除相似度高或不常用的形容词，得到包含40 组感性词汇的汇总见表1。

表1 感性词汇初步汇总表

邀请受过相关训练的人员，基于他们的专业知识，对感性词汇进行反复甄别、筛选，通过查阅相关资料文献，进一步删减不相关或无实际参考价值的感性词汇，合并词义相近的感性词汇，最终得出9 组感性词汇作为汽车窗帘的关键感性词汇。9 组感性词汇分别为：安全的—危险的；环保的—污染的；系统的—零乱的；便宜的—昂贵的；智能的—机械的；鲜艳的—淡雅的；适合的—无用的；易装卸的—难装卸的；简单的—复杂的。

2.3 确定设计要素

2.3.1 基于语义差异法的问卷附表设计

利用语义差异法，应用获取的9 组关键感性词汇对x个典型样本建立评价值调查表（见表2），设置值为-3，-2，-1，0，1，2，3，共7 个量级[11]。

2.3.2 数据收集

随机选取200 位机动车驾驶员和乘员发放调查问卷，共回收到有效问卷196 份。汇总有效问卷结果，逐一对典型样本的不同感性词汇评价值进行求和计算，取平均值作为感性词汇最终得分，计算结果见第63 页表3。

表2 典型样本感性词汇评价值调查表

2.3.3 主成分分析

为了对初步选取的感性词汇进行客观分析，将9 组感性词汇在7 个典型样本中的平均值作为基本数据，进行主成分分析[12-13]。

设第i个典型样本的第j个感性词汇得分为aij；第j个感性词汇表示为xj；第j个感性词汇的样本均值和样本标准差分别为μj和sj。

对原始数据进行标准化处理，将标准化处理后的感性词汇得分与感性词汇分别表示为公式为

表3 典型样本感性词汇平均值

进行相关系数矩阵计算，将相关系数矩阵记为R，且R=（rij）m×m，则rij的公式为

分别用λm和μm（μj=[μ1jμ2j… μmj]T）表示相关系数矩阵R 对应的特征值以及特征向量。由特征向量μm可得到9 个新的感性词汇，将其设为y1，y2，…，yj，…，ym，并分别记为第m个主成分，其中m=1，2，…，9。通过计算可得出每一主成分的贡献率和累积贡献率，其中bj为主成分yj的单独贡献率，αp为前p个主成分y1，y2，…，yp（p≤9）的累积贡献率，公式分别为

应用MATLAB 软件计算各成分的信息贡献率、累积贡献率以及每个主成分的组成。表4 为累积贡献率表；表5 为成分1 和成分2 组成表。由表4 结果可知：成分1 和成分2 的信息贡献率远高于其他成分，且累积贡献率超过了95%。故选择成分1 和成分2 作为主成分。由表5 可知，成分1 中影响最大的感性词汇为x3（系统的）和x5（智能的），成分2 中影响最大的感性词汇变量为x1（安全的）和x7（适合的）。通过对典型样本的搜集、筛选以及对感性词汇进行主成分分析，确定设计汽车窗帘的关键感性词汇为：安全的、系统的、智能的、适合的，以此作为产品的基本设计要素，运用TRIZ 理论的创新方法进行具体设计。

表4 累积贡献率表 （%）

表5 成分1 和成分2 组成表

2.3.4 感性词汇的转化

根据主成分分析结果以及用户体验研究得到汽车窗帘的关键感性词汇，以此作为感性要素，利用阶层类别分析法逐一将感性设计要素转化为具有物理性质的或可量化特征的设计要素[8]。汽车窗帘的设计阶层见图3。

图3 汽车窗帘的设计阶层图

2.4 矛盾的描述

结合设计特征目前现有的技术分析，得到设计要素为构建结构（形状、组成）、控制方式（光控）、帘体结构（构成、特性、容量、多用）、运动方式（自动、手动、安全、动态）。发现设计要素中存在3 对矛盾，即1 对物理矛盾和2 对技术矛盾。物理矛盾为窗帘的打开闭合状态（一方面希望窗帘打开，观赏车窗外风景；另一方面希望窗帘关闭，遮挡阳光）；技术矛盾为蓄电池的体积和容量（体积越小，储存的电能越少）、汽车窗帘的形状与安全（客运汽车窗帘关闭时，乘员无法通过安全窗逃生）。

2.5 矛盾的消解

运用TRIZ 理论中的39 个标准技术特性[14]描述技术冲突为：欲改善的参数为N8蓄电池的体积（由于车窗框架处的空间有限，因此蓄电池的体积以及容量受限），欲恶化的参数是N21蓄电池的功率（蓄电池的体积太小，无法提供足够的能量供窗帘响应）；欲改善的参数是N38汽车窗帘的自动化程度（窗帘可由光照强度控制开启与闭合），欲恶化的参数是N12汽车窗帘的形状（客运汽车窗帘自动闭合后将影响乘员从安全窗逃生）。由表6 矛盾矩阵查出可用的发明原理。

表6 矛盾矩阵局部

3 车载智能光控窗帘设计生成方案

根据感性设计要素、物化设计要素所对应的矛盾和消解，设计了一款车载智能光控窗帘，主要包括构建结构、控制方式、帘体结构、运动方式4 个部分的详细设计。

运用N24反馈原理和N5组合原理对构建结构和控制方式进行设计：采用N24反馈原理，考虑汽车窗帘可以根据窗外光照强度反馈，自动调节窗帘的开启和闭合，使之根据特定条件的反馈自动响应；根据N5组合原理，将步进电机（通过正转与反转控制窗帘的打开与闭合）、光传感器（通过光伏充电控制器与步进电机连接，控制步进电机的正转与反转）、蓄电池（安装在框架的一侧，设有光伏充电控制器）、运动执行部分（由丝杆与滑块组成）以及窗帘帘体进行合理组合，得到车载智能光控窗帘外形（见图4）以及细节结构（见图5）。

运用N1分割原理、N6多用性原理、N24借助中介物原理、N30柔性壳体或薄膜原理、N27廉价替代品原理对车载智能光控窗帘的帘体结构进行设计。一是运用N1分割原理，将窗帘幕帘设计为三层，分别是第一窗帘层、薄膜太阳能电池层、第二窗帘层，其中第一窗帘层朝向车外，具有透光性与防水性；薄膜太阳能电池层位于所述第一窗帘层与第二窗帘层之间，与蓄电池连接；第二薄膜层朝向车内，具有不透光性、耐脏性以及美观性。二是运用N6多用性原理，窗帘帘体为薄膜太阳能电池提供安装空间。三是运用N24借助中介物原理，汽车窗帘为薄膜太阳能电池提供安装位置。四是运用N30柔性壳体与薄膜原理，应用非晶硅柔性薄膜太阳能电池，改变太阳能电池的物理形态，由于其自身具有柔性，因此可以衬联到其他柔性物上，增大了受光面积，以吸收更多的太阳能。五是运用N27廉价替代品原理，非晶硅柔性薄膜太阳能电池具有生产成本低、弱光响应好以及充电效率高等特点[15]，可有效代替价格相对较高的太阳能电池。车载智能光控窗帘的帘体结构见图6。

图4 车载智能光控窗帘外形图

图5 车载智能光控窗帘细节结构图

图6 车载智能光控窗帘的帘体结构图

运用N1分割原理、N13反向作用原理以及N15动态特性原理对车载智能光控窗帘的运动方式进行设计。一是运用N1分割原理，百叶窗代替传统的幕帘式汽车窗帘，实现窗帘自动调节外界射入光线。二是运用N13反向作用原理和N15动态特性原理，将百叶片的横向安装方式改为纵向安装方式，同时将百叶窗固定框架设计为可推拉式窗体框架，方便乘员手动控制汽车窗帘。车载智能光控窗帘的实际安装与使用效果见第65 页图7。

图7 车载智能光控窗帘的实际安装与使用效果图

4 车载智能光控窗帘工作原理

为使车载智能光控窗帘适用于空间受限且安全要求高的特殊安装载体，将其驱动方式改为蓄电池驱动，通过安装在窗帘帘体上的非晶硅薄膜太阳能电池增大受光面积，储存足够的电能，供步进电机响应。根据光照强度的变化，光传感器将强光与弱光的不同信号输入到STC59C52 单片机中，控制伺服电机正转与反转，带动传动机构（见图8）。

图8 车载智能光控窗帘控制原理图

5 结束语

感性工学理论主要将用户的情感化需求特征转化为产品设计特征，而TRIZ 理论主要用于分析设计要素中产生的矛盾和冲突，并利用相应的发明原理加以解决[8]。将感性工学理论和TRIZ 理论进行有机集成，根据现有技术和目前可用的发明原理，对汽车窗帘的构建结构、控制方式、帘体结构、运动方式4 个部分进行创新，设计了一款车载智能光控窗帘。与市场上现有的汽车窗帘相比，本文创新设计的汽车窗帘不仅能够根据光照强度的变化自动调节开合，以保证车内光线适宜，而且保证了汽车作为移动载体在安装空间和安全性方面的特殊要求。