基于感性工学的工业机器人色彩系统设计研究

沈建 刘湘洪

摘要：基于感性工学，对工业机器人的外观色彩进行研究及系统设计，探讨工业机器人色彩系统设计理论与方法。将系统设计思想融入到感性工学中，为研究产品色彩设计理论，调研工业机器人在感性工学背景下存在品牌意识不明、色彩搭配不科学、工作环境不佳等问题，分析市场上工业机器人色彩设计的案例，探索用户对工业机器人的认知，以色彩设计的形式原理解决工业机器人色彩系统设计的问题。建构了以感性工学为导向的工业机器人感性认识体系，创建工业机器人色彩设计的形式原理和色彩设计配色模式，为满足消费需求，提高产品的认知度，改善作业环境，关注“物”与“人”的关系，为企业减少能耗，降低成本，提升品牌意识，提升产品的市场竞争力具有重要意义，为工业机器人色彩系统设计的可持续研发提供了一定的参考和借鉴。

关键词：感性工学 工业机器人 系统化 色彩设计 配色

中图分类号：TP472 文献标识码：A文章编号：1003-0069（2023）11-0138-04

一、相关概念

（一）感性工学

感性工学是感性与工学相结合的技术，主要通过分析人的感性来设计产品，依据人的喜好来制造产品，它属于工学的一个新分支[1]。感性工学以用户的认知心理与情感反馈作为基础，研究人的感性因素与产品的物理属性之间的关系[2]。感性工学是一门综合性交叉学科，涉及工学、设计学、艺术学、心理学等领域。其研究方法为感性工学设计分析人的感性，用理性手段解决感性问题提供理论依据和方法，而设计学的发展借鉴感性工学的理论依据，总之，感性工学是设计学发展的一个新趋向。

目前，全球感性工学研究不断延展，日、美、英、德等国关注感性工学研究与发展，涉及汽车设计、电子产品、化妆品等多领域。我国清华、浙大等院校正对感性工学展开相关研究，华为、美的、比亚迪等企业积极参与感性工学研究及应用，迎合时代发展需求。

（二）工业机器人

工业机器人是广泛用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。工业机器人被广泛应用于电子、物流、化工等各个工业领域之中[3]。它源于美国，从功能单一的工业机器人开始，到60年代带传感器的二代机器人研究，并向人工智能方向转变，70年代进入实用化时代。Unimation公司推出带视听觉传感器的PUMA系列机器人，标志着工业机器人技术的成熟。80年代美、日、德等国工业机器人走向普及，朝着轻量化、系列化和智能化发展。90年代具有感知力、可行走的三代智能机器人出现并广泛用于汽车、工程机械等领域。

（三）工业机器人色彩设计研究

色彩设计，即根据企业的整体目标，针对产品造型的实际需要，采用科学的分析定位，将色彩情感、色彩心理、配色原理等理論运用于产品造型设计领域的色彩实施方案，同时是一种配合企业文化、经营战略、市场营销、产品设计的具体性规划[4]。将感性工学与色彩设计结合，应用于汽车、食品、医药等领域，但在工业机器人色彩系统设计研究方面，为数甚少。本文运用定量分析法测量用户色彩心理感受及定性分析法，结合计算机图形处理，数据统计与分析，得知不同色彩搭配给人带来的心理感知，利于后续产品色彩设计、生产与推广。因此，结合市场需求，在感性与形态、色彩、材料、工艺上，加强设计的情感化、人性化、交互化研究。

二、工业机器人色彩系统设计研究现状

在工业设计中，色彩是商品与用户交互的第一视点，具有先声夺人的感性魅力，引发心理认知，吸引用户视线，触发购买欲，主导了消费者的视觉感知。正如日本色彩专家小林重顺所说，色彩广泛应用已成为新时代的重要标志，使人们进入“色感时代”。伴随着消费需求和设计品质提升，色彩已成为影响产品销售的重要元素，色彩设计也将是一种营销策略。

除色彩设计与应用外，其相关研究也取得了一定进展。如郑晓红等人[5]综合运用了色彩调和理论进行色彩设计，梳理近现代的色彩调和理论，介绍色彩经验金字塔模型，提出新的色彩调和研究方向。王雪洁等人[6]通过工业机器人感性意象词汇确定、样本选取、造型感性意象评价及眼动测试研究，深挖典型感性意象词汇与工业机器人关键造型特征之间的映射关系，提取产品感性特征，获取用户的感性意象。张全[7]通过产品色彩智能设计（PCID）技术对产品色彩设计的智能化问题进行系统研究，提出一套产品色彩智能设计理论方法，综合应用交互式色彩调和技术、产品色彩方案的自动生成与优化技术等设计理论方法，开发了PCIDBMT原型系统，提高产品色彩设计品质。霍丽晓等[8]对产品设计中的单色应用规律进行研究，实现单色中造型与色彩的匹配度和受喜好程度的预测，以指导设计。崔亮生等人[9]从品牌战略出发，对ABB、KUKA工业机器人产品DNA分析，构建新松机器人的显性和隐性DNA。王翔[10]从感性工学对工业机器人设计与评价进行研究，依据感性词汇和设计要素对工业机器人进行量化分析，得出设计元素和因子，将设计评价理论应用到具体项目中，优化设计，提高设计品质和工作效率。周雪[11]基于感性意象对工业机器人设计要素进行研究，构建感性意象空间，使设计的形象满足用户的感性需求，提高设计效率。袁说[12]基于海思达牛奶装箱机器人，从感性意象角度进行牛奶装箱机器人产品设计研究，涉及结构、形态、色彩、材料与工艺等方面。郑倩倩[13]基于色彩意象对产品色彩设计进行研究，依据PCCS体系，设计色彩搭配正交样本，完成产品色彩设计系统的模块设计，建立色彩设计及配色评价拟合模型。石源[14]对产品色彩设计过程的分析，针对色彩选择与调和，提出三维自由选色和调和约束选色方法，及三种调和色彩生成算法，构建了计算机辅助产品色彩设计工具集，这些色彩设计工具有助于设计师进行产品色彩设计工作。

上述文献从色彩意象、语义、情感、品牌基因、设计与评价方法等方面进行分析与探讨，研究工业机器人色彩设计，采用定性定量法、语义差别法，其文献[10-12]在研究基础上，依托牛奶装箱机器人、七自由度柔性多关节机器人等不同产品，进行造型与色彩设计实践。

三、工业机器人色彩系统设计研究内容

以工业机器人色彩设计为研究对象，基于感性工学和色彩设计学等学科，解析典型工业机器人形态特征、色彩意象，运用理性手段解决感性问题的探索性研究。课题对典型工业机器人进行调研，利用计算机软件建构配色系统，依据色彩意象词，进行系列化色彩设计、评价和决策，对模型或样机进行检测与调试，验证各指标是否符合设计要求，为量产做准备。本课题研究内容主要涉及用户对工业机器人感性认知研究、色彩设计形式原理研究、色彩配色应用研究、色彩系统设计研究。

（一）用户对工业机器人感性认知研究

因发展需要，对工业机器人感性认知进行研究，为可持续产品研发奠定基础。在智能化与工业化融合背景下，随着产品功能性的完善，产品设计已经朝着非物质、高质量、重情感的方向发展，产品设计更多地体现使用者的审美情趣和感官体验[15]。在人机交互中注重用户对产品的认知和体验，彰显人文关怀。在设计中材料是形态和色彩的载体，而色彩烘托出材料质感和视觉形象。在用户认知中一是色彩认知，二是形态认知，色彩与形态融合，发挥产品功用，又增强了附加值。研究表明色彩是影响视觉的最大因素之一，具有强烈的吸引力，传达产品信息，触发情感认知。如红色外观机器人易使人产生烦躁情绪，蓝色机器人会引发宁静的感受。因此，对工业机器人感性认知研究，在设计师与用户之间建立交互关系，把用户感知意象融入设计，寻找规律和方法，为后续工作提供依据和参考。

（二）工业机器人色彩设计形式原理研究

在色彩设计中有对比和调和原理。造型法强调方法论，而形式原理注重系统论、思想论，是一个整体，两者融合而生成理想效果。

基于感性工学的综合性，运用系统原理与方法对工业机器人色彩设计的形式原理进行研究，體现在色彩对比与色彩调和方面。

1.色彩对比

工业机器人外观色彩是第一视觉元素，是用户直观感知的信息，影响用户精神活动。对比是色彩设计形式原理和造型法则之一，主要体现在对机座和执行机构上。机座、外壳、线缆包常用黑色，臂、腕和手部用橙、黄、红、蓝、白。色彩对比常体现在色相、明度、纯度、面积上。色相对比，确定主色后考虑与辅色关系，表现内容和环境因素，增强整体色彩效果。纯色对比，对比强弱以红、橙、黄等色相顺序递减，强对比为补色与对比色，弱对比为邻近色和同类色对比。明度对比可表达出层次感。面积对比是产品外观的色域分布、色量关系的反映，机身、机座、关节部位等表现为色量分布的比例关系、色力作用平衡关系，构成完整的和谐美。

2.色彩调和

色彩设计使设计对象、用户与环境融为整体，具有系统性、完整性、协调性特征，协调功能、用途和形式美的关系，使三者融为一体。所谓“协调的有机组合”，就是指物体的内部结构、技术、材料等要素所构成的功能与人的物质需求协调；而物体的造型、色彩、肌理、光感等外在形式影响人的审美观念，满足人的精神需求。内外二者的组合构成了物体的品质和特性，也构成了物-人-环境协调的对立关联[16]。色彩调和是各颜色搭配取得和谐，外观具有同一性，给人美的视觉感受。调和是色彩与功能、审美的统一。

（三）工业机器人色彩配色应用研究

在设计分析上拟定出配色方案，使功能与形态、技术与艺术完美融合。对色彩配色应用研究，依据功能、材料、工艺等元素进行组合，以2-3色为易，处理成上轻下重、上明下暗的视觉效果。黄、蓝、橙或白为主色，搭配辅色后形成和谐色调，如安川MH12；其次，关系到用户感性认知和配色视认性，是否满足用户感性上的色彩意象；第三，色彩配色与着色技术研究，需考虑材质、环境、工艺等因素，如喷漆、电镀，既防腐又实现美化功能；最后，对产品配色技法研究，如单色、多色等配色技法。配色与功能统一，传达色彩功用，与用户情感需求吻合，表现出协调性。因此，合目的、审美的配色，给用户带来愉悦感，提高效率，美化环境。

（四）工业机器人色彩系统设计研究

1930年代系统思想引入设计，应用于建筑、家电、交通等领域。

鉴于市场和用户，设计以功能为本，从操作行为出发，建立人际关系，关注人的情感需求和心理感受。因此，我们拟定多色配色方案，导入系统思想，采用系列化设计方法，实现产品系列化要求。

1.系列化色彩设计原则

市场需求日趋多样化，为满足需要，实施系列化设计原则。出于成本考虑和传达效应，变换外观色彩更方便、经济。色彩是产品形态的核心要素之一，富有情感性特征，具有强烈的艺术感染力，所以，通过色彩来实现系列化设计，需遵循功能性、经济性、美观性、协调性、人性化、可持续性和创新性原则[17]。实现系列化色彩设计，增加产品种类和数量，扩大销售，降低成本，提高专业化程度，延长产品周期，同时系列化产品占据视觉优势，增强品牌意识。

2.系列化色彩设计方法

色彩设计体现了人机关系，通过系列化色彩设计原则的分析与归纳，应用功能性、美观性、人性化等原则，进一步探讨色彩设计方法与规律。

（1）同色相搭配辅色的方法。采用同色相搭配辅色统一产品的方法，体现出统一性。一是用同色相统一所有产品；二是用不同色相统一所有产品，如埃夫特ER系列，机身均采用中黄色，突出产品系列化特征，强化品牌形象。

（2）同明度搭配辅色的方法。体现产品整体色调，传达系列化视觉形象。如IRB 1100系列，全身以白色搭配黑色伸缩管，融入环境中，整体风格明快。外观形态、色彩、材质等元素组合，体现产品技术特征，引发用户的感性认知。

（3）同纯度搭配辅色的方法。体现系列产品的一致性，展现设计差异化，满足用户审美偏好。在设计中有高低纯度之别，风格不同，如安川GR系列，全身采用蓝色搭配白色标识色，色彩饱满，视觉感强，系列化特征明显。

（4）有彩色搭配无彩色的方法。无彩色搭配有彩色，广泛用于底座、腕部、关节、伸缩管等部位，显得稳重深沉，减弱强对比与冲突，起到平衡色彩作用，避免视觉审美疲劳。

四、典型工业机器人色彩设计实例分析

智能化工业机器人涉及感知系统，注重人机交互，在设计中确立了“形式追随情感”，创造出人性化的环境，跨越技术与美学界限，产品带有情感性、文化性特征。在外观上，厂家多选择科技色和亮色涂装外表，突出科技性、安全性。如橙色的kuka-KR6 R700，醒目、明快、动感，体现出可靠性和安全性；ABB公司转变观念，一改多年橘色系列，采用高明度白色涂装全身，具有清新自然的视觉感。

从表1得知，配色的视认性存在一定差异性，这与色相、纯度、明度等有关。视认性的高低会引起用户的心理反应和需求，和谐统一的色彩搭配，使视觉生理和心理达到一种平衡，反之，会引起不适。

产品具有良好的视认性，提高用户操作的准确性和工作效率；较差的视认性，操作时易出错，降低识别度和工作效率。因此，良好的视认性对于应急的按钮、开关、操作件、刻度表盘件、面板控制显示件的色彩设计显得相当重要[18]。表中FANUC、KUKA、EFORT三款视认性高，IRB-120视认性低，机身与底座对比弱，但视觉整体感强。

五、有关工业机器人色彩系统设计图表建构

1.产品色彩意象尺度图建构

在设计中，有形的东西必有色彩。研究表明，色彩比形态更能引起人们的情绪反应和视觉感知。色彩意象即色彩让人产生的心理感觉和情感，是人直觉反应和思维反应的综合，直觉反应依赖于人的感知系统，如视觉、嗅觉、触觉等，人通过感知系统获取对色彩的识别于信息输入，借助思维、知识、经验等对色彩进行诠释和认知[19]。色彩意象是用户情感需求的直接反应，是用户对产品的心理期望与感性认知，具有不确定性、模糊性与主观性。因此，建构产品色彩意象尺度图，目的是优化设计，处理评价效果并促进共识达成，提高评价的客观性与可行性。建构色彩意象尺度图，借助实验、统计、计算等方法进行调研分析，建立色彩意象体系，进行意象评价，将某些事物的差异化进行量化处理。尺度编订通常分七级，采用Likert七级量表将色彩形容词置于量表两极，让受测者勾选，见表2。

2.工业机器人色彩设计图库建构

实施色彩设计策略，达成目标，为设计师提供参考，需对产品色彩以量化、理性为导向实行数值化、符号化的规范管理。结合企业、市场等因素制作相应标准色标样本，对色彩选定、试验、测色进行整理与统计，建立产品色彩设计图库，使色彩更准确与统一，满足市场需求，见表3。

3.色彩搭配关系表建构

随着市场竞争加剧，用户需求提高，着色技术进步，结合材料与工艺特性，将设计色彩转变为可行的产品色彩，以材料为载体，将造型与色彩有机统一，通过色彩烘托出材质感，提高质量。面对市场的多样性，设计部门常拟定多套方案来适应市场需求，将情感意象词汇和色彩意象加以系统化、类别化，明确主色与辅色搭配关系，实现设计的系列化要求。中大型企业常采用系列化产品设计策略，满足市场多样性需求，通过建立色彩搭配关系表[20]，见表4，确定主色代码和颜色名称，再搭配辅色，以主色与辅色对应关系，高效地配出系列化色彩方案，建立颜色标准样本信息库，减少两者偏差值，保证设计色彩与产品色彩统一性。

六、工业机器人色彩系统设计流程

1.定性定量分析及方案设计

基于SD方法借助色彩意象体系，从官网或产品宣传册中搜索资料，汇总人机交互的色彩意象词汇，对工业机器人样本进行定性定量分析和色彩意象评价，及时捕捉市场信息，给设计部门提供有效信息，也给设计师提供有效的色彩分析资源。基于调研，确定设计定位，进行草图效果图表现，计算机建模，设计方案评价再确定，模型或手板制作等设计流程。设计师通过草图将设计构思中的感性词汇转换为色彩形象，以形态和色彩为表现内容，依据自身审美经验，借助Rhins等软件建模渲染，对方案做整体评价，进入CMF阶段，进行模型、手板或样机试制。

2.工业机器人模型或样机试制

在设计后端，依据最终方案将二维图形转化为模型或样机。模型试制后，组织专家团队检测设计方案的可行性，进行综合评价和相关测试，验证各性能指标符合设计要求后方可量产。

结语

在人工智能发展背景下，色彩设计关系到企业、产品形象和用户体验，既增大产品附加值，又传递文化内涵，成为产品营销策略之一。首先，本文对典型品牌产品设计色彩进行分析与归纳，明确色彩设计的重要性；其次，基于感性工学，构建色彩意象尺度图、色彩设计图库，通过色彩意象评价，实现色彩意象特征的可感知化，提升设计品质；最后，结合典型案例和设计方法，实现感性工学与产品色彩的可能性，促使以制造为导向、产品为中心向市场为导向、用户为中心的设计理念、生产形态趋向“与自然和谐”的方向转变，利于及时推出新产品，为可持续设计提供客观依据和借鉴，提升工业机器人综合设计创新力。

基金项目：2020年广东省高校特色创新项目（2020KTSCX210）

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