自平衡车设计研究

程永胜

关键词：自平衡车;用户体验;智能交互;设计趋势

1国内外自平衡车发展现状

1.1国内自平衡车发展现状

相对于国外自平衡的发展，国内市场还处于发展的初期，自平衡车的使用范围和数量所占比重都很低，有着非常大的发展潜力。目前国内已经有很多智能硬件厂家融入到自平衡车行业。

1.2国外自平衡车发展现状

近年来，全世界科研机构和企业，以及自平衡车发明的爱好者都对自平衡发展做出了有益的贡献。促进了自平衡车的发展，这期间也出现了一些性能优越、造型美观十分抢眼的自平衡车设计。

在美国，不仅颁布了专门的法案，让自平衡车作为正常的交通工具在路上行驶，而且自平衡车的设计也作为年度最佳发明在大众科学杂志上进行刊登。

2自平衡车操控性能分析

2.1自平衡车结构特征分析

双轮自平衡车和独轮自平衡车是市面上常见的两种自平衡车类型。虽然在外观上，两者区别显著，但本质上它们的工作原理是相同的。双轮自平衡车结构主要包括：两侧的车轮、脚踏板、转向操作杆、传感器盒、转向机构与两侧的箱体。自平衡车踏板下箱体用于安放电池、电机与电路板等设备，踏板下面留有空隙，用来布置线路，传感器盒用来保证行驶角度的准确性。

2.2自平衡车工作原理分析

人体平衡是自平衡的设计灵感的源头，是自平衡车的操控方式，也是自平衡车得以平衡的关键。因此要想弄清整个自平衡车操控方式的工作原理，首先应该了解设计灵感的源头人体平衡。

人体平衡的原理：人体平衡就像过独木桥时，身体会通过左右摆动来寻找平衡点，身体也会适当屈膝、微前倾来保持重心，这一系列保护动作都是人体的本能反应。是由于内耳中液体的移动，异动信号传达给大脑，告知大脑身体失去平衡，大脑就会支配肢体配合而不摔倒，是人体本能的保护动作，并且符合人体的行为习惯。

自平衡车工作原理是基于“动态稳定”的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。这是以内置的精密固态陀螺仪（Solid-State Gyroscopes）来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。

人体平衡和自平衡车工作原理几乎完全相同。只不过体感交互系统代替了人体的大脑，自平衡车车轮取代了人的腿，运动传感器代替了人体内耳平衡系统，发动机代替了人体肌肉。以用户站立在自平衡车整体重心纵轴为依据，当用户与自平衡车整体重心前倾时，自平衡车身就会接受用户操作信号，内置电动马达会产生往前的动力，而速度则与人体倾斜的程度呈正比。相反的，当陀螺仪发现用户的重心向后倾斜时，也会产生向后的力以达到平衡效果。同理，驾驶人只要改变自己身体的左右重心，自平衡车就会根据重心的方向左转或右转。

2.3自平衡车操控方式分析

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。基于此，在个性化的行为交互设计中，着重于设计需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中体验性的认识。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，在用户的主动探索进行充分认知和熟练操作的基础上，进行创造性的体验。

3）操作方式的情感性体现：用户的情绪会直接影响操作行为，当用户在操作过程中感到不适时，产品本身并不能很好的解决。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，需要不断的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—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。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，保证使用者的行驶安全。

3自平衡车设计趋势分析

3.1人机交互智能化

自平衡车是科技时代的产物，作为新一代的交通代步工具也要符合当下时代的发展趋势。在未来，人机智能交互是主流趋势，GPS、蓝牙、WiFi语音识别等技术都会融入到自平衡车的设计研发当中，定会改变人类未来的出行方式。自平衡车人机交互智能化主要体现在以下的几个方面：

1）自平衡车信息智能化：用户的个人信息，行为特征，操作方式等个性化需求都可以智能化识别，此外用户的运动数据如速度、行驶位置、里程数、电量等数据，都可以通过手机APP进行实时查看。如在行驶过程中出现故障，可以将维修信息发送到售后服务点，进行故障的诊断推送。

2）自平衡车行驶自动化：加入了GPS技术和一些感测技术，可以使自平衡车实现自动跟随或自动驾驶。此外用户还可以通过手机APP控制自平衡车，在行驶的途中及时反馈路况信息，选择合理的出行路线。

3）自平衡车交互虚拟化：加入语音识别、震动反馈等技术，可以增强与自平衡车的互动和控制。用户的运动行为会得到自平衡车的及时反馈，使得用户产生互動期盼，让整个人机交互更加自由轻松。

3.2外观造型个性化

像自平衡车这样的新兴行业更需要不断创新，才能跟得上时代的变迁。由于自平衡车的外观造型是用户直观的视觉形象，直接影响用户接下来的使用行为、购买行为。因此，塑造个性化的造型是自平衡车未来发展的必然创新点及长期规划。

根据年轻人强调自我个性的要求，未来产品设计的造型风格偏向于混搭风格，通常在造型内会运用新材料、新工艺、新的造型语言，从而产生不一般的视觉美感。通过将整体进行分割使造型更加轻盈，同时通过不同颜色和材质的搭配产生新的视觉形象。

3.3操控方式灵活化

1）易用性：这是自平衡车使用最基本的要求，用户通过简单的操作方式达到其独特的行驶体验。易用性主要体现在：功能易于学习、操控方式简单、智能化的人机交互以及个性化的特征识别，都会直接影响用户灵活地使用产品。

2）便携性：很多用户在选择自平衡车的时候会在双轮自平衡车和独轮自平衡车中犹豫不决。两轮自平衡车相对独立轮自平衡车的优势在于它在操控相对简单，而且安全性较高。但弊端是由于车身体积较大，便携性没有独轮车好。用户购买一件产品希望能方便经常的使用，而不是因为种种因素而闲置下来。因此，设计师在设计产品时应当注重于车身的便携性。

3）续航性：在自平衡车行驶当中，电池性能、电池管理系统（BMS）、充电装置是影响自平衡车续航的最主要的原因。电池则是决定着自平衡车续航能力的重要因素之一，传统铅酸蓄电池体积偏大，质量也比较厚重，缺乏便捷灵巧性。而锂电池除了有较高的安全性之外，质量也相对较轻，大大弥补了传统电池质量重的缺点。此外公共充电装置设立，也会在一定程度上提高自平衡车的续航能力。

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。随着云计算、大数据以及互联网服务等多技术相整合导致自平衡车设计也将趋向于智能化、多元化和个性化的发展方向。当下自平衡车行业发展不够平衡，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。现在自平衡车的研究尚不够深入，且自平衡车的操控性还需要进一步提高，如何能使用户有更好地行车体验，后续还需对自平衡车造型设计及操控性做进行深入研究。