面向ID&E感性认知协同的机床外观造型设计研究

陈天辰，黄艳群，张大卫

面向ID&E感性认知协同的机床外观造型设计研究

陈天辰1,2*，黄艳群2，张大卫2

（1.天津职业技术师范大学，天津 300222；2.天津大学 机械工程学院，天津 300072）

为了解决机床防护外观设计过程中工业设计与工程的感性认知协同问题，更好地寻求和增强双方对机床外观的认知共识，提高设计的效率和明确性，进而提高我国机床产业的整体竞争力。将扎根理论的定性研究与感性工学的定量研究相结合，首先通过扎根理论聚类并提炼工业设计与工程领域存在共识的感性意向词汇；然后，使用语义差异法对代表性样本进行影响因子和造型特征元素分析，明确双方可协同的机床设计元素与感性认知的映射关系；最后，基于相应具体案例需求进行设计实践。明确了机床外观设计过程中关于工业设计和工程双方存在协同认知的若干影响因子及其对应的典型感性词汇，构建了面向机床防护外观设计流程的ID&E感性认知协同系统，为机床外观设计领域提供有效的方法参考和优化思路。

ID&E协同；扎根理论；感性工学；机床外观设计；多元回归

近年来随着我国实体制造业的飞速发展，机床制造逐渐向设计、制造和服务一体化的综合产业转变。然而在实际的产品研发过程中，工业设计与工程（Industrial Designers and Engineers，ID&E）之间的观点和认知结果时常会产生冲突[1]。尽管在机床制造业当中跨学科合作已成常态，但在设计制造过程中对ID&E认知协同的关注依然不足，这既增加了沟通成本，还降低了机床产品的整体竞争力。对于机床外观设计，感性认知是ID&E十分核心的协同空间之一，本文将从感性认知协同的角度入手，结合扎根理论和感性工学实验方法，深入分析和探索ID&E之间在机床外观设计上存在共识性的感性认知协同要素，通过双方共识性的协同感性认知词汇和设计元素映射关系，构建面向机床外观设计的ID&E感性认知协同系统，并应用于具体案例之中。

1 机床外观设计中的ID&E协同问题

现代制造业产品的复杂性和竞争性需要不同职能部门将创新产品在概念化、开发和商业化方面的专业知识有效地整合[2]。而有效的沟通和跨领域联系则是新产品研发成功的主要因素[3]。作为跨学科合作中产生问题和冲突较多的工作组合类型之一[4]，ID&E的协同问题由来已久，在产品设计的整体流程中一直存在沟通不力的问题[5]。

工业设计和工程之间的知识体系差异在一定程度上体现在了双方人员面对同一目标的认知差异上。工业设计基于美学、语义学等学科对产品形式进行定义。采用开放式的解决方案，利用审美本能和试错来体现设计的个人创造力，更注重图形、色彩和造型等视觉上的表现。这种表现行为通常是“以行动为导向”的隐性知识，不能用技术理性的方法论范式来描述[6]。而工程制造则常采用基于科学的问题解决方法，倾向于把问题精确化，并把重点放在功能、规格和性能上[7]。这就是说工业设计领域主要关注产品的视知觉感受和用户体验，而工程设计则更加关注具体的实施技术、功能和可靠性[8]。这种迥异的思维差异使得在面对同一目标产品的研发过程中，双方的沟通协调成本大幅提升。尽管有Quality Function Deployment（QFD）等ID&E协同工具[9]、对跨职能团队合作进行优化的专业间协商机制[10]、培养专门且具有边界跨越的团队技能[2]等ID&E协同方法，但现有研究多是主要针对工程一方的单向优化，且流程较为复杂。在面对某一具体产品的ID&E协作机制上，并没有形成一套面向双方的、简易且综合的协同机制。

在机床产品的外观防护设计中，外观设计和防护加工装配分别由工业设计和工程制造领域决定。因此在ID&E之间寻求有效沟通与共识是影响机床最终产品质量的重要因素之一。目前对机床外观防护的设计流程依然从工业设计师提供概念草图进行单向沟通的形式开始，但由于存在模棱两可的视觉不确定性，仅使用草图进行沟通使得工程设计师无法更加准确有效地表述，以理解和识别相关技术信息[11]。只有当团队开发出一系列共同的可适词汇，并通过理解信息内容中的沟通代码和语言时，沟通才能变得准确和有效[12]。对此，必须通过图形以外的，诸如语言或人工制品等形式来辅助表达设计[13]。通过多种表达形式的复合方式来构建一个可适（Adaptable）系统[14]，以此来精确地传递ID&E双方都共同认可且符合双方经验范畴和知识认知体系的符号，以使通信更加有效。在机床防护外观的设计、生产和装配过程中，ID&E双方对功能、成本和审美等领域都有着各自不同的符号认知系统。因此，构建一个双方共同认可的共识性认知框架来寻求有效协同是十分必要的。尽管IPD（Integrated Product Development）[15]等概念被用来协调ID&E的合作效率，但就机床外观设计的ID&E协同设计优化上还鲜有相关的研究。

鉴于高级知识体系的多元性和差异性，感性认知被认为在构建共识性的认知框架方面具备更多的优势，感性工学（Kansei Engineering）因此得到了研究者的普遍关注[16]。作为心理学和工学的交叉融合学科，感性工学主要以工程技术为手段，通过将人的感觉量化以明确其与工学之间的量化映射关系[17]。相较于传统人机工程学对产品实用性和功能性的关注，感性工学更加关注产品给消费者所带来的情感享受、愉悦程度等感性特征[18]。虽然语义差异法（Semantic Differential, SD）等感性工程学设计方法已经在机床外观设计研究中普遍存在，但传统的SD法因受测者的主观感情评价的不确定性，往往会产生一定误差[19]，并没有很好考虑到ID&E之间不同认知模式可能带来的感性认知差异。这就需要在一定程度上优化测试群体和感性词汇的选择和提取方法，明确符合ID&E双方经验范畴和知识认知体系的共识性感性认知符号是十分必要的。

2 机床外观设计中ID&E的感性认知协同分析

2.1 受验者与典型共识样本选择

为了尽可能兼顾ID&E群体的差异性、体现感性意向提取的客观性，以及确保实验人员的认知结构与知识体系对本次实验的影响，本实验从总共5家机床设计与制造企业和高等教育机构中遴选经验丰富的工业设计师和工程设计师参与测试及访谈。其中大型企业与双一流高校7人、中型企业与普通高校7人、小型企业与高等专科学校6人。整体ID&E领域比例为1∶1，女性4名，男性16名。受验者年龄为20～45岁。遴选过程中为确保实验结果的准确性和完整性，受验者的职业背景和对机床产业的实际认知经验被作为重要遴选标准，以求测试者能够更好地代表ID&E领域双方的行为认知特征。

作为用户对产品形态及其构造在情感和认知维度上的一种视觉表现[20]，具象化的感性意象集合也是寻求ID&E观念沟通协同的基础。因此代表样本的筛选是至关重要的第一步。通过互联网收集了包括19个主要机床品牌的521个样本作为初始样本集。类型涉及各类卧式、立式加工中心和各类磨床。通过行业专家、文献资料等的相关分析和建议，进一步筛选出40个机床样本并请ID&E受验者根据主观感受对样图进行感受分类。

在充分考虑到受验者可能存在的迥异取向和思维方式的前提下，请ID&E受验者分别根据各自的感性认知来对样本进行分类。受验人员根据样本造型特点，将样本进行“2组—4组—8组”的三次递进分类。随后，计算三次分类同组样本间的平均相似度，具体计算见式（1）。

式中：S为平均相似度；M1、M2、M3分别指任意两个样本在1～3次分层时被分到同一组的总次数，并且两个样本分在同一组时只计算递进分阶最高的那组；α、β、γ分别为三次分组权重项，赋值分别为0.25、0.5和0.75。得到相似度矩阵，并将相似度矩阵导入SPSS软件中进行多维尺度分析。结果提示拟合度量值Stress为0.27，相关系数平方值RSQ大于0.6，拟合度可接受（如图1所示）。结合专家意见，筛选出ID&E存在共识性的典型样本6例，见图2。

图2 典型样本

2.2 感性意象词汇提取与维度分析

采用对扎根理论的定性方法[21]，对受验者进行访谈。询问关于机床外观设计影响因素的相关话题并随着访谈进行适当追问和记录。通过对访谈信息进行一级开放式编码，将记录的资料进行词频分析后，根据分析结果来划分和界定概念，明确相应的范畴，并通过此范畴来对资料信息进行定性聚类。在深入分析访谈资料后发现，ID&E双方对机床外观感性意象协商的共识空间可分为外观感受和操作感受两大类，这也验证了双方彼此关注的核心领域正是来自双方不同的教育背景和认知经验。ID&E双方对机床外观造型认知中可能存在的协同障碍也需要在这两个框架内寻求协商和沟通。通过词频分析在访谈资料中提取了若干高频词汇，并结合ID&E共识表达工具[22]围绕访谈高频词汇对受验者进行深入测试、整理与核对，最终得到15个主范畴概念及其对应的15对共识性评价词汇（如表1所示）。其中，外观上的ID&E共识范畴包括美感、时尚、完整、色彩、软硬、精致、档次、清晰和综合感受。考虑到鲜艳的色彩搭配在机床操作过程中对使用者产生的一系列心理和生理影响的不可控性，结合案例样式将有关色彩的词汇组合中的消极侧定为鲜艳，积极侧定为淡雅。操作上ID&E共识范畴则主要包括安全感、可靠性、需求感、效率感和舒适感。

表1 扎根访谈中部分词汇要素解码信息

Tab.1 Decoding information of some lexical elements

为了进一步明确上述ID&E共识性词汇在具体设计中所对应的外观设计元素，基于15个核心词对使用SD法对典型样本进行评估[23]。请ID&E受验者分别对6个典型样本进行基于15个词对的感性态度评价，按照Likert量表的7分制态度量评价进行评分，赋值为[–3,+3]。在这个系统中，尺度的负向极端表明词对的消极程度，而正向极端则表示词对的积极程度。例如，对“危险-安全”语义词对来说，最左边的–3代表“非常危险的”，最右边的3代表“非常安全的”，中间的0点代表“中等”。接下来，受验者基于此规则对6个典型产品进行评估，试验后通过对意象词汇对应评分的计算，得出每个样本对每个感性意象词对的意象平均值，见表2。

由于语义词汇组多于10个，过多描述的变量会导致研究分析过程复杂化，因此使用因子分析法（Factor Analysis）从词汇变量中提取主要共同因子[24]。将原始数据导入SPSS软件进行标准化处理后进行因子分析。首先采用KMO和Bartlett球形度检测法进行检验[25]，KMO值为0.811，大于0.5，提示因子分析可行。得到Bartlett球形度检验=0.00，数值小于0.01，说明各个变量之间具备强相关性，适合进行因子分析（如表3所示）。

表2 感性意象均值

Tab.2 Mean value of perceptual image

表3 KMO和Bartlett球形度检测结果

随后，对数据使用主成分分析来寻找共同因子个数。通过分析15个共识性词汇组合最终提取了4个因子，与初期针对感性意象词汇的分析形成的假设有了一定的差异，其特征值分别是4.954、1.560、1.393和1.204。旋转后的方差解释率分别为33.026%、10.399%、9.285%和8.027%，总累计方差贡献率为60.737%（如表4所示）。

可以发现因子分析将扎根聚类的两大框架进一步细化析出的4个因子。为了明晰分析结果，在得到因子个数之后需要对因子进行相应的属性分析，从而了解各个因子提示的具体含义和信息情况。因此，继续利用SPSS软件对因子数据采用正交旋转法以得到最终的因子载荷矩阵（如表5所示）。

表4 感性意象词对的因子分析结果

Tab.4 Factor analysis results of perceptual image word pairs

表5 因子载荷矩阵

Tab.5 Factor load matrix

结合访谈记录对因子映射的词汇进行主成分分析可以发现，相较ID&E外观与操作的基础认知框架，成分分析的结果提示了ID&E对机床外观设计的感性认知存在4个共同的影响因子。因子1包含了“孤立-组合”“传统-科技”“低端-高档”“阻滞-速度”4组词对，通过分析该集合的评价尺度可以发现，该集合的关注意象在于模块化的、迭代与增强的、新技术的、昂贵高级的和流畅高效率的，代表着ID&E群体对机床外观上最直接的功能性认知共识，因此可以将此集合视为功能认知因子；因子2包含了“丑陋-美观”“弃用-想用”“复杂-易懂”3组词对，该集合关注的方向在于整体观感上的愉悦、方便易用的观感，以及积极的使用冲动，包含了大量无法用单个评价尺度量化的综合感知和模糊观感，体现了ID&E双方观念差异上的共识性描述，可以将之称为观念态度因子；因子3包含了“危险-安全”“可疑-可靠”“混乱-清晰”“呆板-便利”4组评价词对，该集合涉及ID&E群体的安全观感、可靠感和舒适感等操作感知的共识性描述，因此可以将之称为人机交互因子；因子4包含了“过时-现代”“鲜艳-淡雅”“柔和-坚固”“粗糙-精致”，分别对应了时代感、色彩、线条和体块的审美感知，是较为明显的审美意象因子，反映了ID&E在审美倾向上的共识性描述。功能、观念、人机和审美4个共识性感性意象因子共同构成了机床外观设计中ID&E的感性认知协同维度，见表6。

表6 四个因子的维度分析

Tab.6 Dimensional analysis of the four factors

为了进一步确定4个协同维度中出最具代表性的感性意象词对，对以上15组形容词对的因子载荷重新进行聚类分析并结合因子分析描述，凝练出了“传统-科技”“可疑-可靠”“柔和-坚固”“复杂-易懂”4组具有代表性的重要感性意象共识词对。可以发现以上词汇均为游离于ID&E双方认知框架边界的、相对中性的描述词汇，具备较为纯粹的“形而上”感知意向，也以此营造了ID&E之外第三方的交际空间。结合前文提取出针对每个典型样本的代表性词对评价均值，见表7。

表7 典型样本的代表性词对评价均值

Tab.7 Mean values of representative word pairs of typical samples

3 造型要素与意象词汇的映射关系

3.1 设计要素分析

结合造型设计的点、线、面、体，以及色彩等因素对典型样本的分析研究可见，机床外观一般可分为视觉印象模块和视觉细节模块，前者包括外罩结构、外罩线条和色彩；后者包括防护门、观察窗、门把手、机脚、指示灯、控制面板、按键、电控柜等组成部分[26]。因此，根据对机床外观视觉印象模块和视觉细节模块的分析可知，机床外观感性意象设计的影响要素分别为：外罩结构、外罩线条、防护门样式、观察窗样式、门把手线条、色彩、色彩比例、机脚、指示灯样式、控制面板、按键样式、排屑装置位置、电控柜位置和标牌共14个可形成视觉共识的造型特征。综合了专家访谈法和问卷调研法，在ID&E受验群体中将14个造型特征按照重要程度进行排列，最终选取了对机床外观造型影响较大的5个造型特征：外罩线条、外罩结构、防护门、观察窗和色彩。将造型特征依次编号并在5个主要造型特征的集合下细分出14个特征元素，分别用字母表示，见表8。

表8 各结构的特征元素

Tab.8 Characteristic elements of each structure

根据数量化I类理论的原理[27]，对代表样本的造型设计要素编码进行哑变量化处理，最后得到只包含“0”和“1”的矩阵，见表9。

3.2 ID&E感性认知协同的锚点分析

表9 造型设计要素矩阵

Tab.9 Matrix of modeling design elements

表10 回归分析相关性系数表

Tab.10 Correlation coefficient of regression analysis

注：表中Sig.（双尾）小于0.05且大于0.01时为“*”，提示强相关性；小于等于0.01时为“**”，提示显著强相关性。

表11 机床外观设计感性优化取向

Tab.11 Perceptual optimization orientation of machine tool appearance design

综上所述，结合机床外观的5个共识造型特征及其14个特征元素，通过功能、观念、人机和审美4个协同维度，初步构建了以“易懂-复杂”“科技-传统”“可靠-可疑”“坚固-柔和”等4个典型共识认知词汇所锚定的面向机床外观设计的ID&E感性认知协同系统（Perceptual Cognitive Coordination System，PCCS），以此在机床外观设计过程中对ID&E群体产生相对等效的认知协同作用。

其中，ID&E对“易懂”“科技”“可靠”“坚固”等正面感性认知在几何形外罩和倒角的线条轮廓上达成了协同共识。对“科技”和“坚固”的感性认知能够在双开门的防护门设计上寻求共识协同，而“易懂”和“可靠”的感性认知则通过单开门的设计来协同。另外，相比单一观察窗，分割或混合多个观察窗在ID&E的感性认知协同中更能带来积极的共识体验。而在色彩设计上令人意外的是，在设计中运用大量的色彩反而会带来“复杂”“传统”“可疑”等负面共识认知。这可能与ID&E群体对机床这一领域的安全性、功能主义等共识观念有关。因此在进行机床防护造型设计时应当准确把握ID&E感性认知协同系统的关键共识词汇，以此作为设计流程中协同交互的必要参考来提高效率。

4 机床防护外观造型设计方案实践

值得一提的是，在一些情况下，外观防护的加工制造受制于成本、供应链、产品族系（Product Family），以及钣金加工等一系列外部条件的制约，实际上对ID&E的协同造成了一定的影响。因此，当外部制约条件被引入整体设计的框架后，PCSS系统需要针对条件进行一定的锁项调整。

在本研究实际机床项目的需求中，品牌型号族系的要求、色彩、辅助图形、钣金加工工艺限制等都作为不可更改项在PCSS中被锁定。在此前提下，首先将机床外观的5个共识造型特征及其14个特征元素交给由12人构成的ID&E群体混合的工作群组（工业设计、工程和需求方比例为1∶1∶1）。随后，基于协同维度和锚定词汇对造型特征进行任意组合。再在群组中通过九阶喜好标度法筛选出6个基础设计样式，并形成了如图3所示的设计样稿。其中，防护结构采用5个几何形和1个作为柔和感性意向备选方案的不规则形。在充分评估锁定项相关条件限制的前提下，采用顺位法通过网络和现场访谈的方式对ID&E及需求市场方投放问卷40份，再次进行共识性和满意度顺位排序，结果显示样式1、样式4、样式5在ID&E及需求方均获得了较高的满意度和共识。

最后，结合锁定项将3种样式进行融合拓展，整体轮廓结构和线条确定为直线几何形，防护门结构采用正面双开、侧面单开的双门样式，兼顾“科技”“坚固”“易懂”“可靠”的认知共识，并以此弥补了观察窗不足的问题。在配色上以黑、白、灰与族系色结合的线条穿插方式体现出造型的美感和层次变化，弱化色彩本身带来的不确定性和可能存在的协同障碍。形成最终方案并通过三维建模渲染出造型设计方案，效果见图4～5。

针对最终方案，在ID&E及需求群体中重新进行了直接感性评估。在50名评估者中，Likert态度测试结果倾向积极者占比超过70%。随后，围绕最终方案做进一步的IPA分析以验证效果满意度情况，将功能、观念、人机和审美4个协同维度中的“易懂-复杂”“科技-传统”“可靠-可疑”“坚固-柔和”8个典型词汇作为象限因子进行Likert态度平分，再从同一批评估者中收集对词汇意向的期望分和实际感受分，通过计算得到各自的均值（如表12所示），并使用通用IPA评分表（如表13所示）分析结果（如图6所示）。

图3 初始概念样式

图5 3D效果预览

表12 各因子均值

Tab.12 Mean of factors

从图6中可知，第一象限中的“易懂”“科技”“可靠”“坚固”意味着作为4个协同维度中的典型意向词汇，评估者的期望最高且对实际设计样式的感知也很高；第三象限中出现的“复杂”“传统”“可疑”“柔和”代表着机床外观设计中需要摒弃或弱化的感性意向，表现为期望较低，其在实际的感知中也较低。分析结果整体上表明，来自需求及市场方的评估者对外观设计的期望与实际设计样式的感知情况较为吻合，期望高的感知意向得到了满足，期望低的感知意向也被抑制。验证结果表明，即使在锁定项的制约条件的影响下，面向机床外观设计的ID&E感性认知协同系统依然能够在一定程度上协同ID&E双方的工作，满足需求及市场方对特定感性意向的期望。

表13 最终方案IPA评分表

Tab.13 IPA rating of the final proposal

图6 IPA分析结果

5 结语

本研究从工业产品设计中ID&E的认知协同偏差入手，通过扎根理论结合感性意向词汇分析法明确了在机床外观设计流程中ID&E间可协同的共识性造型特征及其特征元素、协同影响维度、典型词汇构成的，面向机床外观设计的ID&E感性认知协同系统，并基于此进行了相应的设计实践。在为机床防护外观造型设计流程方法提供更加科学可行的ID&E协同建议的同时，也为同类产品的外观造型设计过程中类似的ID&E协同障碍问题提供了颇具价值的借鉴与参考方法。最终设计方案通过ID&E双方及需求客户的评估，被认为是可接受的和优异的，验证了面向机床外观设计的ID&E感性认知协同系统的效果及可行性，也进一步表明本研究在机床防护外观造型设计的方法和流程优化上具有一定的参考价值。

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Machine Tool Appearance Design for ID&E Collaborative Perceptual Cognition

CHEN Tianchen1,2*, HUANG Yanqun2, ZHANG Dawei2

(1.Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China; 2.School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

The work aims to solve the problem of perceptual cognition collaboration between industrial design and engineering in the process of machine tool protection appearance design to better seek and enhance the consensus cognition of both sides on the machine tool appearance and improve the efficiency and clarity of the design, thus improving the overall competitiveness of China's machine tool industry. The qualitative research of grounded theory was combined with the quantitative research of Kansei engineering. Firstly, the grounded theory was used to cluster and extract the common perceptual image words in the field of industrial design and engineering. Then, the semantic difference method was used to analyze the impact factors and modeling feature elements of the representative samples, and the mapping relationship between the machine tool design elements and perceptual cognition that could be coordinated by both sides was clarified. Finally, design practice was carried out based on the corresponding specific case requirements. Several influencing factors and corresponding typical perceptual terms of collaborative cognition between industrial design and engineering in the process of machine tool appearance design are defined, and ID&E perceptual cognition collaborative system for machine tool protection appearance design process is constructed, which provides effective method reference and optimization ideas for the field of machine tool appearance design.

ID&E collaborative; grounded theory; Kansei engineering; machine tool appearance design; multiple regression

TB472

A

1001-3563(2024)04-0096-11

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.04.010

2023-09-25

国家工信部面向机床行业大中型数控机床关键加工装备项目（TC210H035-008）