自平衡車設計研究

程永勝

關鍵詞：自平衡車;用戶體驗;智能交互;設計趨勢

1國內外自平衡車發展現狀

1.1國內自平衡車發展現狀

相對于國外自平衡的發展，國內市場還處于發展的初期，自平衡車的使用范圍和數量所占比重都很低，有著非常大的發展潛力。目前國內已經有很多智能硬件廠家融入到自平衡車行業。

1.2國外自平衡車發展現狀

近年來，全世界科研機構和企業，以及自平衡車發明的愛好者都對自平衡發展做出了有益的貢獻。促進了自平衡車的發展，這期間也出現了一些性能優越、造型美觀十分搶眼的自平衡車設計。

在美國，不僅頒布了專門的法案，讓自平衡車作為正常的交通工具在路上行駛，而且自平衡車的設計也作為年度最佳發明在大眾科學雜志上進行刊登。

2自平衡車操控性能分析

2.1自平衡車結構特征分析

雙輪自平衡車和獨輪自平衡車是市面上常見的兩種自平衡車類型。雖然在外觀上，兩者區別顯著，但本質上它們的工作原理是相同的。雙輪自平衡車結構主要包括：兩側的車輪、腳踏板、轉向操作桿、傳感器盒、轉向機構與兩側的箱體。自平衡車踏板下箱體用于安放電池、電機與電路板等設備，踏板下面留有空隙，用來布置線路，傳感器盒用來保證行駛角度的準確性。

2.2自平衡車工作原理分析

人體平衡是自平衡的設計靈感的源頭，是自平衡車的操控方式，也是自平衡車得以平衡的關鍵。因此要想弄清整個自平衡車操控方式的工作原理，首先應該了解設計靈感的源頭人體平衡。

人體平衡的原理：人體平衡就像過獨木橋時，身體會通過左右擺動來尋找平衡點，身體也會適當屈膝、微前傾來保持重心，這一系列保護動作都是人體的本能反應。是由于內耳中液體的移動，異動信號傳達給大腦，告知大腦身體失去平衡，大腦就會支配肢體配合而不摔倒，是人體本能的保護動作，并且符合人體的行為習慣。

自平衡車工作原理是基于“動態穩定”的基本原理上，也就是車輛本身的自動平衡能力。這是以內置的精密固態陀螺儀（Solid-State Gyroscopes）來判斷車身所處的姿勢狀態，透過精密且高速的中央微處理器計算出適當的指令后，驅動馬達來做到平衡的效果。

人體平衡和自平衡車工作原理幾乎完全相同。只不過體感交互系統代替了人體的大腦，自平衡車車輪取代了人的腿，運動傳感器代替了人體內耳平衡系統，發動機代替了人體肌肉。以用戶站立在自平衡車整體重心縱軸為依據，當用戶與自平衡車整體重心前傾時，自平衡車身就會接受用戶操作信號，內置電動馬達會產生往前的動力，而速度則與人體傾斜的程度呈正比。相反的，當陀螺儀發現用戶的重心向后傾斜時，也會產生向后的力以達到平衡效果。同理，駕駛人只要改變自己身體的左右重心，自平衡車就會根據重心的方向左轉或右轉。

2.3自平衡車操控方式分析

1）操作方式個體性體現：由于用戶個體之間存在著差異化，包括特殊的身體機能和身體語言，如身高、體重、力量、平衡度、敏捷度、韌度和速度等。基于此，在個性化的行為交互設計中，著重于設計需滿足用戶自身操作效果和軀體經驗的個性化屬性與個性化功能，其表現為：智能化定位和識別用戶，跟蹤用戶肢體動作，同時設定自平衡車的基本參數，行駛速度和傾斜角度等參數，從而，實現操控方式的個體性體現。

2）操作方式多樣性體現：首先用戶需要與自平衡車構建特定的體感交互語境，當用戶通過指定的肢體動作和特定姿勢，傳達操作行為、交互意圖，實現與產品交互過程中體驗性的認識。創造性體驗是將用戶的各種身體感官行為和意識形態相融合，在用戶的主動探索進行充分認知和熟練操作的基礎上，進行創造性的體驗。

3）操作方式的情感性體現：用戶的情緒會直接影響操作行為，當用戶在操作過程中感到不適時，產品本身并不能很好的解決。創造一種能夠感知、識別和理解用戶情感的實時反饋交互系統，需要不斷的提高產品對用戶的情感識別。目前，已有很多新的識別方法，如壓力感知識別、姿勢運動識別等來滿足這—需求。

4）操作方式安全性體現：自平衡車和其他交通工具的制動方式不同，其需要依靠用戶自身的肢體動作來控制自平衡車的行駛與停止。如果操作失誤，很容易發生意外。因此安全出行是自平衡車操作首先需要關注的問題。現在市場上的自平衡車利用動態穩定原理，除了實現前后方向的自平衡，也為使用者提供了限速保護，將行駛速度控制在最安全的范圍之內，保證使用者的行駛安全。

3自平衡車設計趨勢分析

3.1人機交互智能化

自平衡車是科技時代的產物，作為新一代的交通代步工具也要符合當下時代的發展趨勢。在未來，人機智能交互是主流趨勢，GPS、藍牙、WiFi語音識別等技術都會融入到自平衡車的設計研發當中，定會改變人類未來的出行方式。自平衡車人機交互智能化主要體現在以下的幾個方面：

1）自平衡車信息智能化：用戶的個人信息，行為特征，操作方式等個性化需求都可以智能化識別，此外用戶的運動數據如速度、行駛位置、里程數、電量等數據，都可以通過手機APP進行實時查看。如在行駛過程中出現故障，可以將維修信息發送到售后服務點，進行故障的診斷推送。

2）自平衡車行駛自動化：加入了GPS技術和一些感測技術，可以使自平衡車實現自動跟隨或自動駕駛。此外用戶還可以通過手機APP控制自平衡車，在行駛的途中及時反饋路況信息，選擇合理的出行路線。

3）自平衡車交互虛擬化：加入語音識別、震動反饋等技術，可以增強與自平衡車的互動和控制。用戶的運動行為會得到自平衡車的及時反饋，使得用戶產生互動期盼，讓整個人機交互更加自由輕松。

3.2外觀造型個性化

像自平衡車這樣的新興行業更需要不斷創新，才能跟得上時代的變遷。由于自平衡車的外觀造型是用戶直觀的視覺形象，直接影響用戶接下來的使用行為、購買行為。因此，塑造個性化的造型是自平衡車未來發展的必然創新點及長期規劃。

根據年輕人強調自我個性的要求，未來產品設計的造型風格偏向于混搭風格，通常在造型內會運用新材料、新工藝、新的造型語言，從而產生不一般的視覺美感。通過將整體進行分割使造型更加輕盈，同時通過不同顏色和材質的搭配產生新的視覺形象。

3.3操控方式靈活化

1）易用性：這是自平衡車使用最基本的要求，用戶通過簡單的操作方式達到其獨特的行駛體驗。易用性主要體現在：功能易于學習、操控方式簡單、智能化的人機交互以及個性化的特征識別，都會直接影響用戶靈活地使用產品。

2）便攜性：很多用戶在選擇自平衡車的時候會在雙輪自平衡車和獨輪自平衡車中猶豫不決。兩輪自平衡車相對獨立輪自平衡車的優勢在于它在操控相對簡單，而且安全性較高。但弊端是由于車身體積較大，便攜性沒有獨輪車好。用戶購買一件產品希望能方便經常的使用，而不是因為種種因素而閑置下來。因此，設計師在設計產品時應當注重于車身的便攜性。

3）續航性：在自平衡車行駛當中，電池性能、電池管理系統（BMS）、充電裝置是影響自平衡車續航的最主要的原因。電池則是決定著自平衡車續航能力的重要因素之一，傳統鉛酸蓄電池體積偏大，質量也比較厚重，缺乏便捷靈巧性。而鋰電池除了有較高的安全性之外，質量也相對較輕，大大彌補了傳統電池質量重的缺點。此外公共充電裝置設立，也會在一定程度上提高自平衡車的續航能力。

4結論

文章通過對當前自平衡車發展現狀和存在問題進行研究分析，發現以輕量化、微型化為設計思路的自平衡車，將會成為未來個人代步工具的主要發展趨勢。隨著云計算、大數據以及互聯網服務等多技術相整合導致自平衡車設計也將趨向于智能化、多元化和個性化的發展方向。當下自平衡車行業發展不夠平衡，操控性、安全性、便攜性以及續航性都是制約自平衡車發展所面臨的嚴峻問題。現在自平衡車的研究尚不夠深入，且自平衡車的操控性還需要進一步提高，如何能使用戶有更好地行車體驗，后續還需對自平衡車造型設計及操控性做進行深入研究。