基于感性工學的工業機器人色彩系統設計研究

沈建 劉湘洪

摘要：基于感性工學，對工業機器人的外觀色彩進行研究及系統設計，探討工業機器人色彩系統設計理論與方法。將系統設計思想融入到感性工學中，為研究產品色彩設計理論，調研工業機器人在感性工學背景下存在品牌意識不明、色彩搭配不科學、工作環境不佳等問題，分析市場上工業機器人色彩設計的案例，探索用戶對工業機器人的認知，以色彩設計的形式原理解決工業機器人色彩系統設計的問題。建構了以感性工學為導向的工業機器人感性認識體系，創建工業機器人色彩設計的形式原理和色彩設計配色模式，為滿足消費需求，提高產品的認知度，改善作業環境，關注“物”與“人”的關系，為企業減少能耗，降低成本，提升品牌意識，提升產品的市場競爭力具有重要意義，為工業機器人色彩系統設計的可持續研發提供了一定的參考和借鑒。

關鍵詞：感性工學 工業機器人 系統化 色彩設計 配色

中圖分類號：TP472 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2023）11-0138-04

一、相關概念

（一）感性工學

感性工學是感性與工學相結合的技術，主要通過分析人的感性來設計產品，依據人的喜好來制造產品，它屬于工學的一個新分支[1]。感性工學以用戶的認知心理與情感反饋作為基礎，研究人的感性因素與產品的物理屬性之間的關系[2]。感性工學是一門綜合性交叉學科，涉及工學、設計學、藝術學、心理學等領域。其研究方法為感性工學設計分析人的感性，用理性手段解決感性問題提供理論依據和方法，而設計學的發展借鑒感性工學的理論依據，總之，感性工學是設計學發展的一個新趨向。

目前，全球感性工學研究不斷延展，日、美、英、德等國關注感性工學研究與發展，涉及汽車設計、電子產品、化妝品等多領域。我國清華、浙大等院校正對感性工學展開相關研究，華為、美的、比亞迪等企業積極參與感性工學研究及應用，迎合時代發展需求。

（二）工業機器人

工業機器人是廣泛用于工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，具有一定的自動性，可依靠自身的動力能源和控制能力實現各種工業加工制造功能。工業機器人被廣泛應用于電子、物流、化工等各個工業領域之中[3]。它源于美國，從功能單一的工業機器人開始，到60年代帶傳感器的二代機器人研究，并向人工智能方向轉變，70年代進入實用化時代。Unimation公司推出帶視聽覺傳感器的PUMA系列機器人，標志著工業機器人技術的成熟。80年代美、日、德等國工業機器人走向普及，朝著輕量化、系列化和智能化發展。90年代具有感知力、可行走的三代智能機器人出現并廣泛用于汽車、工程機械等領域。

（三）工業機器人色彩設計研究

色彩設計，即根據企業的整體目標，針對產品造型的實際需要，采用科學的分析定位，將色彩情感、色彩心理、配色原理等理論運用于產品造型設計領域的色彩實施方案，同時是一種配合企業文化、經營戰略、市場營銷、產品設計的具體性規劃[4]。將感性工學與色彩設計結合，應用于汽車、食品、醫藥等領域，但在工業機器人色彩系統設計研究方面，為數甚少。本文運用定量分析法測量用戶色彩心理感受及定性分析法，結合計算機圖形處理，數據統計與分析，得知不同色彩搭配給人帶來的心理感知，利于后續產品色彩設計、生產與推廣。因此，結合市場需求，在感性與形態、色彩、材料、工藝上，加強設計的情感化、人性化、交互化研究。

二、工業機器人色彩系統設計研究現狀

在工業設計中，色彩是商品與用戶交互的第一視點，具有先聲奪人的感性魅力，引發心理認知，吸引用戶視線，觸發購買欲，主導了消費者的視覺感知。正如日本色彩專家小林重順所說，色彩廣泛應用已成為新時代的重要標志，使人們進入“色感時代”。伴隨著消費需求和設計品質提升，色彩已成為影響產品銷售的重要元素，色彩設計也將是一種營銷策略。

除色彩設計與應用外，其相關研究也取得了一定進展。如鄭曉紅等人[5]綜合運用了色彩調和理論進行色彩設計，梳理近現代的色彩調和理論，介紹色彩經驗金字塔模型，提出新的色彩調和研究方向。王雪潔等人[6]通過工業機器人感性意象詞匯確定、樣本選取、造型感性意象評價及眼動測試研究，深挖典型感性意象詞匯與工業機器人關鍵造型特征之間的映射關系，提取產品感性特征，獲取用戶的感性意象。張全[7]通過產品色彩智能設計（PCID）技術對產品色彩設計的智能化問題進行系統研究，提出一套產品色彩智能設計理論方法，綜合應用交互式色彩調和技術、產品色彩方案的自動生成與優化技術等設計理論方法，開發了PCIDBMT原型系統，提高產品色彩設計品質。霍麗曉等[8]對產品設計中的單色應用規律進行研究，實現單色中造型與色彩的匹配度和受喜好程度的預測，以指導設計。崔亮生等人[9]從品牌戰略出發，對ABB、KUKA工業機器人產品DNA分析，構建新松機器人的顯性和隱性DNA。王翔[10]從感性工學對工業機器人設計與評價進行研究，依據感性詞匯和設計要素對工業機器人進行量化分析，得出設計元素和因子，將設計評價理論應用到具體項目中，優化設計，提高設計品質和工作效率。周雪[11]基于感性意象對工業機器人設計要素進行研究，構建感性意象空間，使設計的形象滿足用戶的感性需求，提高設計效率。袁說[12]基于海思達牛奶裝箱機器人，從感性意象角度進行牛奶裝箱機器人產品設計研究，涉及結構、形態、色彩、材料與工藝等方面。鄭倩倩[13]基于色彩意象對產品色彩設計進行研究，依據PCCS體系，設計色彩搭配正交樣本，完成產品色彩設計系統的模塊設計，建立色彩設計及配色評價擬合模型。石源[14]對產品色彩設計過程的分析，針對色彩選擇與調和，提出三維自由選色和調和約束選色方法，及三種調和色彩生成算法，構建了計算機輔助產品色彩設計工具集，這些色彩設計工具有助于設計師進行產品色彩設計工作。

上述文獻從色彩意象、語義、情感、品牌基因、設計與評價方法等方面進行分析與探討，研究工業機器人色彩設計，采用定性定量法、語義差別法，其文獻[10-12]在研究基礎上，依托牛奶裝箱機器人、七自由度柔性多關節機器人等不同產品，進行造型與色彩設計實踐。

三、工業機器人色彩系統設計研究內容

以工業機器人色彩設計為研究對象，基于感性工學和色彩設計學等學科，解析典型工業機器人形態特征、色彩意象，運用理性手段解決感性問題的探索性研究。課題對典型工業機器人進行調研，利用計算機軟件建構配色系統，依據色彩意象詞，進行系列化色彩設計、評價和決策，對模型或樣機進行檢測與調試，驗證各指標是否符合設計要求，為量產做準備。本課題研究內容主要涉及用戶對工業機器人感性認知研究、色彩設計形式原理研究、色彩配色應用研究、色彩系統設計研究。

（一）用戶對工業機器人感性認知研究

因發展需要，對工業機器人感性認知進行研究，為可持續產品研發奠定基礎。在智能化與工業化融合背景下，隨著產品功能性的完善，產品設計已經朝著非物質、高質量、重情感的方向發展，產品設計更多地體現使用者的審美情趣和感官體驗[15]。在人機交互中注重用戶對產品的認知和體驗，彰顯人文關懷。在設計中材料是形態和色彩的載體，而色彩烘托出材料質感和視覺形象。在用戶認知中一是色彩認知，二是形態認知，色彩與形態融合，發揮產品功用，又增強了附加值。研究表明色彩是影響視覺的最大因素之一，具有強烈的吸引力，傳達產品信息，觸發情感認知。如紅色外觀機器人易使人產生煩躁情緒，藍色機器人會引發寧靜的感受。因此，對工業機器人感性認知研究，在設計師與用戶之間建立交互關系，把用戶感知意象融入設計，尋找規律和方法，為后續工作提供依據和參考。

（二）工業機器人色彩設計形式原理研究

在色彩設計中有對比和調和原理。造型法強調方法論，而形式原理注重系統論、思想論，是一個整體，兩者融合而生成理想效果。

基于感性工學的綜合性，運用系統原理與方法對工業機器人色彩設計的形式原理進行研究，體現在色彩對比與色彩調和方面。

1.色彩對比

工業機器人外觀色彩是第一視覺元素，是用戶直觀感知的信息，影響用戶精神活動。對比是色彩設計形式原理和造型法則之一，主要體現在對機座和執行機構上。機座、外殼、線纜包常用黑色，臂、腕和手部用橙、黃、紅、藍、白。色彩對比常體現在色相、明度、純度、面積上。色相對比，確定主色后考慮與輔色關系，表現內容和環境因素，增強整體色彩效果。純色對比，對比強弱以紅、橙、黃等色相順序遞減，強對比為補色與對比色，弱對比為鄰近色和同類色對比。明度對比可表達出層次感。面積對比是產品外觀的色域分布、色量關系的反映，機身、機座、關節部位等表現為色量分布的比例關系、色力作用平衡關系，構成完整的和諧美。

2.色彩調和

色彩設計使設計對象、用戶與環境融為整體，具有系統性、完整性、協調性特征，協調功能、用途和形式美的關系，使三者融為一體。所謂“協調的有機組合”，就是指物體的內部結構、技術、材料等要素所構成的功能與人的物質需求協調；而物體的造型、色彩、肌理、光感等外在形式影響人的審美觀念，滿足人的精神需求。內外二者的組合構成了物體的品質和特性，也構成了物-人-環境協調的對立關聯[16]。色彩調和是各顏色搭配取得和諧，外觀具有同一性，給人美的視覺感受。調和是色彩與功能、審美的統一。

（三）工業機器人色彩配色應用研究

在設計分析上擬定出配色方案，使功能與形態、技術與藝術完美融合。對色彩配色應用研究，依據功能、材料、工藝等元素進行組合，以2-3色為易，處理成上輕下重、上明下暗的視覺效果。黃、藍、橙或白為主色，搭配輔色后形成和諧色調，如安川MH12；其次，關系到用戶感性認知和配色視認性，是否滿足用戶感性上的色彩意象；第三，色彩配色與著色技術研究，需考慮材質、環境、工藝等因素，如噴漆、電鍍，既防腐又實現美化功能；最后，對產品配色技法研究，如單色、多色等配色技法。配色與功能統一，傳達色彩功用，與用戶情感需求吻合，表現出協調性。因此，合目的、審美的配色，給用戶帶來愉悅感，提高效率，美化環境。

（四）工業機器人色彩系統設計研究

1930年代系統思想引入設計，應用于建筑、家電、交通等領域。

鑒于市場和用戶，設計以功能為本，從操作行為出發，建立人際關系，關注人的情感需求和心理感受。因此，我們擬定多色配色方案，導入系統思想，采用系列化設計方法，實現產品系列化要求。

1.系列化色彩設計原則

市場需求日趨多樣化，為滿足需要，實施系列化設計原則。出于成本考慮和傳達效應，變換外觀色彩更方便、經濟。色彩是產品形態的核心要素之一，富有情感性特征，具有強烈的藝術感染力，所以，通過色彩來實現系列化設計，需遵循功能性、經濟性、美觀性、協調性、人性化、可持續性和創新性原則[17]。實現系列化色彩設計，增加產品種類和數量，擴大銷售，降低成本，提高專業化程度，延長產品周期，同時系列化產品占據視覺優勢，增強品牌意識。

2.系列化色彩設計方法

色彩設計體現了人機關系，通過系列化色彩設計原則的分析與歸納，應用功能性、美觀性、人性化等原則，進一步探討色彩設計方法與規律。

（1）同色相搭配輔色的方法。采用同色相搭配輔色統一產品的方法，體現出統一性。一是用同色相統一所有產品；二是用不同色相統一所有產品，如埃夫特ER系列，機身均采用中黃色，突出產品系列化特征，強化品牌形象。

（2）同明度搭配輔色的方法。體現產品整體色調，傳達系列化視覺形象。如IRB 1100系列，全身以白色搭配黑色伸縮管，融入環境中，整體風格明快。外觀形態、色彩、材質等元素組合，體現產品技術特征，引發用戶的感性認知。

（3）同純度搭配輔色的方法。體現系列產品的一致性，展現設計差異化，滿足用戶審美偏好。在設計中有高低純度之別，風格不同，如安川GR系列，全身采用藍色搭配白色標識色，色彩飽滿，視覺感強，系列化特征明顯。

（4）有彩色搭配無彩色的方法。無彩色搭配有彩色，廣泛用于底座、腕部、關節、伸縮管等部位，顯得穩重深沉，減弱強對比與沖突，起到平衡色彩作用，避免視覺審美疲勞。

四、典型工業機器人色彩設計實例分析

智能化工業機器人涉及感知系統，注重人機交互，在設計中確立了“形式追隨情感”，創造出人性化的環境，跨越技術與美學界限，產品帶有情感性、文化性特征。在外觀上，廠家多選擇科技色和亮色涂裝外表，突出科技性、安全性。如橙色的kuka-KR6 R700，醒目、明快、動感，體現出可靠性和安全性；ABB公司轉變觀念，一改多年橘色系列，采用高明度白色涂裝全身，具有清新自然的視覺感。

從表1得知，配色的視認性存在一定差異性，這與色相、純度、明度等有關。視認性的高低會引起用戶的心理反應和需求，和諧統一的色彩搭配，使視覺生理和心理達到一種平衡，反之，會引起不適。

產品具有良好的視認性，提高用戶操作的準確性和工作效率；較差的視認性，操作時易出錯，降低識別度和工作效率。因此，良好的視認性對于應急的按鈕、開關、操作件、刻度表盤件、面板控制顯示件的色彩設計顯得相當重要[18]。表中FANUC、KUKA、EFORT三款視認性高，IRB-120視認性低，機身與底座對比弱，但視覺整體感強。

五、有關工業機器人色彩系統設計圖表建構

1.產品色彩意象尺度圖建構

在設計中，有形的東西必有色彩。研究表明，色彩比形態更能引起人們的情緒反應和視覺感知。色彩意象即色彩讓人產生的心理感覺和情感，是人直覺反應和思維反應的綜合，直覺反應依賴于人的感知系統，如視覺、嗅覺、觸覺等，人通過感知系統獲取對色彩的識別于信息輸入，借助思維、知識、經驗等對色彩進行詮釋和認知[19]。色彩意象是用戶情感需求的直接反應，是用戶對產品的心理期望與感性認知，具有不確定性、模糊性與主觀性。因此，建構產品色彩意象尺度圖，目的是優化設計，處理評價效果并促進共識達成，提高評價的客觀性與可行性。建構色彩意象尺度圖，借助實驗、統計、計算等方法進行調研分析，建立色彩意象體系，進行意象評價，將某些事物的差異化進行量化處理。尺度編訂通常分七級，采用Likert七級量表將色彩形容詞置于量表兩極，讓受測者勾選，見表2。

2.工業機器人色彩設計圖庫建構

實施色彩設計策略，達成目標，為設計師提供參考，需對產品色彩以量化、理性為導向實行數值化、符號化的規范管理。結合企業、市場等因素制作相應標準色標樣本，對色彩選定、試驗、測色進行整理與統計，建立產品色彩設計圖庫，使色彩更準確與統一，滿足市場需求，見表3。

3.色彩搭配關系表建構

隨著市場競爭加劇，用戶需求提高，著色技術進步，結合材料與工藝特性，將設計色彩轉變為可行的產品色彩，以材料為載體，將造型與色彩有機統一，通過色彩烘托出材質感，提高質量。面對市場的多樣性，設計部門常擬定多套方案來適應市場需求，將情感意象詞匯和色彩意象加以系統化、類別化，明確主色與輔色搭配關系，實現設計的系列化要求。中大型企業常采用系列化產品設計策略，滿足市場多樣性需求，通過建立色彩搭配關系表[20]，見表4，確定主色代碼和顏色名稱，再搭配輔色，以主色與輔色對應關系，高效地配出系列化色彩方案，建立顏色標準樣本信息庫，減少兩者偏差值，保證設計色彩與產品色彩統一性。

六、工業機器人色彩系統設計流程

1.定性定量分析及方案設計

基于SD方法借助色彩意象體系，從官網或產品宣傳冊中搜索資料，匯總人機交互的色彩意象詞匯，對工業機器人樣本進行定性定量分析和色彩意象評價，及時捕捉市場信息，給設計部門提供有效信息，也給設計師提供有效的色彩分析資源。基于調研，確定設計定位，進行草圖效果圖表現，計算機建模，設計方案評價再確定，模型或手板制作等設計流程。設計師通過草圖將設計構思中的感性詞匯轉換為色彩形象，以形態和色彩為表現內容，依據自身審美經驗，借助Rhins等軟件建模渲染，對方案做整體評價，進入CMF階段，進行模型、手板或樣機試制。

2.工業機器人模型或樣機試制

在設計后端，依據最終方案將二維圖形轉化為模型或樣機。模型試制后，組織專家團隊檢測設計方案的可行性，進行綜合評價和相關測試，驗證各性能指標符合設計要求后方可量產。

結語

在人工智能發展背景下，色彩設計關系到企業、產品形象和用戶體驗，既增大產品附加值，又傳遞文化內涵，成為產品營銷策略之一。首先，本文對典型品牌產品設計色彩進行分析與歸納，明確色彩設計的重要性；其次，基于感性工學，構建色彩意象尺度圖、色彩設計圖庫，通過色彩意象評價，實現色彩意象特征的可感知化，提升設計品質；最后，結合典型案例和設計方法，實現感性工學與產品色彩的可能性，促使以制造為導向、產品為中心向市場為導向、用戶為中心的設計理念、生產形態趨向“與自然和諧”的方向轉變，利于及時推出新產品，為可持續設計提供客觀依據和借鑒，提升工業機器人綜合設計創新力。

基金項目：2020年廣東省高校特色創新項目（2020KTSCX210）

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