基于E點(diǎn)和H點(diǎn)的適老化櫥柜臺(tái)面人機(jī)高度設(shè)計(jì)方法

李佳甡 朱 特

(1.中國(guó)藝術(shù)研究院,北京 100029;2.北京理工大學(xué),北京 100081)

0 引 言

人口老齡化是我國(guó)社會(huì)發(fā)展的重要趨勢(shì),也是我國(guó)今后較長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期的基本國(guó)情.習(xí)近平總書記指出“有效應(yīng)對(duì)我國(guó)人口老齡化,事關(guān)國(guó)家發(fā)展全局,事關(guān)億萬(wàn)百姓福祉”[1].老年人的幸福健康對(duì)社會(huì)家庭的和諧穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用,這就對(duì)居家產(chǎn)品的“適老化”提出了更為豐富和精細(xì)的需求.受生活習(xí)慣和傳統(tǒng)觀念影響,我國(guó)老年人傾向于居家養(yǎng)老,廚房是我國(guó)老年人使用頻次較高的空間,廚房中幾乎所有活動(dòng)都是以櫥柜臺(tái)面為基礎(chǔ)展開(kāi),與老年人不匹配的櫥柜臺(tái)面人機(jī)尺寸會(huì)導(dǎo)致老年用戶產(chǎn)生腰酸背痛等“痛點(diǎn)”的產(chǎn)生,嚴(yán)重時(shí)更會(huì)引起肩周炎、腱鞘炎、腰椎間盤突出等疾病的發(fā)生.當(dāng)前,大部分櫥柜廠家臺(tái)面人機(jī)高度根據(jù)用戶直立E點(diǎn)(肘點(diǎn),E-Point)高度和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合國(guó)標(biāo)推薦值確定,但這種人機(jī)尺寸計(jì)算方式不能較好得適用于老年人生理機(jī)能特征.

針對(duì)櫥柜適老化設(shè)計(jì),許多研究已經(jīng)提出了一些探索性方法.陳柳、湯重熹等人的研究以3D捕捉技術(shù)為基礎(chǔ),提出了一種針對(duì)櫥柜設(shè)計(jì)的人機(jī)校核評(píng)價(jià)方法[2].翟振興、于聰聰、宣煒等人分別從心理、生理、文化等方面提出了適老化廚房的設(shè)計(jì)原則和探索方向[3-5].葉威、郝致恒等人的論文,將Jack引入適老化設(shè)計(jì)研究中,彌補(bǔ)了單一主觀評(píng)價(jià)模式的不嚴(yán)謹(jǐn)性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)計(jì)方案適老化的主客觀綜合評(píng)價(jià)[6,7].但以上研究都僅提出了原則性設(shè)計(jì)方向,沒(méi)有量化的設(shè)計(jì)指導(dǎo)方法,實(shí)踐中依舊需要再次測(cè)試分析.

因此,本研究針對(duì)老年用戶的生活需求和習(xí)慣,力圖解決老年用戶與櫥柜臺(tái)面人機(jī)高度尺寸的適配問(wèn)題,研究的結(jié)果可為櫥柜適老化設(shè)計(jì)提供參考和評(píng)價(jià)依據(jù).

1 基于E點(diǎn)與H點(diǎn)的適老化臺(tái)面人機(jī)尺寸校核方法

1.1 H點(diǎn)與櫥柜臺(tái)面人機(jī)尺寸適老化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)櫥柜人機(jī)尺寸設(shè)計(jì)中,存在兩種臺(tái)面高度確定方法:第一種方法采用“用戶身高/2+5cm”,由于誤差過(guò)大,基本已經(jīng)淘汰.第二種方法通常將用戶直立E點(diǎn)(肘關(guān)節(jié)點(diǎn),Elbow-Point)高度HE作為確定臺(tái)面高度H的基礎(chǔ),在此基礎(chǔ)上減去10～15cm為臺(tái)面高度.這種計(jì)算方法簡(jiǎn)單快捷,并且可以適用于大部分普通中青年用戶.但是由于老年用戶身體機(jī)能退化,脊柱存在不同程度的駝背佝僂現(xiàn)象,腰臂部肌肉的收縮持續(xù)時(shí)間變短.導(dǎo)致洗炒切這類活動(dòng)對(duì)于青年用戶屬于低負(fù)荷度身體姿態(tài),對(duì)于老年用戶有可能變?yōu)橹兄厣眢w負(fù)荷姿態(tài).所以,需要引入H點(diǎn)(髖關(guān)節(jié)點(diǎn),Hip-Point)高度HH用以優(yōu)化櫥柜臺(tái)面人機(jī)尺寸的適老化能力.

H點(diǎn)最早多被應(yīng)用于車內(nèi)駕駛員的人機(jī)尺寸設(shè)計(jì)與校核中,該點(diǎn)是人上身軀干與下肢的連接點(diǎn).相較于較為模糊與寬泛的腰點(diǎn),H點(diǎn)能夠更好的描述用戶與機(jī)器的相對(duì)位置.并且,在常規(guī)重力環(huán)境下,人上下肢力量的傳遞必須經(jīng)過(guò)H點(diǎn),所以H點(diǎn)參數(shù)更方便模擬各種動(dòng)作的仿真計(jì)算.相較于中青年人群,老年人E點(diǎn)與H點(diǎn)的垂直距離縮短2～5cm,老年人直立狀態(tài)下E點(diǎn)與H點(diǎn)不再共面,存在1～4cm的水平偏移,所以需要綜合考慮H點(diǎn)與E點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系,以避免在洗炒切活動(dòng)中老年人的腰、背、頸、肩的局部肢體超負(fù)荷作業(yè).

1.2 基于H點(diǎn)和E點(diǎn)的綜合臺(tái)面高度模擬方法

《中國(guó)企業(yè)管理百科全書》將人機(jī)工效學(xué)定義為:研究人和機(jī)器、環(huán)境的相互作用及其合理結(jié)合,使設(shè)計(jì)的機(jī)器與環(huán)境系統(tǒng)適合人的生理、心理等特點(diǎn),達(dá)到在生產(chǎn)中提高效率、安全、健康和舒適的目的[8].根據(jù)人機(jī)工效學(xué)中人體生理結(jié)構(gòu)可知,在站姿態(tài)工作過(guò)程中,用戶腰、背、頸部彎曲幅度越小,持續(xù)工作狀態(tài)下用戶的疲勞度累積量越低,越不容易造成用戶勞動(dòng)損傷.過(guò)高的臺(tái)面高度會(huì)導(dǎo)致工作中手臂向上不自然抬起,加劇肩部臂部肌群的疲勞.臺(tái)面的高度應(yīng)該介于H點(diǎn)與E點(diǎn)高度之間,但是具體高度需要結(jié)合用戶自身特點(diǎn)確定.所以,櫥柜臺(tái)面的適老化設(shè)計(jì)中,需要綜合H點(diǎn)和E點(diǎn)的空間位置確定臺(tái)面的人機(jī)尺寸高度,滿足臺(tái)面的適老化需求.

針對(duì)中國(guó)老年用戶在廚房空間中圍繞臺(tái)面進(jìn)行的最常見(jiàn)情境,通過(guò)用戶體驗(yàn)歷程地圖選取水槽清洗這種典型廚房作業(yè)工況作為仿真情境.這個(gè)作業(yè)工況具備工作時(shí)間長(zhǎng)、操作精確程度高、作業(yè)時(shí)效性不強(qiáng)的特點(diǎn),在這類場(chǎng)景中存在較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)性勞動(dòng),容易誘發(fā)因?yàn)榕_(tái)面高度不合理而導(dǎo)致的勞動(dòng)損傷.

圖1 中國(guó)老年人廚房活動(dòng)用戶地圖

2 Jack仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Jack軟件是德國(guó)西門子公司研發(fā)的一款人機(jī)工程模擬仿真軟件,該軟件不僅預(yù)置有歐洲人和亞洲人的人體測(cè)量數(shù)據(jù),還具有不同年齡段的人體特征數(shù)據(jù),能夠支持多年齡段的虛擬人建模與運(yùn)動(dòng)仿真,還能夠方針計(jì)算人體疲勞度、舒適度、力量等生理學(xué)參數(shù),在多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.本研究使用Jack中60歲中國(guó)老年人50%分位人體生理尺寸參數(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建男女性模型,其中男性身高167.8mm,體重59kg,女性身高162.72mm,體重61.25kg,對(duì)水槽使用情境下的不同櫥柜臺(tái)面高度進(jìn)行仿真,對(duì)比疲勞度和靜力學(xué)指標(biāo).

2.1 仿真環(huán)境設(shè)計(jì)

根據(jù)中國(guó)成年人人體測(cè)量尺寸國(guó)標(biāo)GB/T 10000-1988,選取男60歲女55歲50%分位人體生理尺寸數(shù)據(jù),H點(diǎn)高度為男829mm女775mm,E點(diǎn)高度為男1019mm女956mm.分性別設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn)環(huán)境,臺(tái)面高度起始值為780～1010mm,高度遞增步長(zhǎng)為50mm,不足50mm時(shí)按實(shí)際步長(zhǎng)增遞.臺(tái)面寬度按櫥柜行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為600mm,柜體長(zhǎng)度取1000mm,水槽深度采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)250mm,水槽居中放置.臺(tái)面模擬3D模型使用Rhino7構(gòu)建,生成IGS文件并導(dǎo)入Jack進(jìn)行仿真模擬.

圖2 水槽任務(wù)臺(tái)面仿真模型

2.2 仿真任務(wù)設(shè)計(jì)

清洗任務(wù)中,虛擬人站于臺(tái)面前30mm,手部伸入水槽150mm深度,用以模擬防水流濺射姿態(tài),調(diào)整身體關(guān)節(jié)處于自然工作姿態(tài),任務(wù)工作時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為15分鐘.

表1 Jack仿真任務(wù)設(shè)計(jì)

圖3 仿真任務(wù)設(shè)計(jì)

3 Jack仿真結(jié)果與分析

3.1 作業(yè)姿勢(shì)分析結(jié)果描述

針對(duì)不同高度水槽臺(tái)面,驅(qū)動(dòng)男女虛擬人手臂抵達(dá)指定位置,并將身體其他關(guān)節(jié)調(diào)整至自然舒適工作狀態(tài).使用Ovako作業(yè)姿勢(shì)分析系統(tǒng)對(duì)每個(gè)虛擬人的工況進(jìn)行分析,結(jié)果如下:

圖4 男性虛擬人水槽清洗作業(yè)姿勢(shì)分析結(jié)果(臺(tái)面由低至高)

圖5 女性虛擬人水槽清洗作業(yè)姿勢(shì)分析結(jié)果(臺(tái)面由低至高)

針對(duì)老年用戶的水槽作業(yè)姿勢(shì)分析可知,低于H點(diǎn)的櫥柜臺(tái)面高度,極有可能引發(fā)用戶產(chǎn)生嚴(yán)重的肌肉系統(tǒng)損傷.介于H點(diǎn)和E點(diǎn)之間的水槽臺(tái)面高度,隨著高度接近E點(diǎn)高度,誘發(fā)肌肉系統(tǒng)損傷的可能性逐步降低.

3.2 后背部受力分析結(jié)果描述

針對(duì)不同高度水槽臺(tái)面,基于上述作業(yè)姿態(tài)分析結(jié)果.對(duì)用戶不同作業(yè)姿勢(shì)后背部受力進(jìn)行分析,系統(tǒng)對(duì)每個(gè)虛擬人的工況進(jìn)行測(cè)算,結(jié)果如下:

圖6 男性虛擬人水槽清洗作業(yè)后背部受力分析結(jié)果(臺(tái)面由低至高)

圖7 女性虛擬人水槽清洗作業(yè)后背部受力分析結(jié)果(臺(tái)面由低至高)

針對(duì)老年用戶的水槽作業(yè)后背部受力分析可知,隨著臺(tái)面高度的升高,后背部肌群承擔(dān)壓縮力迅速下降,幾乎實(shí)現(xiàn)了壓縮力的減半(1373N至703N,1212N至604N),前后剪切力緩慢下降.這意味著,對(duì)于老年用戶而言,臺(tái)面的高度越高,背部所需要承擔(dān)的長(zhǎng)時(shí)間壓縮力需求越低,用戶更不容易產(chǎn)生明顯的疲勞感.而且,隨著臺(tái)面升高,腰部所承受的剪切力緩步下降,意味著老年用戶更不容易產(chǎn)生腰部損傷.但是,臺(tái)面高度也不可無(wú)節(jié)制上升,過(guò)高的臺(tái)面會(huì)對(duì)手臂部肌群產(chǎn)生額外負(fù)擔(dān),并影響用戶在臺(tái)面上的可達(dá)域范圍.

4 結(jié) 論

本文圍繞廚房水槽臺(tái)面人機(jī)高度的適老化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索研究,提出了綜合E點(diǎn)與H點(diǎn)高度的適老化水槽臺(tái)面高度設(shè)計(jì)方法.并輔以Jack人機(jī)工程軟件進(jìn)行仿真模擬校核,最終結(jié)論如下:

(1)針對(duì)適老化設(shè)計(jì)時(shí),廚房臺(tái)面應(yīng)高于H點(diǎn),盡可能接近E點(diǎn)高度,以保護(hù)老年人產(chǎn)生勞動(dòng)損傷.

(2)針對(duì)老年人用戶的廚房臺(tái)面應(yīng)低于主要是用者的E點(diǎn)高度2～3cm,避免增加臂部負(fù)擔(dān)和保證手臂可達(dá)域.

適老化設(shè)計(jì)是“以用戶為中心”的設(shè)計(jì)理念的具象化體現(xiàn),本研究使用方法和結(jié)論對(duì)提高老年人生活質(zhì)量,保障老年人身體健康,提出了一種新的研究驗(yàn)證思路,具有一定的借鑒指導(dǎo)價(jià)值.