基于系統論的老年人如廁助力產品創新設計研究

邊佳思 胡文杰 韓志偉

摘要：本文通過系統論方法，結合老年人產品的相關文獻、市場現有調查，分析老年人在如廁過程中整個系統各因素之間相互的聯系，進行有機整合，提出適合的創新設計方案。該老年人如廁助力裝置創新設計不僅提升了老人使用的舒適度及安全性，且裝置為純機械手動結構、裝卸簡單，更具經濟性和普適性，契臺了當前中國家庭對老年人如廁助力裝置的需求點。

關鍵詞：系統論;老年人;如廁助力產品;創新設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）04-0076-03

我國老齡化進程加快，老年人口的比例持續增大，預計到2050年將達到38.6%[1]。在此背景下，養老問題應得到足夠關注。衛生間是老人經常發生事故的地點，如廁又是老人在衛生間進行的一項主要活動。圍繞該活動，針對性地設計出符合我國家庭生活需求的老年人如廁輔助產品，能有效提升老人在生活中的幸福感，使其充分感受到全社會對老人群體的關懷與關注。

1 系統論概述

系統一詞源于古希臘語，意思是由部分組成整體。系統論最初的定義是相互聯系相互作用的諸元素的綜合體，但由于它涉及較多領域，后面對其定義也各有不同，所以出現了一般系統論來總的概述系統的共性，其定義為：由若干要素以一定結構形式聯結構成的具有某種功能的有機整體[2]。它包括了系統、要素、結構、功能這四種概念，以及由這四種概念組成的要素與要素、要素與系統、系統與環境三種關系，主要用于研究系統的一般模式、結構和規律。系統論的基本原理主要是整體性原理、相關性原理、層次性原理、目的性原理，其主要思路是把研究對象當作一個系統，并對系統中的系統、要素、結構與功能之間的關系進行分析，以此來實現系統整體的優化。

2 老年人如廁助力產品的現狀

在老齡化程度較高的美國和日本，老年人專用的衛浴產品已普及化，而我國由于傳統觀念、政策法規、市場導向等因素，針對老年人衛浴產品市場的發展停滯不前，存在著較大空缺。針對如廁助力的產品，多數都是對馬桶進行再設計，結合助力系統與數字信號傳輸技術以達到輔助老人起身與坐下的效果，但這種結構復雜、價格高昂的馬桶與老年人的養老理念相矛盾，而脫離馬桶進行設計的如廁助力裝置卻相對占少數[3]。

在老年人如廁助力裝置這方面的產品，市面上主要分為兩大類，一類需要動力源作為支撐，另一類無需動力源作為支撐。第一種如廁助力器主要通過電機推動氣缸的方式將如廁后的老人從墊圈上緩緩抬起，如圖1所示。其優點是完全由電機提供動力，對于坐下及起身老人無需自行發力，運行穩定;而缺點是售價高、需要在浴室潮濕外接電源、容易造成損壞、不可中途停止、墊圈結構的固定影響其他人正常使用馬桶等。第二種如廁助力器主要是一種支架結構，老人如廁后需要自身發力并依靠支架的支撐起身，其形式主要有扶手和助力支架，如圖2所示。其優點是售價低、結構簡單、移動方便，不妨礙其他人正常使用馬桶;缺點是老人完成坐下及起身行動需要自身發力，對膝蓋并沒有起到保護作用。

對于居家養老的老年人來說，他們需要的應該是一款安全、穩定、操作簡單且價格適中具有普適性的如廁助力裝置來解決他們在如廁過程中坐下與起身困難的問題。

3 基于系統論的老年人如廁助力產品設計的意義

由前文的市場現狀可知，市面上關于老年人如廁助力方面的產品，主要存在形式為價格昂貴的液壓式助起設備與價格低廉但安全性與穩定性較低的輔助支架。這些產品中的大多數在設計時都只是片面地關注功能的實現、理想狀態下的使用體驗等，對于產品的使用環境、用戶的心理需求、操作的合理性、容錯機制等方面完全沒有考慮。所以這類產品放在實際生活中使用會出現很多這樣那樣的問題，市場反饋并不好。只有將老人如廁這一活動置于一個系統中，從系統論的角度分析，將設計部分聯系有序集合，各部分功能相互有機整合，構成完成特定目標的產品，根據老年人的生理及心理特性，以設計出更為符合我國家庭需求的老年人如廁助力裝置，對改善老年人的如廁問題具有一定的意義。

4 老年人如廁助力產品的系統問題分析

“人——機——環境”系統中產品的開發，在開發產品的時候除考慮產品本身的因素以外應考慮更多的環境的因素、人的因素[4]。這三個因素之間是相互作用、相互依存的。在此理論基礎上，提取了老人在使用如廁助力裝置過程中與本設計相關的4個因素以及相互之間的3組關系，如圖3。通過分析各關系中的問題，提出相應的設計點，解決相應的問題，協調好系統中的各個關系。協調“人——產品——環境”的關系是產品設計的核心問題[5]。通過各個設計點，逐步推導出整個設計的全貌。

4.1“衛生間——助力器”關系

衛生間是如廁助力裝置的使用環境。衛生間的空間尺寸、環境布局、地面平整程度等都是影響助力裝置設計的重要因素。在這一關系中最主要的問題是助力裝置的尺寸與衛生間空間的矛盾，所以裝置具有良好的人機體驗以及安全穩定的同時，裝置整體不宜過大，否則會擠占衛生間過多的空間。裝置的安裝也應盡量避免需要破壞墻體等操作。衛生間環境濕滑，若助力器設計為電力驅動的話，使用危險系數比較高，且衛生間環境對電源的供應有限制因素。基于衛生間環境的特點，選擇何種動力源用于助力是本方案設計的重點。

4.2“助力器——馬桶”關系

如廁助力裝置屬于對應馬桶這一器械的輔助使用裝置。助力裝置的設計不能影響其他不需要助力的家庭成員使用馬桶的體驗。根據整體性原則，裝置尺寸應適用于我國家庭中絕大多數的馬桶，滿足安裝后安全穩定，具有良好的匹配關系。

4.3“助力器——老人”關系

老年人是如廁助力裝置的使用者，而且是整個“人——機——環境”系統的核心。老年人因為年齡增長，各生理機能發生衰退[6]。主要體現在：靈敏度下降、肌肉強度以及控制能力減弱等。老年人的心理特征隨著生理機能的衰退也發生了變化，主要體現在：心理安全感下降、自理與自助心更強等。老人使用助力裝置時生理和心理兩層面的感受，是評估老年人如廁助力裝置的一個重要指標。

在針對老年人輔助產品的研究上，也應愈發注意老年人的心理及情感，增強產品的易用性，降低產品的操作復雜度，產品設計的功能與服務應等位，增強人性化體驗與參與感，避免使老人產生畏難心理[7]。從老年用戶角度出發，半自動的輔助設備更能增強老年用戶的參與體驗感，根據以上特征進行設計考慮，應當增強助力裝置的可操控性，做到裝置即按即停，使裝置及時適應老人的使用狀態。產品交互和諧促進其使用自信。扶手的添加也能很好地緩解使用時的不安全感，并以此保護老人。綜合考慮，將即按即停的功能結合到扶手上，可增強使用過程中動作的連貫性以及使用過程中的行為規范，減少誤操作的產生。

5 基于系統論的老年人如廁助力產品創新設計實踐

系統論分析為產品提供了系統設計的對象核心，以助力器設計的整體綜合性作為出發點，著重考慮整體與部分之間的相互關聯和相互作用，綜合人機分析設計擬解決的關鍵問題。助力器設計實踐分為三個方面：功能設計、人機尺寸設計和造型設計。

5.1功能設計

設計對象的各層子系統都有對應的功能和目標，助力設備由多個子功能組成，系統性設計著眼于總體的最高目的，而實現輔助用戶起身坐下為產品的最終目的功能，它的實現需要通過其他子功能的存在來實現，為實現其不同功能所需的目的功能與手段功能關系如圖4表示。

將設計對象局部細分，明確表現出如廁助力設備的結構功能，從功能定義出發[6]，明確設計思路，利用5W2H提問法自檢完成設計過程。產品功能定義見表1。對各部分功能定義進行局部設計。

5.1.1升降機構

實現升降可通過制動電機和升降桿、曲柄搖桿機構或齒輪輪系機構來完成。為保證良好的升降動作和功用及可控的上升角度，綜合產品的一般價值，選擇用齒輪和導軌的嚙合來解決馬桶坐墊的上升與下降問題。內齒輪半徑不變，通過調整主動輪的大小與桿長度，使坐墊中點處上升至適宜的高度及傾斜角度。設置了三個齒輪構成傳動輪系，三個齒輪的作用分別是：齒輪1與杠桿構成主動件，齒輪23傳遞動力，使結構更加緊湊，如圖5。

5.1.2儲能機構

此裝置的輸出力，即坐墊上抬支撐力需要足夠大，將用戶支撐升起，需要儲能機構作用放大而省力。利用彈簧儲能，當用戶坐下時，重力所做的功被儲存下來轉換為老人起身時將其抬起的部分能量，使老人省力。老人坐下時，坐墊下降帶動齒輪及壓桿對彈簧進行拉伸，既可以對坐下的動作進行減速緩沖，也能夠將能量儲存下來。當用戶準備起身時，彈簧又能夠回彈，釋放能量，加之用戶本身對扶手施加的支撐輸入力做功完成起身動作。

5.1.3安全開關

為使裝置達到隨按隨停的安全保護效果，在用戶支撐把手處增加了棘爪機構的開關，只有當用戶下壓把手及把手處的開關時，開關控制壓桿帶動卡扣，使扶手解鎖，扶手得以下壓，彈簧得以回彈。此過程中，當用戶松開開關時，卡扣卡入齒條，裝置鎖住，導軌和扶手固定，實現了用戶可以在任意位置停止和起身的操作。避免了因升降速度不適宜老人的膝蓋的彎曲速率導致用戶失穩情況的發生。開關裝置圖如圖6。

5.1.4總體布置

將上述各部分功能要素進行有機整合，構成整體系統。此產品使用過程如下：用戶起身時按下按鈕，下壓扶手，卡鎖棘條機構解鎖，帶動齒輪輪系旋轉，此過程彈簧回彈，使用戶支撐力減小，坐墊得以平穩抬起用戶;用戶坐下時，按下按鈕，此過程彈簧拉伸對用戶動作進行緩沖，機構圖如圖7。

5.2人機尺寸設計

考慮人與產品之間的關系因素，通過人體工學數據對裝置設計進行因數調整，在保證產品結構功能的同時更滿足了老年人對于更好體驗的需求，使產品更富有人性化。從以身高為基準的設備和用具尺寸推算刪，選取9號數據，結合身高和設備用具尺寸，進行數據修正，所取設備高度為420mm。產品尺寸坐墊高度符合市場馬桶高度，能良好契合，具體尺寸如圖8。老年人的手部力量下降，約為中等體力青年男女工作者工作時手臂力量的16%～40%在老人向下支撐過程，手臂為自然下垂狀態，需血量和供血量相等，支撐力不考慮靜態施力對人體最大肌力的影響。根據支撐力進行坐墊上升最適宜角度的計算與分析：若彈簧處于桿末端，彈力范圍為60N～110N，把手下壓高度h=210mm，杠桿下壓角度63°，方便老人坐下的彈力范圍60N～100N;若彈簧位于桿距離圓心1/5處，彈力范圍為300N～500N，下降高度42mm，低位F彈1=300N，高位F彈2=500N，工作伸長量f=42mm。經運動分析，坐墊上升角度18°，坐墊上升高度108mm，角度尺寸如圖9。

5.3外觀設計

根據相互聯系性原則設計產品外觀，設計時綜合考慮產品與環境結合時的整體效果以及用戶的視覺感受。產品箱體為方形立式，邊角形態圓潤，防止磕碰。造型簡單大方，形態表現風格穩定，顏色以潔凈白色為主，飾以藍色按鈕，配色和諧不突兀，凸顯安全潔凈，給老人積極的心理暗示。箱體材質為綜合性能良好的熱塑性塑料ABS，有強度高、輕便、表面光滑、易清潔處理等優點。產品內部棘條、齒條、桿件、開關控制件采用減摩耐磨性好的POM聚甲醛材料。產品輔助馬桶使用效果圖如圖10。

6 結論

基于系統論設計的原則，設計出針對中國家庭的老年人如廁助力創新產品。結合相關文獻以及市場現狀調研，通過對老年人如廁過程中各因素之間的關系進行分析，研究其各構成單元的技術效應和相互制約條件，調試其功能間的關系，從而增強完成裝置產品布置的整體性。發現問題并提出設計點，以此引導設計的形成。新的設計方案優化了老年人的用戶體驗，安全保護措施，還充分考慮到了產品對于環境的適應性。此助力產品后續工作將繼續對結構、維護、使用過程做進一步優化，以真正符合國內普通家庭對于經濟實用的老年人如廁助力產品的需求。

本文系長江大學2019年大學生創新創業訓練計劃項目基金資助（項目編號：2019148）。

參考文獻

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[9]石英.人因工程學[M].北京：清華大學出版社， 2011：35.

作者簡介

邊佳思/1999年生/女/湖北武漢人/本科/研究方向為工業設計（湖北劑州434000）

韓志偉/1999年生/男/湖北荊州人/本科/研究方向為工業設計（湖北荊州434000）

胡文杰/1999年生/男/湖北武漢人/本科/研究方向為工業設計（湖北荊州434000）