基于Jack仿真系統的大學宿舍儲物設施改良研究

黎維 羅詩琦 劉少宇

摘? 要：為了改善宿舍儲物設施使用環境，提高大學生收納的易操作性，文章以人機工程仿真軟件Jack為工具，建立了更符合大學生身體數據的虛擬人體模型和宿舍儲物設施人機工程仿真模型，分析了大學生的臂展可達性、腰椎舒適性和拿取物品難易程度，辨別現有宿舍儲物設施設計中的缺陷。通過生理學、人體測量學、心理學、生物力學與設施的物理特征和結構相結合，從板件分布、構件添加、材質處理等方面對現有儲物設施進行優化改良設計。

關鍵詞：Jack虛擬仿真技術；儲物設施；改良設計；人機工程

中圖分類號：TP391.9；TS664 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）04-0148-05

Research on the Improvement of College Dormitory Storage Facilities Based on

Jack Simulation System

LI Wei， LUO Shiqi， LIU Shaoyu

（Sichuan Agricultural University， Chengdu? 611134， China）

Abstract： In order to improve the use environment of dormitory storage facilities and improve the operability of college students' storage， a virtual human body model and a Man-Machine Engineering simulation model of dormitory storage facilities that are more in line with college students' body data are attempted to be established by using the Man-Machine Engineering simulation software Jack. On this basis， the reach ability of college students' arms， lumbar comfort and the difficulty of taking things are analyzed， and the defects in the design of existing dormitory storage facilities are identified. Through the combination of physiology， anthropometry， psychology， biomechanics and the physical characteristics and structure of the facilities， the existing storage facilities are optimized and improved in terms of plate distribution， component addition and material treatment.

Keywords： Jack virtual simulation technology; storage facility; improved design; Man-Machine Engineering

0? 引? 言

隨著人們對儲物空間的要求越來越高，拿取方便又能最大程度起收納作用的儲物設施成為設計合理性的關鍵之一。針對某大學宿舍中設計不合理的儲物設施，通過調研問卷、場景重現等方法，發現其不能滿足基本儲物需求，且日常拿取難度超過人體本身行為負荷，因此需要從人因工程學的維度對現有儲物設施進行改良，以實現宿舍儲物空間的優化利用。人因工程學是研究人和機器、環境之間互相作用，使設計的機器和環境系統合適人的生理、心理等特征，以達到在生產中提高效率、安全、健康和舒適的目的，使人機系統滿足人的特性并實現安全高效目標的一門交叉性應用學科[1]。其主要方法大致分類為調查法、觀測法、實驗法、心理測量法、心理測驗法、圖示模型法，文章主要選用觀測法和實驗法對研究對象進行實驗評估，我國的人因工程學相關研究始于20世紀50年代，比國外晚了近20年，在儲物設施方面，我國具有悠久的整理收納體系和文化，時至今日，仍有相當一部分的構件可以用于現代儲物設施中。目前比較流行的人因工程學量化方法是由德國西門子公司開發的Jack人因評估工具[2]，通過使用Jack能夠分析人體作業過程中工作對人的影響，包括對量化人體的生理狀況，文中采用Jack動態模擬和類比方法，對人體不同姿勢下拿取物品的關鍵生理部位進行人機工程設計與輕量化設計，使儲物設施的內部結構，有限空間規劃更加合理，提高人體拿取及收納物品的安全性和易操作性。

1? Jack虛擬仿真技術概述

Jack軟件是人因工程的思想，集三維仿真、數字人體建模、人因工效分析為一體，通過創建虛擬數字人和導入外部三維模型，建立仿真環境并指定數字人模擬任務進行研究分析，從而高效低成本的進行實驗，設計出更安全，更符合人體工程學的產品[3]。Jack能夠根據需求選擇不同類型的人體模型，自定義人體的大小和形狀，還可以控制人體模型執行各種運動指令。實際應用中，在創建好的仿真環境內，可以調整模型的大小狀態和相機視圖，靈活檢測人體模型與周圍環境的相適應程度，以達到更逼真的效果，進行準確的工效學研究[4]。當給虛擬人體指派任務時，人體的頭頸部、軀干、骨盆、手臂、大腿、腳等部位都可以調整控制，可進行背部受力分析、靜態強度分析、工作姿勢分析等研究，創建完一個場景后，還可以進行保存和回放，方便再次調整實驗。

2? 宿舍儲物設施設計現狀

隨著生活水平的提高和信息化時代的到來，高校大學生對宿舍的居住環境要求也越來越高，而家具作為大學生宿舍內的基本構成部分，對學生日常生活作息有著重要的影響。美好的大學生活與宿舍條件息息相關，宿舍家具體驗的好壞，亦是決定了學生在校的生活質量[5]。

以某高校學生宿舍為例，宿舍面積設置整體偏小，有限空間內僅能容納基礎的床鋪和桌椅等家具，除此之外的剩余空間利用率較小，忽略了學生在宿舍活動、休息、儲物、學習和交往的需求；同時家具的人性化設計和使用功能方面也有不足，較少考慮到獨立空間的營造，忽略了當代大學生的隱私和個性化要求。在此條件下，本應承擔宿舍主要儲物功能的柜體設施卻無法滿足基本需求，據有限調查問卷數據，60%以上的同學認為儲物區應該進行改良，在日常生活中，儲物設施存在空間不足、高度設置不合理、分區過少導致有效利用率低、使用困難等問題。基于虛擬仿真軟件Jack的特點和關鍵技術，對學生宿舍的儲物設施進行改良設計，改善效果良好。

3? Jack虛擬仿真改良宿舍儲物設施的過程

3.1? 創建Jack虛擬仿真評估環境

通過實際測量后，使用3ds Max軟件建立宿舍儲物設施的三維模型，其尺寸均為實際測量所得。模型建立完成之后，將其導入到Jack軟件中，創建一個虛擬的環境進行測驗分析。虛擬仿真環境的建立是否符合現實要求是宿舍家具使用舒適性測試的前提，其次是數字人體模型的調試和宿舍儲物設施模型的放置，為了使研究結果更加通用化、普適性，虛擬仿真環境中的數字人模型選取CHINESE數據庫中第50百分位的人體尺寸標準，并對其進行基本的形態檢查，如發現比例異常等現象，及時進行調整，確保人體模型可正常進行實驗[6]。文章基于實驗情況，主要操作步驟分為以下三部分，根據使用者日常行為習慣，結合宿舍儲物設施的實際使用情況，在建立的虛擬仿真環境中進行人機舒適性評估，確定文章以“俯視狀態”“仰視狀態”“平視狀態”三種狀態為主要工作姿態，并選擇靜態強度分析、舒適度分析柱狀圖以及勞動姿勢負荷狀態圖對改良前后的儲物設施進行評估。

3.2? 分析改良前儲物設施舒適度

前期通過觀察使用者與儲物設施之間的有效行為互動并對其進行詳細記錄和動作拆分，指定人體模型3種不同工作姿勢為主要取物動作，而后進入Jack，在創建完成的虛擬仿真環境中調整數字人的各關節部位，試圖最大限度地逐一還原工作姿勢，并分別對其取物動作依次進行舒適度以及靜態強度評估。

動作一：拿取第三層的衣物，數字人雙臂高抬起拿取較高處收納箱衣物等，此姿勢的靜態強度評估，圖中各參數均在正常范圍內，但舒適度分析顯示僅肘部關節在綠色的舒適范圍內，手臂、大腿、膝蓋等關節都僅為黃色的較舒適范圍值。動作分析和詳細數據如圖1所示。

動作二：拿取二層疊放區物品，雙臂自然下垂肘部彎曲拿取適宜高度的疊放衣物。這個姿勢靜態強度分析圖顯示手腕、肘、肩膀等各關節完成百分數都處于100%。舒適度分析數值部分處于舒適模式范圍內，說明該動作舒適度良好。動作分析和詳細數據如圖2所示。

動作三：拿取行李箱等最下層物品，頭部低垂，上半身微向下曲拿取較低處的物品。可以看到數字人雙臂和肘部部分都保持著良好的舒適度評級，其余關節舒適度較良好。靜態強度分析圖參數顯示臀部百分比不足100%。動作分析和詳細數據如圖3所示。

3.3? 提出宿舍儲物設施改良設計方案

通過上文對宿舍儲物設施的舒適度和靜態強度的評估，發現宿舍儲物柜的設計不合理處，運用人體工程學和家具設計規范對其進行改良設計。調查研究發現，對于大學生這一用戶基數龐大的使用者來說，與家具適用性的磨合程度間接關系到大學生的生活質量。在實際生產設計過程中，家具設計這一項目尤其關注實用性、美觀性、綠色化、經濟性等原則，就儲物設施來說，其共性特征應為構成要素統一、功能分區明確，造型設計重點集中，柜門、腳型、拉手的構成形式相似，空間形態的共通性，在這些條件下，結合設計中運用的生理心理學原則、美學原理，人體工程學等相關學科知識，依據人體形態結構和基礎運動技能特征，對家具進行物理結構分析和使用適應性測試，進行人性化的改良設計[7]。通過實物分析，儲物柜共分為四層，頂層高度高約3 100 mm設置過高，拿取不便且日常使用率低，滿足度低，對于第95百分位的人體來說也是相當困難的；底層高度僅高約600 mm設置過低，日常使用需要人體大幅度彎腰且極易磕碰，滿足度和舒適度同等低，只適用于第5百分位人體；每層空間并未進行功能分區，導致堆疊冗雜，且沒有適當隔斷和掛衣架，衣物和其他物品無法分門別類進行擺放。

基于上述實驗結果和分析，對此進行宿舍儲物設施的改良設計，將原有利用率低的最上層空間壓縮減小，作為不常用衣物存放區，增大符合人體工學最方便拿取高度的第二層空間大小，最下層也根據市面普通行李箱尺寸進行了高度調整；增加了多個功能分區，如疊放區、掛上衣區和掛褲區、大衣晾掛區域和雜物共用存放區等，盡最大可能為第50百分位人體所使用，如圖4所示。

3.4? 分析改良后宿舍儲物設施舒適度

利用Jack仿真進行改良后舒適度分析，將改良設計后的儲物設施3ds Max模型文件導入Jack中，同時重復上述動作即創建位于第50百分位的虛擬數字人模型和新的虛擬仿真環境，進行舒適度及靜態強度評估實驗。分析結果如圖。

動作一：拿取掛衣區的衣物，數字人單手抬起抓握衣物。此姿勢的舒適度分析顯示范圍基本處于合理值內，動作瞬間僅會產生局部不適。靜態強度評估圖中各參數均在正常范圍內，說明該動作舒適度良好。動作分析和詳細數據如圖5所示。

動作二：拿取疊放區物品，雙臂稍微抬起手部呈抓握姿勢。靜態強度分析圖顯示手腕、肘、肩膀等各關節完成百分數都處于100%。舒適度分析數值大部分處于舒適模式范圍內，說明該動作舒適度良好。動作分析和詳細數據如圖6所示。

動作三：拿取行李箱等下方物品，頭部低垂，上半身微向下曲。可以得出數字人頭、右上臂、肘部、小腿、腳等部分都保持著良好的舒適度評級。靜態強度分析圖參數仍基本合理。動作分析和詳細數據如圖7所示。

通過再次模擬動作進行舒適度分析發現，數字人在優化設計后的儲物設施上以三種不同姿態拿取物品時，各項有關生理結構舒適度及靜態強度參數皆在正常浮動范圍內，能夠符合人體本身行為負荷標準，提升了使用者對于改良后儲物設施的適應程度。

4? 結? 論

文章立足于某大學宿舍儲物設施的現實問題，以Jack軟件為主要工具，通過模擬使用者的取物姿勢和其他工作狀態，對存在問題的儲物設施進行線上動作拆分仿真模擬實驗，發現設施中存在的人因工程問題，從而在原有儲物設施基礎上展開針對大學宿舍儲物設施產品結構、造型及人性化問題的優化改良設計，探究更為舒適實用的宿舍家具使用狀態。經改良后的家具設施初步滿足了用戶需求、細微調整了家具材質、提高了使用者主觀滿意度，后再次放入Jack軟件中進行仿真分析，經驗證改良方案符合GB/T 12985—91，有效提高了儲物設施的安全性、實用性以及客觀滿意度。改良后的儲物設施更加符合人因工程學要求和家具設計規范，但受制于現實因素的緣故，例如生產成本資金和實際地理環境等因素，并未投放入市場及學校使用，以進一步驗證其線上線下統一舒適度和靜態強度評估標準的通用性，在后續的研究中將繼續通過人因工程學及家具設計規范進行更高標準的改良設計，為其他宿舍儲物設施的人因工程改良研究提供有效參考價值。

參考文獻：

[1] 劉漸棟，鄒雄博，汪書帆，等.考慮人因工程的折疊儲物柜設計 [J].物流技術，2021，40（11）：130-133+152.

[2] SUNDIN A，?RTENGREN R，SJ?BERG H. Proactive Human Factors Engineering Analysis in Space Station Design Using the Computer Manikin Jack [J].SAE Transactions，2000，109（6）：2237-2242.

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[5] 于歷戰，胡鈺銘.高校學生宿舍家具的人性化設計——以清華大學為例 [J].裝飾，2018（5）：96-99.

[6] 王平凱，鐘嶺.基于Jack虛擬仿真技術的校園床位設施優化設計 [J].工業設計，2021（9）：157-158.

[7] 孫麗麗，吳珊珊，瞿宇靜，等.基于人機工程學的大學寢室家具設計初探 [J].新經濟，2016（30）：123-124.

作者簡介：黎維（2002—），女，漢族，四川成都人，本科在讀，研究方向：產品設計；羅詩琦（2002—），女，漢族，四川成都人，本科在讀，研究方向：產品設計；通訊作者：劉少宇（1986—），男，漢族，四川德陽人，專碩導師，碩士，研究方向：視覺傳達設計、虛擬現實技術、智慧旅游。

收稿日期：2022-09-21

基金項目：四川農業大學本科生科研興趣項目（2022420）