基于E點和H點的適老化櫥柜臺面人機高度設計方法

李佳甡 朱 特

(1.中國藝術研究院,北京 100029;2.北京理工大學,北京 100081)

0 引 言

人口老齡化是我國社會發展的重要趨勢,也是我國今后較長一個時期的基本國情.習近平總書記指出“有效應對我國人口老齡化,事關國家發展全局,事關億萬百姓福祉”[1].老年人的幸福健康對社會家庭的和諧穩定起著關鍵作用,這就對居家產品的“適老化”提出了更為豐富和精細的需求.受生活習慣和傳統觀念影響,我國老年人傾向于居家養老,廚房是我國老年人使用頻次較高的空間,廚房中幾乎所有活動都是以櫥柜臺面為基礎展開,與老年人不匹配的櫥柜臺面人機尺寸會導致老年用戶產生腰酸背痛等“痛點”的產生,嚴重時更會引起肩周炎、腱鞘炎、腰椎間盤突出等疾病的發生.當前,大部分櫥柜廠家臺面人機高度根據用戶直立E點(肘點,E-Point)高度和經驗數據,結合國標推薦值確定,但這種人機尺寸計算方式不能較好得適用于老年人生理機能特征.

針對櫥柜適老化設計,許多研究已經提出了一些探索性方法.陳柳、湯重熹等人的研究以3D捕捉技術為基礎,提出了一種針對櫥柜設計的人機校核評價方法[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計原則和探索方向[3-5].葉威、郝致恒等人的論文,將Jack引入適老化設計研究中,彌補了單一主觀評價模式的不嚴謹性,實現了對設計方案適老化的主客觀綜合評價[6,7].但以上研究都僅提出了原則性設計方向,沒有量化的設計指導方法,實踐中依舊需要再次測試分析.

因此,本研究針對老年用戶的生活需求和習慣,力圖解決老年用戶與櫥柜臺面人機高度尺寸的適配問題,研究的結果可為櫥柜適老化設計提供參考和評價依據.

1 基于E點與H點的適老化臺面人機尺寸校核方法

1.1 H點與櫥柜臺面人機尺寸適老化設計

傳統櫥柜人機尺寸設計中,存在兩種臺面高度確定方法:第一種方法采用“用戶身高/2+5cm”,由于誤差過大,基本已經淘汰.第二種方法通常將用戶直立E點(肘關節點,Elbow-Point)高度HE作為確定臺面高度H的基礎,在此基礎上減去10～15cm為臺面高度.這種計算方法簡單快捷,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能退化,脊柱存在不同程度的駝背佝僂現象,腰臂部肌肉的收縮持續時間變短.導致洗炒切這類活動對于青年用戶屬于低負荷度身體姿態,對于老年用戶有可能變為中重身體負荷姿態.所以,需要引入H點(髖關節點,Hip-Point)高度HH用以優化櫥柜臺面人機尺寸的適老化能力.

H點最早多被應用于車內駕駛員的人機尺寸設計與校核中,該點是人上身軀干與下肢的連接點.相較于較為模糊與寬泛的腰點,H點能夠更好的描述用戶與機器的相對位置.并且,在常規重力環境下,人上下肢力量的傳遞必須經過H點,所以H點參數更方便模擬各種動作的仿真計算.相較于中青年人群,老年人E點與H點的垂直距離縮短2～5cm,老年人直立狀態下E點與H點不再共面,存在1～4cm的水平偏移,所以需要綜合考慮H點與E點的相對位置關系,以避免在洗炒切活動中老年人的腰、背、頸、肩的局部肢體超負荷作業.

1.2 基于H點和E點的綜合臺面高度模擬方法

《中國企業管理百科全書》將人機工效學定義為:研究人和機器、環境的相互作用及其合理結合,使設計的機器與環境系統適合人的生理、心理等特點,達到在生產中提高效率、安全、健康和舒適的目的[8].根據人機工效學中人體生理結構可知,在站姿態工作過程中,用戶腰、背、頸部彎曲幅度越小,持續工作狀態下用戶的疲勞度累積量越低,越不容易造成用戶勞動損傷.過高的臺面高度會導致工作中手臂向上不自然抬起,加劇肩部臂部肌群的疲勞.臺面的高度應該介于H點與E點高度之間,但是具體高度需要結合用戶自身特點確定.所以,櫥柜臺面的適老化設計中,需要綜合H點和E點的空間位置確定臺面的人機尺寸高度,滿足臺面的適老化需求.

針對中國老年用戶在廚房空間中圍繞臺面進行的最常見情境,通過用戶體驗歷程地圖選取水槽清洗這種典型廚房作業工況作為仿真情境.這個作業工況具備工作時間長、操作精確程度高、作業時效性不強的特點,在這類場景中存在較長時間的持續性勞動,容易誘發因為臺面高度不合理而導致的勞動損傷.

圖1 中國老年人廚房活動用戶地圖

2 Jack仿真試驗設計

Jack軟件是德國西門子公司研發的一款人機工程模擬仿真軟件,該軟件不僅預置有歐洲人和亞洲人的人體測量數據,還具有不同年齡段的人體特征數據,能夠支持多年齡段的虛擬人建模與運動仿真,還能夠方針計算人體疲勞度、舒適度、力量等生理學參數,在多領域得到了廣泛應用.本研究使用Jack中60歲中國老年人50%分位人體生理尺寸參數為基礎構建男女性模型,其中男性身高167.8mm,體重59kg,女性身高162.72mm,體重61.25kg,對水槽使用情境下的不同櫥柜臺面高度進行仿真,對比疲勞度和靜力學指標.

2.1 仿真環境設計

根據中國成年人人體測量尺寸國標GB/T 10000-1988,選取男60歲女55歲50%分位人體生理尺寸數據,H點高度為男829mm女775mm,E點高度為男1019mm女956mm.分性別設計兩組試驗環境,臺面高度起始值為780～1010mm,高度遞增步長為50mm,不足50mm時按實際步長增遞.臺面寬度按櫥柜行業標準設定為600mm,柜體長度取1000mm,水槽深度采用行業標準250mm,水槽居中放置.臺面模擬3D模型使用Rhino7構建,生成IGS文件并導入Jack進行仿真模擬.

圖2 水槽任務臺面仿真模型

2.2 仿真任務設計

清洗任務中,虛擬人站于臺面前30mm,手部伸入水槽150mm深度,用以模擬防水流濺射姿態,調整身體關節處于自然工作姿態,任務工作時長設定為15分鐘.

表1 Jack仿真任務設計

圖3 仿真任務設計

3 Jack仿真結果與分析

3.1 作業姿勢分析結果描述

針對不同高度水槽臺面,驅動男女虛擬人手臂抵達指定位置,并將身體其他關節調整至自然舒適工作狀態.使用Ovako作業姿勢分析系統對每個虛擬人的工況進行分析,結果如下:

圖4 男性虛擬人水槽清洗作業姿勢分析結果(臺面由低至高)

圖5 女性虛擬人水槽清洗作業姿勢分析結果(臺面由低至高)

針對老年用戶的水槽作業姿勢分析可知,低于H點的櫥柜臺面高度,極有可能引發用戶產生嚴重的肌肉系統損傷.介于H點和E點之間的水槽臺面高度,隨著高度接近E點高度,誘發肌肉系統損傷的可能性逐步降低.

3.2 后背部受力分析結果描述

針對不同高度水槽臺面,基于上述作業姿態分析結果.對用戶不同作業姿勢后背部受力進行分析,系統對每個虛擬人的工況進行測算,結果如下:

圖6 男性虛擬人水槽清洗作業后背部受力分析結果(臺面由低至高)

圖7 女性虛擬人水槽清洗作業后背部受力分析結果(臺面由低至高)

針對老年用戶的水槽作業后背部受力分析可知,隨著臺面高度的升高,后背部肌群承擔壓縮力迅速下降,幾乎實現了壓縮力的減半(1373N至703N,1212N至604N),前后剪切力緩慢下降.這意味著,對于老年用戶而言,臺面的高度越高,背部所需要承擔的長時間壓縮力需求越低,用戶更不容易產生明顯的疲勞感.而且,隨著臺面升高,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生腰部損傷.但是,臺面高度也不可無節制上升,過高的臺面會對手臂部肌群產生額外負擔,并影響用戶在臺面上的可達域范圍.

4 結 論

本文圍繞廚房水槽臺面人機高度的適老化設計進行了探索研究,提出了綜合E點與H點高度的適老化水槽臺面高度設計方法.并輔以Jack人機工程軟件進行仿真模擬校核,最終結論如下:

(1)針對適老化設計時,廚房臺面應高于H點,盡可能接近E點高度,以保護老年人產生勞動損傷.

(2)針對老年人用戶的廚房臺面應低于主要是用者的E點高度2～3cm,避免增加臂部負擔和保證手臂可達域.

適老化設計是“以用戶為中心”的設計理念的具象化體現,本研究使用方法和結論對提高老年人生活質量,保障老年人身體健康,提出了一種新的研究驗證思路,具有一定的借鑒指導價值.