基于Jack仿真分析的適老化淋浴座椅設計

■呂天娥，葉 威

(1.淮陰工學院設計藝術學院，江蘇淮安 223001；2.嘉興職業技術學院現代商貿學院，浙江嘉興 314000）

隨著人口老齡化程度的進一步加深，養老模式、養老政策、養老產品成為現代社會討論的焦點問題，居家養老為主，機構養老為輔是我國目前的養老政策，有90%的老年人居家養老，6%-7%的老年人依托社區養老，3%-4%的老年人入住養老機構[1-2]。根據國內外的經驗總結，社區內居家養老是最合理的養老方式。調研數據顯示：65.5%的老年人選擇獨立居住，僅26.8%的老年人當前居住狀態是與子女同住[3]。養老觀念的變化和擁有較充足的經濟資源導致老年人更傾向于獨立居住。

目前，我國家庭空間和家具設計很多地方不能夠滿足“養老”所需的安全性和舒適性等要求，如衛浴空間的家具，針對老年人在衛浴空間的行為習慣所作的家具產品設計鳳毛麟角。根據產品功能性將適老化洗浴產品分為主體洗浴產品和輔助洗浴產品，主體洗浴產品具有更高的功能性，包括適老化浴缸、介護式洗浴設備；輔助洗浴產品需配合其他產品使用，功能較單一，包括淋浴座椅、防滑扶手等。衛浴空間作為使用頻繁且危險系數較高的場所，衛浴家具的適老化設計尤為重要，其中，淋浴座椅是衛浴空間最具代表性的家具產品，淋浴座椅的適老化設計將大大提升老年人在衛浴空間的安全性和舒適性。

部分學者也在探討淋浴座椅的材料選用，如結合木塑復合材料應用性關聯要素進行分析，包括材料防水性能、安全性能、舒適度、裝飾性和材料搭配等方面，結合實際案例對設計理論進行檢驗實踐；何泰在《基于人性關愛的老年人沐浴座椅設計研究》中，從我國老年人目前的沐浴現狀及安全問題出發，由表及里地研究適老產品的設計要點，提出通用原則中人性關愛一點，并結合適老化產品設計原則，對老年人沐浴輔助座椅進行改良設計，但僅在造型、尺寸和宣傳等方面迎合用戶的心理，實際功能設計卻沒有從老齡人群的角度出發，未深入挖掘老年人的功能需求，缺乏對老齡人群心理層面的關懷。

1 老年人人群分析

1.1 老年人自理等級劃分

我國《老年人權益保障法》中規定老年人的年齡起點標準是60周歲。為了解老年人的健康及養老需求情況，宋岳濤教授在《老年綜合評估》中收集、整理了國內外大量的評估量表或問卷，老年綜合評估包括日常生活活動功能評估量表、認知功能評估量表等，基礎日常生活能力評定量表是目前應用最廣，研究最多的一種評定日常生活自理能力的量表[3]，根據《ADL評估量表》的Barthel的指數得分，將老人分為自理老人、介助老人、介護老人[4]，如表1所示。結合不同自理等級的老年人的具體表現并分析適老化衛浴家具的具體功能需求，對提高其使用體驗具有重要意義。

表1 老年人自理等級劃分

1.2 老年人身體特征分析

（1）老年人構造尺寸變化及原因

老年人身體特征首先反映在人體尺度的變化，老年人構造尺寸例如其身高會隨年齡增加而慢慢縮減，而體重、胸圍、臀寬等尺寸則隨年齡增長而有所增大。根據人機工程學研究，身高的縮減的原因在于椎間盤萎縮，椎體疏松變扁，脊椎彎曲度加大；體重等構造尺寸的增大是因為中年以后的人體新陳代謝水平的降低造成的[4-5]。老年人人體尺寸計算公式：

式中：H0為老年人身高，單位mm；Hy為成年人身高，單位mm。

（2）老年人功能尺寸變化及原因

根據人機工程學，老年人的運動機能隨年齡增長而衰退，因此帶來了功能尺寸的縮減，其影響主要體現在身體協調能力和下肢活動能力兩個方面。

身體協調能力下降的主要原因是老年人視覺、聽覺、觸覺等感覺器官的功能衰退，從而造成了反應時間長，反應不靈敏，導致其不能及時發現和規避危險。

肌肉彈性降低，肌腱、韌帶逐漸萎縮僵硬[2-6]，肌力和靈活性逐漸降低導致老年人下肢活動能力減弱。下肢肌肉力量的減退使老年人行走時會出現足上抬高度低，步長短的現象；同時老年人骨骼中的鹽成分增加，老年人跌倒更易發生骨折。

2 用戶需求調研

2.1 用戶訪談與洗浴場景繪制

適老化淋浴座椅設計不僅要考慮老年人身體機能特征，還需要結合老年沐浴行為習慣特征。由于老年人的身體機能下降，身體穩定性、關節轉動等方面都會變得困難，面對危險因素較多的衛浴空間，老年人行為與年輕人較為不同。筆者通過訪談20位不同家庭情況，不同健康狀況，不同養老方式的老年人，選取其中三位具有代表性的老年人進行場景圖繪制，分別為：訪談一，居家養老的李某（76歲）處于介助狀態，與兒女共住；訪談二，社區養老的王某（63歲）具有完全自理能力；訪談三，機構養老的孫某（71歲），處于介護狀態。腿腳不便，出行需他人攙扶或者使用拐杖。李某在家中采用淋浴花灑洗浴，未安裝淋浴座椅和防滑扶手，偶爾使用家中閑置的塑料凳，居家洗浴行為習慣如圖1所示。王某家中安裝弧形淋浴房，同時家中安裝壁掛式固定淋浴凳和防滑扶手，洗浴行為習慣如圖2所示。孫某則在專業機構養老，衛浴間均經過適老化改造，洗浴方式采用淋浴花灑方式，淋浴間內安裝置物架、淋浴座椅和左右防滑扶手，淋浴間內洗浴流程如圖3所示。

■圖1 居家養老淋浴流程故事板

■圖2 社區養老淋浴流程故事板

■圖3 機構養老淋浴流程故事板

2.2 老年人洗浴行為習慣分析

通過了解不同養老模式下老年人的洗浴全過程，分析其動作及實時心理狀態反應。同時，對老人洗浴流程進行分解，并歸納總結三種環境下老年人洗浴行為，將洗浴過程分為七個步驟[7]。從進入洗浴室打開淋浴器到穿衣離開，老人需要通過彎腰、伸臂、抬腿等姿勢轉換來達到洗發、沐浴、擦干等目的，如圖4所示。

■圖4 洗浴流程圖

3 基于Jack人因仿真的舒適度分析

筆者通過Jack構建人物模型、產品模型和動作流程，再通過構建數字人物模型使用普通淋浴座椅的動態仿真，進行人物模型使用過程中身體舒適度分析，通過分析結果進而分析人物模型對淋浴座椅的功能需求，指導淋浴座椅的設計[7]。

3.1 數據導入

作者在人物模型構建中參考胡海滔《老年人的人體測量》中的相關數據，Jack中完成人物參數導入。分別選擇身高和體重百分位數為50和95的兩名男性與兩名女性并對數字人體模型進行命名，依次為M1、M2、F1和F2，數字人物身體詳細參數如表2所示，構建數字人物如圖5所示。通過Rhino、Solidworks、3D max等三維軟件對目前市場上主流淋浴座椅進行構建，并保存igs格式文件，導入到Jack中。模型在三維構建時，首先對模型不同部分進行分圖，然后對圖層配色標注處理，這樣各個部件之間就有明顯的界限和區分，避免分析實體因沒有材質和顏色而不能便捷地進行動作調節[8]，可以直觀地發現動作變化，如圖6所示。

■圖5 數字人物

■圖6 普通淋浴凳

表2 四位數字人物部分參數表

3.2 舒適度定義及分析

本文的人體的舒適度評價是根據Jack中調節人體模型各關節角度及其調節范圍。在關節運動的舒適度范圍內的關節角度值均定義為“舒適”，反之定義為“不舒適”[9]。

根據人與座椅有無相互作用力或相對位移的變化情況，將使用座椅的助起和助坐過程中的狀態，分為靜態和動態。人坐在椅子上，人完全直立和人放松狀態下躺在椅子上，相對靜止可視作靜態。使用座椅的助坐功能從站立狀態坐到椅面的過程和老年人使用座椅助起功能從椅子上站起的過程，人與椅子相對運動，產生相互作用力故視作動態。分析老年人使用淋浴座椅時姿勢變換如關節轉動、關節彎曲等，并利用Jack動態仿真進行舒適度分析。

根據文獻分析以及實際調研，將整個起立和坐下的過程中的動作設置為勻速，同時，老年人起身時間約為1.69±0.31s[10]。本次仿真中選取人物M1為參考對象，并將動作放慢4倍，仿真過程設置為8s進行分析。如圖7所示，為老年人在普通淋浴座椅上的動態仿真，選擇8s過程中第1s、第2.5s、第4.5s的瞬間姿勢進行節點分析，結果如圖8所示。老人使用普通座椅起身過程中，左右肘內、左右手腕彎曲、左右大腿軀干和左右小腿舒適度值均超過合理區間。

■圖7 M1動態仿真過程

■圖8 M1起身過程內各關節舒適值變化

3.3 仿真結果分析

人體在起身過程中，根據重心運動，可劃分為三個階段：

（1）前傾動量期，軀干需要前傾，上半身產生動能，核心需要發力；

（2）動量傳輸期，身體前傾向上運動，身體重量由原來椅子支撐轉為轉為雙腳完全承重；

（3）伸展期，垂直速度減速至完全站立。

結合圖7和圖8的舒適度分析結果，為提高左右手腕、左右大腿軀干舒適度，可以考慮通過淋浴座椅增加助力功能，為老年人起身提供推力，以此減少老年人前傾動量期起身身體肌肉發力和降低關節的彎曲值。同時也要對老人在坐立和站立時的姿勢特點進行考慮，確保洗浴過程中重心穩定，即老人的“入坐”和“起身”這兩個動作能夠安全完成是最基礎的。

4 適老化淋浴座椅設計

4.1 產品設計定位

本設計希望通過用戶定位，結合設計原則，提出適老化淋浴座椅的設計方案。產品定位于自理老人以及介助老人，輔助產品可以提高這兩類老年人沐浴的舒適性以及完整性，從而提升老齡人群的自信心，滿足其自尊心。產品的使用環境定位于家庭和社區養老機構。

4.2 老人洗浴的生理和心理需求

自我實現的需求是人最高層次的心理需求，“不服老，不認老”是老年人群中的常見心理[11]。對于自理老人以及介助老人，由于年齡因素，疾病較少，頭腦清醒，大多數老人懂得安全對健康的影響，多數人會盡量避免危險的活動例如減少外出活動，只在熟悉的區域活動。老年人普遍對跌倒存在恐懼心理[11]，這種心理導致他們不敢去洗澡，洗浴需求不易滿足會導致其產生自卑心理，影響正常社交，造成老年人社會隔離增加，從而導致急躁和憂慮[12]。

4.3 產品的功能需求

青光眼、白內障是常見老年病，視力模糊且溫度感覺退化，使老年人易被燙傷。肌肉及骨骼系統衰退導致其肢體靈活程度下降，抓不牢東西，易跌倒，其中在臥室、客廳、浴室跌倒所占的比例最高，分別為14.28%,11.11%,9.31%，洗浴引起的跌倒非常普遍[11]。盆浴容易導致介護老人發生溺水、骨折等事故[12]。因此，安全是老年人產品的第一需求，淋浴座椅相對來說更適宜老年人使用。

洗浴椅的材質要具有防水、防腐蝕、防滑功能，避免洗浴時發生意外[13]。同時，功能上要求淋浴座椅通過輔助功能設計來保證產品具有一定的自理性，滿足老年人的生理特點，使老年人能夠獨立完成洗浴[14]。適老化淋浴座椅的功能需求，從淋浴座椅尺寸、座椅衛生問題、輔助功能、座椅材料和座椅便捷性五個方面展開，并提出具體的解決思路，如圖9所示。同時，針對淋浴座椅的設計設定功能目標。

■圖9 淋浴座椅功能設計

4.4 產品的安全功能的實現

對于適老化淋浴座椅產品，安全是設計中的首要問題，是設計中的難點，根據仿真結果分析具體解決方案如下：

（1）降低起身前傾角。老年人在執行起身動作時，軀干的前傾角會較大，如圖10所示。輔助起身的動力使老年用戶不需要進行補償性動作，會降低其軀干前傾角，減少髖、膝及踝三個關節的運動范圍，減小髖關節與踝關節的作用力矩，從而保證老人起身的安全，提高產品安全系數[15-16]。

■圖10 老年人起身前傾角

（2）防止“跌進”。起身和坐下包含全身移動，但起身動作為抵抗重力，而坐下則是利用重力（向下移動）。所以，有許多老年人是“跌進”而不是“坐進”座椅；尤其在衛浴空間的濕滑地面，跌進對老年人來說相當危險。因此，座面在入座過程中應盡量靠近老人。

4.5 產品的用戶使用體驗的提升

提升適老化淋浴座椅產品的用戶使用體驗是設計中的重要問題，根據洗浴流程分析具體解決方案如下：

（1）花灑的升級設計。淋浴花灑的拿取方式和尺度與產品的功能設計以及用戶的使用體驗息息相關。通過在花灑上設計溫控鍵、水控鍵和溫度顯示燈，使得花灑可調節水力強度大小和溫度高低以及水控開關，帶來更好的用戶使用體驗[17-18]。

（2）必要輔助功能設計。洗發、擦拭沐浴露和擦干身體是沐浴過程中重要的環節，在老年人最小功能尺寸范圍內提供置物功能，如圖11所示，通過置物功能設計可簡化老人的操作，減少老年人起身次數，降低老人洗澡過程中存在的危險，提高老人洗浴體驗感和自信心。

■圖11 淋浴座椅輔助功能設計

4.6 設計方案展示

適老化淋浴座椅設計方案一為獨立式淋浴座椅，如圖12所示，座椅外框架采用曲線鋼管結構，提供穩定結構的同時，不失美觀。座椅的前腿底部采用吸盤式防滑腳墊，前腿之間橫撐上安裝兩個卡扣式腳踏板，便于老人清洗小腿和腳；后腿安裝醫療萬向輪，便于座椅的移動。同時，為了便于老人坐姿清洗，坐板采用凹型設計[19]。坐板與靠背均采用ABS材質，且表面配置EVA防滑坐墊來提高座椅的舒適度。扶手端表面采用EVA材質，尾端采用可旋轉上翻固定設計；椅腿間橫撐上調近座面，兩邊橫撐均可放置置物籃，置物籃內可放置沐浴露、洗發露等洗浴用品。右邊安裝花灑卡扣，便于老人取放花灑。ABS座板下安裝機械助起裝置，機械裝置下安裝360°旋轉底座，以提高老人坐姿下的觸及范圍。如圖13所示淋浴座椅放置于居家衛浴空間內場景圖。

■圖12 獨立式適老化淋浴座椅效果圖

■圖13 場景圖

適老化淋浴座椅設計方案二為壁掛式淋浴座椅，如圖14-圖15所示，座椅椅背后框架采用高密度環保塑殼層，一體成型結實，牢固。安裝前在家人幫助下試用，從而確定適合老人的使用高度，用膨脹螺栓將后框架及扶手框架安裝在浴室墻面上，節省浴室空間，避免可移動式座椅的翻倒情況，安全系數更高。同時，為了便于老人坐姿清洗，坐板采用局部鏤空設計。扶手、坐板與靠背均采用ABS材質，且表面配置防滑設計來提高座椅的舒適度與安全度，框架式左右兩側扶手提供可將置物籃固定于產品上的四個下凸固定點設計，置物籃內可放置洗浴用品，固定式設計更安全。左右兩邊安裝花灑磁吸板，便于老人取放花灑。ABS座板下安裝高壓支撐桿，使座板可下翻和保持水平，如圖14所示壁掛式淋浴座椅放置于居家衛浴空間內，不用時可將座板翻下，兩側扶手仍可作為站姿洗浴助力支撐、防滑扶手以及起到置物架、毛巾架的作用。同時，座板加寬方便老人入座和姿勢變換，尺寸設計如圖15所示。

■圖14 壁掛式適老化淋浴座椅效果圖

■圖15 壁掛式適老化淋浴座椅尺寸

5 結語

本文以適老化淋浴座椅為設計對象，研究老年人洗浴行為習慣下的功能需求、生理及心理需求等特征，總結歸納適老化淋浴座椅的設計要素，在此基礎上，結合jack虛擬仿真軟件進行人機工程學的數據分析，得到適老化淋浴座椅高老年人洗浴舒適度和安全性的要點，針對這些要素和要點，設計了兩款不同類型的適老化淋浴座椅產品。