橱柜操作台面人机尺寸适配性研究

■李银霞，王慧玲，呼慧敏，程伟宏 Li Yinxia & Wang Huiling & Hu Huimin & Cheng Weihong

(1.郑州大学机械与动力工程学院，河南郑州 450001；2.中国标准化研究院人类工效实验室，北京 100191 3.国家市场监管重点实验室（人因与工效学），北京 100820）

厨房与人们生活密切相关，但由于厨房操作台面高度不合适而导致的腰酸背痛等“痛点”问题却也一直困扰着人们，随着疫情反复及人们对健康饮食生活的追求，在家烹饪频率增加，橱柜操作台面的高度匹配性和舒适性更是成为人们关注的重点。当前，橱柜操作台面高度主要依据人体百分位数据、理论分析、主观评价[1-3]或者采用国家标准给出的推荐值[4]确定，是适用于大部分人群的固定高度。随着人们对橱柜操作台舒适性诉求的增加，研究人员开始对橱柜智能化设计进行研究，可调节高度的操作台逐渐走进人们的生活[5-6]，这也将有助于逐步解决“痛点”问题。本研究主要解决橱柜操作台面人机尺寸适配性问题，研究结果可为橱柜智能升降系统的适配性设计及评估提供数据参考和方法依据。

1 .研究方法

1.1 技术路线

本研究针对切菜、炒菜、揉面、洗盘四种典型的操作任务，分别选取八个测试高度进行测试，采用主客观相结合的方法研究确定最舒适操作台面高度[7-9]。

采用表面肌电测试、足底压力测试等两种客观实验方法及主观评价方法分别评估出最优操作台面高度，并进行相关性分析，计算主观和客观评价得出的最优操作台面高度上下四分位数的平均值，将其作为综合最优操作台面高度，在此基础上建立身高、性别与操作台面高度之间的线性回归方程，最后进行分析验证。技术路线如图1所示。

1.2 实验设计

1.2.1 实验流程

使用马丁尺、体重秤等仪器测量被试者基本信息，被试者熟悉操作任务及注意事项，肌电片粘贴并检查阻抗及连接状态，确认阻抗小于10kΩ、连接无误，穿戴鞋垫设备并调零，不同操作高度下被试者对切菜、炒菜、洗盘、揉面等四种操作任务测试，每个高度测试结束后记录客观实验数据及被试者主观评分数据并进行数据处理。图2为四个操作任务实验现场照片。

1.2.2 实验要求

切菜操作时，准备土豆若干，去掉头尾，保留中间部分，以尽量保证每次操作时土豆大小均匀，每个操作台面高度进行10次切菜操作。

炒菜操作时，将切好的土豆片放入锅中，每个设定台面高度翻炒10次。

洗盘操作时，设定盘子倾斜但不离开水槽底，每个设定台面高度洗盘10次（实验得出的洗涤池操作台面高度适用于以下情况：水槽底清洁、不宜拿起的厨具及放置于水槽底部容器中食材的清洗等）。

揉面操作时，面团选择不易因揉搓时间而改变硬度的黏土代替，以保证黏土的硬度接近面团硬度，每个设定台面高度揉压10次，每次按压深度基本保持一致。

当每个操作任务结束后，被试者需以坐姿状态休息至少5分钟，以消除肌肉疲劳对实验结果的影响。每次开始新的操作任务前，为保证鞋垫采集数据的准确性，需重新校准鞋垫数据，并保持执行每次操作任务的操作频率不变，厨具及用具位置相对固定，具体要求见表1。

表1 实验相关距离尺寸

1.2.3 实验测试高度

通过对人体数据的理论分析、文献调研、预实验等方法，针对不同的操作任务，首先设定四个固定操作高度和一个用户自选最优舒适高度，四个固定操作高度分别为：切菜70～100cm，炒菜60～90cm，揉面65～95cm，洗盘63～93cm，步长均为10cm；其次，为弥补被试者最优舒适高度选取误差，在用户自选最优舒适高度附近增设三个高度（实验表明，有38.33%的被试者最后选取的最舒适高度在增加的三个测试高度范围中），选取原则见表2，最终每项操作任务下均设置8个操作高度。被试者站立于可调节操作台前，操作台调节范围为60～125cm，精度为0.1cm。

■图1 技术路线图

表2 测试高度选择原则

1.3 被试者信息

共招募15名被试者参与实验，男性7名，女性8名，年龄均在18至35岁范围内（平均28.9岁，标准差5.4岁），体重区间47.7～119kg（平均68.3kg，标准差18.1kg）。男性身区间高161.8～181.5cm，女性身高区间150.4～175.3cm。15名被试者详细信息见表3。要求所有被试者无肌肉损伤（包括上肢、颈部、腰部），并均为右利手，每周做饭频率通常达3次及以上，有一定的面食制作经验。

表3 被试者信息及主观和客观评价结果

1.4 客观实验

1.4.1 实验器材

表面肌电测试实验采用美国NORAXON的 Ultium EMG传感器系统进行测试，采样频率可为2000/4000Hz，结合使用myoMUSCLE模块采集并分析肌电数据。足底压力测试实验采用德国Novel公司的 Pedar-x 鞋垫式压力分布测量系统进行测试，该系统可以精准测量和监测足部负荷，结合使用pedar-x online 程序采集数据并分析足底压力等参数。

图3为被试者粘贴肌电片位置照片，图4为被试者穿戴鞋垫设备照片，实验中使用的厨具示意图见图5，厨具信息见表4。

表4 实验用厨具信息

1.4.2 实验数据采集与处理

在执行相关操作任务时，受力部位主要分布在上肢、颈部、腰部、足部等部位。因此，在使用表面肌电采集系统采集肌电信号时，主要采集右侧肱桡肌、肱二头肌、肱三头肌、斜方肌、竖脊肌处的肌电信号，以此分析肌肉受力情况。同时，使用鞋垫式足底压力测试系统测量两足底的峰值压强。

在非疲劳状态下，肌电信号幅值可以表征肌肉的收缩强度[10-11]，幅值高则肌肉兴奋性高、放电活动强。对肌电幅值信号进行处理时，首先分析是否有异常峰值振幅；然后截取平稳的肌电信号，通过整流、RMS算法进行平滑过渡处理，统计各个高度下不同肌肉的肌电幅值峰值；最后，选取每块肌肉幅值最低对应的操作高度为最优操作台面高度。足底峰值压强可以有效判断足底舒适性[12]，峰值压强越高，表明足底受力越大。选取峰值压强最小时的操作高度为最优操作台面高度。

实验表明，在最低和最高操作台面高度下操作时，均会出现肌肉幅值最低或足底峰值压强最低的情况，但在任何同一个高度下，都不能同时满足每块肌肉都能达到幅值最低时足底峰值压强也是最低。因此，对端点处偏离较大的数据进行去除处理，并对客观数据进行综合统计计算。本研究中，去除8个测试操作高度中3个端点处的测试操作高度，并对剩余5个测试操作高度重新统计最优操作高度，计算肌电幅值最低对应的5个最优操作高度和足底峰值压强最低对应的1个最优操作高度的上下四分位数，并取上下四分位数的平均值作为客观测试的最优操作台面高度[13]。客观实验结果见表3。

1.5 主观评价

实验过程中，由主试记录操作次数，被试者在测试每个操作台面高度后，根据自身感受对该操作台面高度进行评分，评分采用5分制，设定非常不舒服（1分）、不舒服（2分）、一般（3分）、舒服（4分）、很舒服（5分）。主观评价实验结果见表3。

2 . 结果分析

2.1 主观和客观评价结果相关性分析

通过对表3中主客观评价结果进行相关性分析，得到四种操作任务下采用主客观方法选取最优操作台面高度的相关系数，具体见表5。从表5可以看出，在选取最优操作台面高度时，女性采用主观和客观方法得到的评价结果的相关系数均大于0.9，男性除了揉面操作外，其余操作下得到的评价结果的相关系数均大于0.8，这说明无论男性还是女性，在选取操作台面高度最优值时，主观方法与客观方法评价结果具有较好的一致性。在揉面操作任务下，男性通过主客观方法获得的评价结果相关系数较低，原因是其中一位被试者主观选取的最优舒适高度与其余被试者选取的最优舒适高度相差较多，导致主客观评价结果相关系数降低。

采用肌电设备和足底压力测试设备进行相关实验测试获得的实验数据可以校正因主观评价差异而导致数据结果偏差较大的现象，因此，在数据处理时应综合考虑主观方法与客观方法选取的结果数据，对综合评价最优操作台面高度值与人体身高尺寸做回归分析，进一步来确定身体尺寸数据与操作台面高度之间的关系。

2.2 线性回归分析

图6至图9为性别、身高与四项操作任务的最优操作台面高度的关系散点图，整体上来看，身高与四项操作任务下的操作高度基本是呈线性关系，随着身高的增加，四项操作高度也随之增加。因此，可以通过回归分析来研究身高与最优操作台面高度数据间的关系[14-15]。

根据一元线性回归的前提条件，分析因变量Y（切菜、炒菜、揉面、洗盘操作台面高度）是否服从正态分布，进行正态检验。使用SPSS软件对因变量四个操作高度进行检验，结果发现四个操作高度均符合正态分布（Sig.(2-tailed) >0.05）。

从散点图看出，数据所绘制出的图形呈直线，基于因变量正态分布检验结果，对主客观评价结果进行Pearson相关分析，分析结果见表6。结果显示，男性身高与切菜、炒菜、揉面、洗盘操作高度的相关系数分别为0.868、0.851、0.929、0.893，女性身高与切菜、炒菜、揉面、洗盘操作高度的相关系数分别为0.890、0.847、0.929、0.939。根据相关系数的定义，当|0.7 |

2.3 回归方程验证

应用统计学方法对回归方程进行检验，结果表明回归方程及一次项回归系数均通过显著性检验，标准残差均落在-2～2之间，呈现正态分布，说明回归模型选取适当，建立的方程能够准确反映身高和操作台面高度的关系。

■图2 实验现场照片

■图3 肌电设备粘贴位置

■图4 被试者穿戴鞋垫设备照片

■图5 实验用厨具示意图

■图6 身高与切菜高度散点图

■图7 身高与炒菜高度散点图

■图8 身高与揉面高度散点图

■图9 身高与洗盘高度散点图

2.4 回归方程修正

结合实验条件以及实际操作时功能修正量[17]，对线性回归方程进行修正。本实验中，菜板厚度为0.65cm，锅具高度为9.7cm。当取菜板厚度1.8cm，锅具高度9.7cm，灶具支架高度6.5cm，鞋高2cm，立姿状态修正量1cm，水槽深度为20cm时，根据中国标准化研究院最新中国成年人人体尺寸数据库数据，对于18至35岁人群，选择百分位数为1和百分位数为99的男性和女性身高数据分别计算各操作台面的高度调节范围，取值参考表8。

表8 修正的身高与操作台面高度回归方程及操作台调整范围

图10至图13分别为切菜、炒菜、揉面、洗盘四种操作任务下身高与操作台面高度关系拟合线，从图10可以看出，在切菜操作下，男女身高对于最优操作台面高度存在一个界点值，身高界点值约为166cm，身高在166cm以下时，男性最优操作台面高度大于女性相应高度，而在身高166cm以上时，女性最优操作台面高度大于男性相应高度，两者差值最大为2.6cm；由图11可知，在炒菜操作时，女性最优操作台面高度大于男性相应高度,两者差值最大为2.8cm；由图12可知，在揉面操作下，身高在164cm以下时，男性最优操作台面高度大于女性相应高度，而在身高164cm以上时，女性最优操作台面高度大于男性相应高度，两者差值最大为3cm；由图13可以看出，在洗盘时，女性最优操作台面高度大于男性相应高度，两者差值最大为4.3cm。

2.5 各操作台面高度间关系

通过分析可知，（1）切菜与炒菜操作台面高度平均差约为：①女性：13～15cm，②男性：14～16cm；（2）切菜与揉面的操作台面高度平均差约为：①女性：7～8cm，②男性：8～9cm；（3）洗盘与切菜操作台面高度平均差约为：①女性：9～10cm，②男性：7～8cm。由此可得出四种操作任务的操作台面高度整体关系如下：洗盘>切菜>揉面>炒菜。

2.6 操作台面高度与肘高关系

目前操作高度类的研究多以肘高为基础参考值来确定舒适操作高度[18-19]，且由人体身体参数与主观评价结果间相关系数r（表6）可知，肘高与四个操作高度具有较强的相关性。根据本实验测试数据及拟合方程综合分析可知，在切菜操作时的最优操作台面高度对比女性和男性肘高平均分别约低14cm和16cm，在炒菜操作时的最优操作台面高度对比女性和男性肘高平均分别约低28cm和31cm，揉面操作时最优操作台面高度对比女性和男性肘高平均分别约低22cm和24cm，洗盘时最优操作台面高度对比女性和男性肘高平均分别约低4cm和8cm，与根据中国标准化研究院2009年人体数据统计得出的关系公式（肘高=0.620*身高-0.23cm）[20]相比，结果基本一致。

2.7 小结

根据上述结果分析得出以下结论。

（1）采用主客观方法对橱柜高度人机适配性评估的结果具有一致性。在进行切菜、炒菜、揉面、洗盘等操作时，随着身高的增加，最佳舒适操作台面高度呈线性增加，身高与操作台面高度关系呈正相关。

（2）在切菜等四项典型操作任务下，最优 操作台面高度受性别及身高的影响。在切菜与揉面操作时，存在一个明显的身高界点值，在这个身高界点值以下时，男性最优操作台面高度大于女性相应高度，而在此身高界点值以上时，女性最优操作台面高度则高于男性相应高度；在炒菜与洗盘操作下，女性最优操作台面高度均大于男性相应高度。

（3）在不同操作任务下，采用线性回归分析建立了身高、性别与各操作台面高度之间线性关系方程，可根据方程对不同人群适合的橱柜高度进行预测。

■图10 身高与切菜高度

■图11 身高与炒菜高度

■图12 身高与揉面高度

■图13 身高与洗盘高度

3 结语

通过对目标用户的分析及橱柜功能的解构，确定了实验被试者及典型操作任务。在八个测试高度中，增加的三个测试高度提高了最优舒适高度确定的准确性，在评价结果上，主客观方法评价具有高度的一致性，并且采取主客观相结合的评价方法，在一定程度上可以减少主观不确定性对评价结果的影响。根据主客观综合评价结果建立了有效的线性回归方程，可为橱柜智能升降台面适配性设计研究提供参考。

由于条件限制等原因，仅对18至35岁的人群进行了相关实验测试，未对其他年龄段的人群以及特殊人群进行相关实验测试，结果可能存在一定的局限性，还需要进一步的研究。