基于Jack仿真系统的大学宿舍储物设施改良研究

黎维 罗诗琦 刘少宇

摘  要：为了改善宿舍储物设施使用环境，提高大学生收纳的易操作性，文章以人机工程仿真软件Jack为工具，建立了更符合大学生身体数据的虚拟人体模型和宿舍储物设施人机工程仿真模型，分析了大学生的臂展可达性、腰椎舒适性和拿取物品难易程度，辨别现有宿舍储物设施设计中的缺陷。通过生理学、人体测量学、心理学、生物力学与设施的物理特征和结构相结合，从板件分布、构件添加、材质处理等方面对现有储物设施进行优化改良设计。

关键词：Jack虚拟仿真技术；储物设施；改良设计；人机工程

中图分类号：TP391.9；TS664 文献标识码：A 文章编号：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

随着人们对储物空间的要求越来越高，拿取方便又能最大程度起收纳作用的储物设施成为设计合理性的关键之一。针对某大学宿舍中设计不合理的储物设施，通过调研问卷、场景重现等方法，发现其不能满足基本储物需求，且日常拿取难度超过人体本身行为负荷，因此需要从人因工程学的维度对现有储物设施进行改良，以实现宿舍储物空间的优化利用。人因工程学是研究人和机器、环境之间互相作用，使设计的机器和环境系统合适人的生理、心理等特征，以达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适的目的，使人机系统满足人的特性并实现安全高效目标的一门交叉性应用学科[1]。其主要方法大致分类为调查法、观测法、实验法、心理测量法、心理测验法、图示模型法，文章主要选用观测法和实验法对研究对象进行实验评估，我国的人因工程学相关研究始于20世纪50年代，比国外晚了近20年，在储物设施方面，我国具有悠久的整理收纳体系和文化，时至今日，仍有相当一部分的构件可以用于现代储物设施中。目前比较流行的人因工程学量化方法是由德国西门子公司开发的Jack人因评估工具[2]，通过使用Jack能够分析人体作业过程中工作对人的影响，包括对量化人体的生理状况，文中采用Jack动态模拟和类比方法，对人体不同姿势下拿取物品的关键生理部位进行人机工程设计与轻量化设计，使储物设施的内部结构，有限空間规划更加合理，提高人体拿取及收纳物品的安全性和易操作性。

1  Jack虚拟仿真技术概述

Jack软件是人因工程的思想，集三维仿真、数字人体建模、人因工效分析为一体，通过创建虚拟数字人和导入外部三维模型，建立仿真环境并指定数字人模拟任务进行研究分析，从而高效低成本的进行实验，设计出更安全，更符合人体工程学的产品[3]。Jack能够根据需求选择不同类型的人体模型，自定义人体的大小和形状，还可以控制人体模型执行各种运动指令。实际应用中，在创建好的仿真环境内，可以调整模型的大小状态和相机视图，灵活检测人体模型与周围环境的相适应程度，以达到更逼真的效果，进行准确的工效学研究[4]。当给虚拟人体指派任务时，人体的头颈部、躯干、骨盆、手臂、大腿、脚等部位都可以调整控制，可进行背部受力分析、静态强度分析、工作姿势分析等研究，创建完一个场景后，还可以进行保存和回放，方便再次调整实验。

2  宿舍储物设施设计现状

随着生活水平的提高和信息化时代的到来，高校大学生对宿舍的居住环境要求也越来越高，而家具作为大学生宿舍内的基本构成部分，对学生日常生活作息有着重要的影响。美好的大学生活与宿舍条件息息相关，宿舍家具体验的好坏，亦是决定了学生在校的生活质量[5]。

以某高校学生宿舍为例，宿舍面积设置整体偏小，有限空间内仅能容纳基础的床铺和桌椅等家具，除此之外的剩余空间利用率较小，忽略了学生在宿舍活动、休息、储物、学习和交往的需求；同时家具的人性化设计和使用功能方面也有不足，较少考虑到独立空间的营造，忽略了当代大学生的隐私和个性化要求。在此条件下，本应承担宿舍主要储物功能的柜体设施却无法满足基本需求，据有限调查问卷数据，60%以上的同学认为储物区应该进行改良，在日常生活中，储物设施存在空间不足、高度设置不合理、分区过少导致有效利用率低、使用困难等问题。基于虚拟仿真软件Jack的特点和关键技术，对学生宿舍的储物设施进行改良设计，改善效果良好。

3  Jack虚拟仿真改良宿舍储物设施的过程

3.1  创建Jack虚拟仿真评估环境

通过实际测量后，使用3ds Max软件建立宿舍储物设施的三维模型，其尺寸均为实际测量所得。模型建立完成之后，将其导入到Jack软件中，创建一个虚拟的环境进行测验分析。虚拟仿真环境的建立是否符合现实要求是宿舍家具使用舒适性测试的前提，其次是数字人体模型的调试和宿舍储物设施模型的放置，为了使研究结果更加通用化、普适性，虚拟仿真环境中的数字人模型选取CHINESE数据库中第50百分位的人体尺寸标准，并对其进行基本的形态检查，如发现比例异常等现象，及时进行调整，确保人体模型可正常进行实验[6]。文章基于实验情况，主要操作步骤分为以下三部分，根据使用者日常行为习惯，结合宿舍储物设施的实际使用情况，在建立的虚拟仿真环境中进行人机舒适性评估，确定文章以“俯视状态”“仰视状态”“平视状态”三种状态为主要工作姿态，并选择静态强度分析、舒适度分析柱状图以及劳动姿势负荷状态图对改良前后的储物设施进行评估。

3.2  分析改良前储物设施舒适度

前期通过观察使用者与储物设施之间的有效行为互动并对其进行详细记录和动作拆分，指定人体模型3种不同工作姿势为主要取物动作，而后进入Jack，在创建完成的虚拟仿真环境中调整数字人的各关节部位，试图最大限度地逐一还原工作姿势，并分别对其取物动作依次进行舒适度以及静态强度评估。

动作一：拿取第三层的衣物，数字人双臂高抬起拿取较高处收纳箱衣物等，此姿势的静态强度评估，图中各参数均在正常范围内，但舒适度分析显示仅肘部关节在绿色的舒适范围内，手臂、大腿、膝盖等关节都仅为黄色的较舒适范围值。动作分析和详细数据如图1所示。

动作二：拿取二层叠放区物品，双臂自然下垂肘部弯曲拿取适宜高度的叠放衣物。这个姿势静态强度分析图显示手腕、肘、肩膀等各关节完成百分数都处于100%。舒适度分析数值部分处于舒适模式范围内，说明该动作舒适度良好。动作分析和详细数据如图2所示。

动作三：拿取行李箱等最下层物品，头部低垂，上半身微向下曲拿取较低处的物品。可以看到数字人双臂和肘部部分都保持着良好的舒适度评级，其余关节舒适度较良好。静态强度分析图参数显示臀部百分比不足100%。动作分析和详细数据如图3所示。

3.3  提出宿舍储物设施改良设计方案

通过上文对宿舍储物设施的舒适度和静态强度的评估，发现宿舍储物柜的设计不合理处，运用人体工程学和家具设计规范对其进行改良设计。调查研究发现，对于大学生这一用户基数庞大的使用者来说，与家具适用性的磨合程度间接关系到大学生的生活质量。在实际生产设计过程中，家具设计这一项目尤其关注实用性、美观性、绿色化、经济性等原则，就储物设施来说，其共性特征应为构成要素统一、功能分区明确，造型设计重点集中，柜门、脚型、拉手的构成形式相似，空间形态的共通性，在这些条件下，结合设计中运用的生理心理学原则、美学原理，人体工程学等相关学科知识，依据人体形态结构和基础运动技能特征，对家具进行物理结构分析和使用适应性测试，进行人性化的改良设计[7]。通过实物分析，储物柜共分为四层，顶层高度高约3 100 mm设置过高，拿取不便且日常使用率低，满足度低，对于第95百分位的人体来说也是相当困难的；底层高度仅高约600 mm设置过低，日常使用需要人体大幅度弯腰且极易磕碰，满足度和舒适度同等低，只适用于第5百分位人体；每层空间并未进行功能分区，导致堆叠冗杂，且没有适当隔断和挂衣架，衣物和其他物品无法分门别类进行摆放。

基于上述实验结果和分析，对此进行宿舍储物设施的改良设计，将原有利用率低的最上层空间压缩减小，作为不常用衣物存放区，增大符合人体工学最方便拿取高度的第二层空间大小，最下层也根据市面普通行李箱尺寸进行了高度调整；增加了多个功能分区，如叠放区、挂上衣区和挂裤区、大衣晾掛区域和杂物共用存放区等，尽最大可能为第50百分位人体所使用，如图4所示。

3.4  分析改良后宿舍储物设施舒适度

利用Jack仿真进行改良后舒适度分析，将改良设计后的储物设施3ds Max模型文件导入Jack中，同时重复上述动作即创建位于第50百分位的虚拟数字人模型和新的虚拟仿真环境，进行舒适度及静态强度评估实验。分析结果如图。

动作一：拿取挂衣区的衣物，数字人单手抬起抓握衣物。此姿势的舒适度分析显示范围基本处于合理值内，动作瞬间仅会产生局部不适。静态强度评估图中各参数均在正常范围内，说明该动作舒适度良好。动作分析和详细数据如图5所示。

动作二：拿取叠放区物品，双臂稍微抬起手部呈抓握姿势。静态强度分析图显示手腕、肘、肩膀等各关节完成百分数都处于100%。舒适度分析数值大部分处于舒适模式范围内，说明该动作舒适度良好。动作分析和详细数据如图6所示。

动作三：拿取行李箱等下方物品，头部低垂，上半身微向下曲。可以得出数字人头、右上臂、肘部、小腿、脚等部分都保持着良好的舒适度评级。静态强度分析图参数仍基本合理。动作分析和详细数据如图7所示。

通过再次模拟动作进行舒适度分析发现，数字人在优化设计后的储物设施上以三种不同姿态拿取物品时，各项有关生理结构舒适度及静态强度参数皆在正常浮动范围内，能够符合人体本身行为负荷标准，提升了使用者对于改良后储物设施的适应程度。

4  结  论

文章立足于某大学宿舍储物设施的现实问题，以Jack软件为主要工具，通过模拟使用者的取物姿勢和其他工作状态，对存在问题的储物设施进行线上动作拆分仿真模拟实验，发现设施中存在的人因工程问题，从而在原有储物设施基础上展开针对大学宿舍储物设施产品结构、造型及人性化问题的优化改良设计，探究更为舒适实用的宿舍家具使用状态。经改良后的家具设施初步满足了用户需求、细微调整了家具材质、提高了使用者主观满意度，后再次放入Jack软件中进行仿真分析，经验证改良方案符合GB/T 12985—91，有效提高了储物设施的安全性、实用性以及客观满意度。改良后的储物设施更加符合人因工程学要求和家具设计规范，但受制于现实因素的缘故，例如生产成本资金和实际地理环境等因素，并未投放入市场及学校使用，以进一步验证其线上线下统一舒适度和静态强度评估标准的通用性，在后续的研究中将继续通过人因工程学及家具设计规范进行更高标准的改良设计，为其他宿舍储物设施的人因工程改良研究提供有效参考价值。

参考文献：

[1] 刘渐栋，邹雄博，汪书帆，等.考虑人因工程的折叠储物柜设计 [J].物流技术，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.

[3] 兰爽．基于Jack虚拟仿真技术的人因工效分析 [J].工业工程，2017，20（6）：96-100.

[4] 朱彦军，姜国华．虚拟现实中虚拟人体模型概述 [J].计算机仿真，2004（1）：11-13.

[5] 于历战，胡钰铭.高校学生宿舍家具的人性化设计——以清华大学为例 [J].装饰，2018（5）：96-99.

[6] 王平凯，钟岭.基于Jack虚拟仿真技术的校园床位设施优化设计 [J].工业设计，2021（9）：157-158.

[7] 孙丽丽，吴珊珊，瞿宇静，等.基于人机工程学的大学寝室家具设计初探 [J].新经济，2016（30）：123-124.

作者简介：黎维（2002—），女，汉族，四川成都人，本科在读，研究方向：产品设计；罗诗琦（2002—），女，汉族，四川成都人，本科在读，研究方向：产品设计；通讯作者：刘少宇（1986—），男，汉族，四川德阳人，专硕导师，硕士，研究方向：视觉传达设计、虚拟现实技术、智慧旅游。

收稿日期：2022-09-21

基金项目：四川农业大学本科生科研兴趣项目（2022420）