基于E点和H点的适老化橱柜台面人机高度设计方法

李佳甡 朱 特

(1.中国艺术研究院,北京 100029;2.北京理工大学,北京 100081)

0 引 言

人口老龄化是我国社会发展的重要趋势,也是我国今后较长一个时期的基本国情.习近平总书记指出“有效应对我国人口老龄化,事关国家发展全局,事关亿万百姓福祉”[1].老年人的幸福健康对社会家庭的和谐稳定起着关键作用,这就对居家产品的“适老化”提出了更为丰富和精细的需求.受生活习惯和传统观念影响,我国老年人倾向于居家养老,厨房是我国老年人使用频次较高的空间,厨房中几乎所有活动都是以橱柜台面为基础展开,与老年人不匹配的橱柜台面人机尺寸会导致老年用户产生腰酸背痛等“痛点”的产生,严重时更会引起肩周炎、腱鞘炎、腰椎间盘突出等疾病的发生.当前,大部分橱柜厂家台面人机高度根据用户直立E点(肘点,E-Point)高度和经验数据,结合国标推荐值确定,但这种人机尺寸计算方式不能较好得适用于老年人生理机能特征.

针对橱柜适老化设计,许多研究已经提出了一些探索性方法.陈柳、汤重熹等人的研究以3D捕捉技术为基础,提出了一种针对橱柜设计的人机校核评价方法[2].翟振兴、于聪聪、宣炜等人分别从心理、生理、文化等方面提出了适老化厨房的设计原则和探索方向[3-5].叶威、郝致恒等人的论文,将Jack引入适老化设计研究中,弥补了单一主观评价模式的不严谨性,实现了对设计方案适老化的主客观综合评价[6,7].但以上研究都仅提出了原则性设计方向,没有量化的设计指导方法,实践中依旧需要再次测试分析.

因此,本研究针对老年用户的生活需求和习惯,力图解决老年用户与橱柜台面人机高度尺寸的适配问题,研究的结果可为橱柜适老化设计提供参考和评价依据.

1 基于E点与H点的适老化台面人机尺寸校核方法

1.1 H点与橱柜台面人机尺寸适老化设计

传统橱柜人机尺寸设计中,存在两种台面高度确定方法:第一种方法采用“用户身高/2+5cm”,由于误差过大,基本已经淘汰.第二种方法通常将用户直立E点(肘关节点,Elbow-Point)高度HE作为确定台面高度H的基础,在此基础上减去10～15cm为台面高度.这种计算方法简单快捷,并且可以适用于大部分普通中青年用户.但是由于老年用户身体机能退化,脊柱存在不同程度的驼背佝偻现象,腰臂部肌肉的收缩持续时间变短.导致洗炒切这类活动对于青年用户属于低负荷度身体姿态,对于老年用户有可能变为中重身体负荷姿态.所以,需要引入H点(髋关节点,Hip-Point)高度HH用以优化橱柜台面人机尺寸的适老化能力.

H点最早多被应用于车内驾驶员的人机尺寸设计与校核中,该点是人上身躯干与下肢的连接点.相较于较为模糊与宽泛的腰点,H点能够更好的描述用户与机器的相对位置.并且,在常规重力环境下,人上下肢力量的传递必须经过H点,所以H点参数更方便模拟各种动作的仿真计算.相较于中青年人群,老年人E点与H点的垂直距离缩短2～5cm,老年人直立状态下E点与H点不再共面,存在1～4cm的水平偏移,所以需要综合考虑H点与E点的相对位置关系,以避免在洗炒切活动中老年人的腰、背、颈、肩的局部肢体超负荷作业.

1.2 基于H点和E点的综合台面高度模拟方法

《中国企业管理百科全书》将人机工效学定义为:研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合,使设计的机器与环境系统适合人的生理、心理等特点,达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适的目的[8].根据人机工效学中人体生理结构可知,在站姿态工作过程中,用户腰、背、颈部弯曲幅度越小,持续工作状态下用户的疲劳度累积量越低,越不容易造成用户劳动损伤.过高的台面高度会导致工作中手臂向上不自然抬起,加剧肩部臂部肌群的疲劳.台面的高度应该介于H点与E点高度之间,但是具体高度需要结合用户自身特点确定.所以,橱柜台面的适老化设计中,需要综合H点和E点的空间位置确定台面的人机尺寸高度,满足台面的适老化需求.

针对中国老年用户在厨房空间中围绕台面进行的最常见情境,通过用户体验历程地图选取水槽清洗这种典型厨房作业工况作为仿真情境.这个作业工况具备工作时间长、操作精确程度高、作业时效性不强的特点,在这类场景中存在较长时间的持续性劳动,容易诱发因为台面高度不合理而导致的劳动损伤.

图1 中国老年人厨房活动用户地图

2 Jack仿真试验设计

Jack软件是德国西门子公司研发的一款人机工程模拟仿真软件,该软件不仅预置有欧洲人和亚洲人的人体测量数据,还具有不同年龄段的人体特征数据,能够支持多年龄段的虚拟人建模与运动仿真,还能够方针计算人体疲劳度、舒适度、力量等生理学参数,在多领域得到了广泛应用.本研究使用Jack中60岁中国老年人50%分位人体生理尺寸参数为基础构建男女性模型,其中男性身高167.8mm,体重59kg,女性身高162.72mm,体重61.25kg,对水槽使用情境下的不同橱柜台面高度进行仿真,对比疲劳度和静力学指标.

2.1 仿真环境设计

根据中国成年人人体测量尺寸国标GB/T 10000-1988,选取男60岁女55岁50%分位人体生理尺寸数据,H点高度为男829mm女775mm,E点高度为男1019mm女956mm.分性别设计两组试验环境,台面高度起始值为780～1010mm,高度递增步长为50mm,不足50mm时按实际步长增递.台面宽度按橱柜行业标准设定为600mm,柜体长度取1000mm,水槽深度采用行业标准250mm,水槽居中放置.台面模拟3D模型使用Rhino7构建,生成IGS文件并导入Jack进行仿真模拟.

图2 水槽任务台面仿真模型

2.2 仿真任务设计

清洗任务中,虚拟人站于台面前30mm,手部伸入水槽150mm深度,用以模拟防水流溅射姿态,调整身体关节处于自然工作姿态,任务工作时长设定为15分钟.

表1 Jack仿真任务设计

图3 仿真任务设计

3 Jack仿真结果与分析

3.1 作业姿势分析结果描述

针对不同高度水槽台面,驱动男女虚拟人手臂抵达指定位置,并将身体其他关节调整至自然舒适工作状态.使用Ovako作业姿势分析系统对每个虚拟人的工况进行分析,结果如下:

图4 男性虚拟人水槽清洗作业姿势分析结果(台面由低至高)

图5 女性虚拟人水槽清洗作业姿势分析结果(台面由低至高)

针对老年用户的水槽作业姿势分析可知,低于H点的橱柜台面高度,极有可能引发用户产生严重的肌肉系统损伤.介于H点和E点之间的水槽台面高度,随着高度接近E点高度,诱发肌肉系统损伤的可能性逐步降低.

3.2 后背部受力分析结果描述

针对不同高度水槽台面,基于上述作业姿态分析结果.对用户不同作业姿势后背部受力进行分析,系统对每个虚拟人的工况进行测算,结果如下:

图6 男性虚拟人水槽清洗作业后背部受力分析结果(台面由低至高)

图7 女性虚拟人水槽清洗作业后背部受力分析结果(台面由低至高)

针对老年用户的水槽作业后背部受力分析可知,随着台面高度的升高,后背部肌群承担压缩力迅速下降,几乎实现了压缩力的减半(1373N至703N,1212N至604N),前后剪切力缓慢下降.这意味着,对于老年用户而言,台面的高度越高,背部所需要承担的长时间压缩力需求越低,用户更不容易产生明显的疲劳感.而且,随着台面升高,腰部所承受的剪切力缓步下降,意味着老年用户更不容易产生腰部损伤.但是,台面高度也不可无节制上升,过高的台面会对手臂部肌群产生额外负担,并影响用户在台面上的可达域范围.

4 结 论

本文围绕厨房水槽台面人机高度的适老化设计进行了探索研究,提出了综合E点与H点高度的适老化水槽台面高度设计方法.并辅以Jack人机工程软件进行仿真模拟校核,最终结论如下:

(1)针对适老化设计时,厨房台面应高于H点,尽可能接近E点高度,以保护老年人产生劳动损伤.

(2)针对老年人用户的厨房台面应低于主要是用者的E点高度2～3cm,避免增加臂部负担和保证手臂可达域.

适老化设计是“以用户为中心”的设计理念的具象化体现,本研究使用方法和结论对提高老年人生活质量,保障老年人身体健康,提出了一种新的研究验证思路,具有一定的借鉴指导价值.