当今中国进入快速老龄化阶段, 到2051年, 老龄人口将达到峰值4.37亿, 正式进入深度老龄化阶段.由于生理机能退化, 21%65岁以上与55%85岁以上老人在产品使用中经常遇到姿势障碍[1], 尤其是俯身弯腰作业.剑桥大学研究表明, 老年日常生活中10%的洗衣姿势与3%的做饭姿势具有风险性, 其中40%~45%的风险在于俯身弯腰作业[2].美国国家职业安全与健康研究院(NIOSH)同样证实“非自然”(non-neutral)作业, 如头颈低斜、下蹲、躯干屈曲等姿势与人体低背部疼痛有紧密关联性[3].重复困难的产品俯身操作会加重老人肌肉骨骼疼痛(MSDs), 降低生活独立性.
在日常生活中, 多数俯身障碍是由于产品设计的不合理导致的[1].只有从设计师的角度出发, 对老年俯身数据进行挖掘和分类, 探索不同老年群体和产品使用模式下行为特征的差异性, 才能满足产品创新需求.现有人机工程学标准无法满足设计需要[4], 多数设计师凭借主观经验完成设计方案, 缺乏针对俯身作业的理性数据研究, 无法为老年产品设计提供有效支持.本文从工业设计产品创新的角度出发, 研究老年俯身行为, 探索性地提出面向老年俯身作业的人机工程舒适性研究方法.建立俯身作业舒适度计算模型和“红-绿灯”舒适梯度模型, 构建面向老年人俯身作业的人机咨询与评价系统PECASE1.0 (product ergonomic consultation andassessment system for elder), 提高产品与老年行为的匹配程度.
1 相关工作 1.1 俯身作业定义人体的脊柱运动靠腰椎关节、关节间韧带以及脊旁肌肉群发动, 解剖学对人体姿势的定义是基于关节绕不同基本轴(矢状轴、额状轴、垂直轴)在不同基本切面(矢状面、额状面、水平面)上的位置所确定的.一般认为, 俯身姿势(forward bending)[5]定义如下, 如图 1所示.1) 腰椎绕冠状轴(OC)进行前屈(或同时绕垂直轴(OA)进行旋转、绕矢状轴(OB)进行侧屈); 2) 颈椎绕冠状轴前屈(或同时绕垂直轴进行旋转); 3) 膝关节绕冠状轴前屈或保持中立位.简言之, 人体躯干纵轴在矢状面(OAB面)内旋转, 若旋转角速度方向为C→O方向(如图 1中垂直于表面向外), 则定义该姿势为俯身姿势.
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图 1 俯身姿势示意图 Fig. 1 Schematic diagram of bending gesture |
俯身作业(flexion work)定义如下：以俯身(上半身重心前倾)姿态从事负荷操作或无负荷操作, 长时或多次累积后对腰部、下肢肌肉骨骼产生某种程的伤害.典型俯身作业姿态涉及全身多处关节, 包括负重抬物、平台操作、低处捡物和俯身扭转等, 如图 2所示.
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图 2 典型俯身作业姿态 Fig. 2 Typical gestures of bending operations |
俯身作业具有一定的风险性.现有研究大多数集中于典型职业(如护士、工人、教师等)的俯身姿势监测与优化设计, 探讨如何降低人体患腰背疼痛风险.Freitag等[6]利用CUELA系统监测护士进行病患护理时的俯身行为, 发现5 h的监测时长中72 min俯身超过20°, 认为病房设计应注意人机匹配.Afshari等[7]利用三轴加速度计测量地毯编织工人的俯身作业, 得到工人编织时躯干平均弯曲度数为18°与13°, 经常超过20°, 建议外加工作台设计, 降低此肌肉骨骼风险性.Spielholz等[8]调查发现, 建筑模板工每天有40%的工作时间是处于躯干弯曲的状态, 48%的工人有下背痛症状, 因此工作空间亟需设计改进.徐光兴等[9]针对煤矿工人研究证实, 搬举重物和大幅度弯腰是腰背痛的主要危险因素, 需要辅助器具设计减少负荷.Grant等[10]采用视频观察法, 对学前班老师日常作业姿势进行分析发现, 躯干前屈超过20°的时间占比18.7%, 应改进儿童床的高度以减小背部前倾比例.
俯身作业研究虽然取得一定进展, 但成果具有孤立性.1) 主要针对成年人工作状态姿势, 老年俯身作业涉及较少[11]; 2) 虽然从设计角度提出改进姿势要求, 如工作空间设计改善、自动化器具改进设计等, 但未涉及具体的设计方法; 3) 极度缺乏日常产品设计领域的俯身作业研究, 多数家用产品无法寻求设计指导.
1.2.2 俯身作业舒适梯度评估舒适感是人的主观感受, 姿势的舒适梯度评估一直以来是学术界的研究热点.人机工程学关于俯身作业姿势科学与否的研究方法有很多, 自1977年OWAS[12]以来, 相继出现REBA[13]、RULA[14]等, 均针对人体作业姿势进行舒适度等级评判, 改进高风险姿势.多年来, 舒适等级判别的阈值研究始终呈现多元化趋势.如表 1[15]所示, 多个团队按照“自然、轻松、费力”3个梯度针对躯干风险进行研究, 但判别角度不统一.
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表 1 躯干作业舒适梯度多元化研究[15] Table 1 Diversity research of comfortable gradient on trunk operations |
直到2000年, 国际标准化组织ISO11226[16]针对风险姿势制定国际标准, 规定人体躯干俯身倾角0~20°为“可接受”姿势, 20°~60°为“条件性接受”姿势, 大于60°为“风险”姿势.然而, 此类标准的制定均根据国际成年人进行参数设置, 缺少老年数据; 同时, 仅针对身体躯干部位, 数据无法全面支撑老年产品设计.本文深入挖掘老年俯身数据, 建立系统性设计方法, 为老年产品设计开发提供一定的普适性标准.
2 老年俯身作业舒适性评估老年人俯身作业的舒适性评估具有复杂性, 在评价标准上必须辅以生理测量来评估主观感受[4], 需要多种技术支持.图 3展示了整体研究框图, 包括:1) 俯身作业舒适特征数据获取; 2) 基于舒适特征, 建立俯身舒适度计算模型; 3) 综合上述两项成果, 建立俯身作业“红-绿灯”舒适梯度; 4) 构建面向老年人俯身作业的人机咨询与评价系统对舒适梯度成果进行验证.
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图 3 整体俯身作业舒适性研究框架图 Fig. 3 Research frame of bending operation comfortableness |
通过观察性实验进行动作捕获[17], 研究俯身作业舒适特征, 具体过程如下所示.
2.1.1 试验对象和试验方法80名健康老人, 其中40名男性、40名女性, 年龄为70~89岁(SD=6.28).实验员通过被试“自我报告”, 招募测试前处于健康状态的受试者, 身体健康, 状态良好, 能够顺利完成该次实验.
结合视频观察法、出声思考法、问卷法与深度访谈法, 利用社会科学统计软件包(statistical package for social sciences, SPSS)对数据进行分析处理, 结果作为建立俯身舒适梯度模型的数据支撑.
2.1.2 试验过程首先, 俯身关键特征点抓取; 其次, 关键特征点舒适参数采集.躯干部“费力”梯度须进行二次采集以获得绝对阈限值, 系统探察躯干部位费力转折(临界)点对俯身作业的精准研究具有意义.
1) 俯身舒适关键特征点抓取.俯身系列任务(serial target task):被试在实验室环境下, 模拟日常俯身任务, 如图 4所示.利用摄像机记录, 包括俯身扫地、低处取物和洗衣, 同时运用出声思考法说出主观感受.作业过程包含典型俯身要素, 包括颈部低斜、手臂伸展、躯干屈曲扭动和膝部支撑等, 测试结果可对其他类似俯身任务(如做饭、取款、超市购物等)具有参考价值.
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图 4 扫地、低处取物和洗衣任务 Fig. 4 Bending task including sweeping, fetching and laundering |
2) 俯身舒适关键特征点抓取.在系列任务完成后, 开展问卷法调查.被试按照图 5(a)所示的肌肉骨骼疼痛问卷, 选择“不舒适部位”(可多选).问卷改进REBA[13]划分人体部位, 结果作为影响舒适度的关键特征点.
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图 5 肌肉骨骼疼痛问卷和问卷测试结果 Fig. 5 Questionnaire of musculoskeletal pain and results of questionnaire |
回收80份有效问卷, 利用SPSS对数据进行分析, 结果如图 5(b)所示, 腰部、颈部与膝部占比最大.43名(53.8%)老人腰部不舒适, 24名(30%)颈部不舒适, 23名(28.8%)膝部不舒适, 15名(18.9%)老人无不舒适感, 结果具有显著性差异(P < 0.05).将腰部、颈部与膝部定为俯身舒适关键特征点.
3) 关键特征舒适性参数采集.基于上阶段舒适关键特征实验, 按照“轻松、适中、费力”等级[15]获取老年颈部、躯干、膝部舒适值; 采用极限法测量躯干部“费力”等级阈限, 刺激体由递减递增2个系列组成.a)舒适等级采集.实验员要求被试:首先保持中立姿势, 随后将躯干部弯至感觉轻松的姿势, 完成后向实验人员口头示意, 同时静止动作10~15 s; 在任务完成后, 类似的命令再次下达, “将膝部弯至感觉费力的姿势”、“将颈部弯至感觉适中的姿势”, 颈部、腰部与膝部动作随机出现, 直至分别完成3组轻松、适中、费力共9个动作; b)躯干“费力”阈限采集.实验员要求被试:“将躯干缓慢匀速弯至感觉费力的姿势”, 随后“缓慢匀速从费力姿势回至感觉适中的姿势”.同时, 不间断地运用出声思考法描述主观感受, 无费力感报告“无”, 直至有费力感报告“有”; 再从有费力感报告“有”, 直至无费力感报告“无”, 实验员重点捕捉两次感觉的转折点.使用摄像机记录整个过程, 此时测试结束.
姿势角度定义如下.颈部角度(NA), 耳屏与颈椎C7关节点的连线, 与颈椎C7关节点垂直线之间的夹角[18]; 躯干角度(TA), 股骨大转子节点到肩膀中心节点的连线, 与大转子节点垂直线之间的矢状面夹角[15, 19]; 膝部角度(KA), 大转子节点到膝盖中心的连线, 与膝盖中心到外侧脚踝连线的夹角[20], 如图 6所示.
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图 6 测量姿势角度定义 Fig. 6 Definition of measured gesture angle |
1) 颈部、躯干、膝部舒适数据.研究对80份视频记录数据进行整体分析, 获得被试颈部、躯干、膝部三类舒适梯度数据, 导入SPSS19.0进行描述性分析, 得出均值与标准差结果, 如表 2所示, 可以作为俯身舒适梯度模型的数据支撑.
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表 2 颈部、躯干、膝部舒适结果 Table 2 Comfortable gradient results of neck, trunk and knee |
通过方差分析(ANOVA)得出, 颈部动作效应显著, F(2, 237)=46.313, P < 0.001;躯干动作效应显著, F(2, 237)=232.707, P < 0.001;膝部动作效应显著, F(2, 237)=104.073, P < 0.001.各因素Tukey-HSD事后检验, 颈部、躯干、膝部舒适度两两多重比较显示, 老年被试三档舒适值差异均十分显著(P < 0.001).证明被试具备区分“轻松、适中与费力”姿势能力, 数据具备有效性.
按该结果定义俯身梯度:颈部轻松范围x={x|20°≤x < 51°}; 颈部适中范围x={x|51°≤x < 58°}; 颈部费力范围x={x|58°≤x < 65°}.躯干、膝部同理定义.其中, 颈部中立姿势角度均值为20°, x={x|0°≤x < 20°}为颈部后仰姿势, 不属于俯身范围, 结合REBA[13]颈部舒适度研究与被试真实感受, 将x={x|0°≤x < 20°}划分为适中梯度.
2) 躯干“适中-费力”数据关系.躯干适中与费力之间的数据具有线性相关性(r=0.684, P < 0.001).随着适中角度增大, 被试费力角度相应增大, 对上升斜率进行拟合, 可得图 7所示的变化关系.从被试适中角度来预测费力角度, 可以得到下列变化关系：
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图 7 适中-费力线性关系图 Fig. 7 Linear relationship of moderate-severe |
| $ y = 0.645x + 25.273. $ | (1) |
式中：y为费力角度, x为适中角度, R2=0.47, 两者呈显著线性相关.
3) 躯干“费力阈限”数据.对80份视频记录数据进行分析, 获得费力阈限值, 即被试反应“无-有、有-无”转折处的两个临界刺激角度.导入统计绘图软件Originlab, 结果如图 8所示.设每一被试“无-有”转折角度为ai, “有-无”转折角度为bi, 绝对阈限值为ti, 则80人整体费力阈限值T的计算结果如下：
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图 8 费力阈限T结果 Fig. 8 Threshold limit value of severe |
| $ {t_i} = \frac{{{a_i} + {b_i}}}{2}, $ | (2) |
| $ T = \frac{1}{{40}}\left[ {\sum\nolimits_{i = 1}^{40} {\left( {{t_i}} \right)} } \right] \approx {34^ \circ }. $ | (3) |
按该结果定义躯干费力阈限梯度.躯干“适中-费力阈限”范围为x={x|28°≤x＜34°}, “费力阈限-费力”范围为x={x|34°≤x＜43°}.
2.2 俯身作业舒适度计算模型俯身姿势是产品设计参数定值的关键因素, 整个操作闭环过程须保证用户颈部、躯干、膝部舒适性.基于上一步舒适采集成果, 构建姿势舒适度与产品参数计算模型.通过颈部、躯干及膝部角度, 结合人体尺寸对产品操作高度与面板倾斜角度进行计算.将产品造型的关键因素记作C={H, θr}, 其中H为操作高度，θr为操作面板倾斜角度.如图 9(a)所示, 不同产品造型参数略有差异, 高度参数H为必需值, θr为可选择参数.例如洗衣机、ATM机等造型集合C={H, θr}, 扫把、洗手池、灶台和冰箱等只需高度参数C={H}.
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图 9 产品造型参数示意图和参数计算尺寸示意图 Fig. 9 Modeling parameters of products and size calculation of parameters |
如图 9(b)所示为参数计算尺寸示意图.设颈部角度为θ1，躯干角度为θ2，膝部角度为θ3，小腿与地面间夹角为θ4, 手臂与躯干夹角为θ5[21]；设头颈长度为h1, 躯干长度为h2, 大腿长度为h3, 小腿长度为h4, 臂长为l.H可用下式表示：
| $ \begin{array}{l} H = {h_3}\sin \left( {{\theta _3} - {\theta _4}} \right) + {h_4}\sin {\theta _4} + \\ \;\;\;\;\;\;\;{h_2}\cos {\theta _2} - l\sin \left( {90 + {\theta _2} - {\theta _5}} \right). \end{array} $ | (4) |
当θr与人体颈部平行时, 操作视角最佳, θr表述为
| $ {\theta _{\rm{r}}} = {\theta _1}. $ | (5) |
θ2对H具有显著性影响(P < 0.05), θ3、θ4不具备显著性.采用θ2三级舒适角度变化数值, θ3、θ4采用“适中”固定数值, 结合中国老年男性P95具体尺寸[22]计算H与θr.
以适中状态为例, 即θ1=58°, θ2=28°, θ3=139°, θ4=60°, h1=280 mm, h2=435 mm, h3=475 mm, h4=469 mm, l=809 mm.根据RULA[14]上臂姿势舒适适中等级可知, θ5=45°.结合式(3)、(4), 通过系统计算可得适中状态：
| $ \begin{array}{l} H = \left\{ {H\left| {483{\rm{mm}} \le H < 601{\rm{mm}}} \right.} \right\};\\ {\theta _{\rm{r}}} = \left\{ {{\theta _{\rm{r}}}\left| {{{51}^ \circ } \le {\theta _{\rm{r}}} < {{58}^ \circ }} \right.} \right\}; \end{array} $ |
采用相同方法计算得出轻松状态：
| $ \begin{array}{l} H = \left\{ {H\left| {H > 601{\rm{mm}}} \right.} \right\};\\ {\theta _{\rm{r}}} = \left\{ {{\theta _{\rm{r}}}\left| {{{20}^ \circ } \le {\theta _{\rm{r}}} < {{51}^ \circ }} \right.} \right\}; \end{array} $ |
费力状态为
| $ \begin{array}{l} H = \left\{ {H\left| {H > 601{\rm{mm}}} \right.} \right\};\\ {\theta _{\rm{r}}} = \left\{ {{\theta _{\rm{r}}}\left| {{{20}^ \circ } \le {\theta _{\rm{r}}} < {{65}^ \circ }} \right.} \right\}; \end{array} $ |
适中-费力阈限范围为
| $ H = \left\{ {H\left| {439{\rm{mm}} \le H < 483{\rm{mm}}} \right.} \right\}; $ |
费力阈限-费力范围为
| $ H = \left\{ {H\left| {382{\rm{mm}} \le H < 439{\rm{mm}}} \right.} \right\}. $ |
将颈部、躯干、膝部梯度结合产品设计参数, 按照“轻松、适中、费力和不接受”四类等级, 建立针对中国老年姿势风险判别的“红-绿灯”评估指示图.如图 10所示, 将指示图划分为身体“红-绿灯”展示(包含费力阈限)、俯身关键特征角度梯度展示和产品参数展示三大类.
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图 10 老年俯身作业姿势“红-绿灯”舒适梯度指示图 Fig. 10 Scheme of red-green light comfortable gradient for elderly's bending gestures |
1) 身体“红-绿灯”展示.将轻松范围界定为绿灯, 表示无风险的最优姿势；将适中范围界定为黄灯, 表示风险等级较低的正常姿势；费力范围界定为红灯, 表示风险等级较高的条件性可接受姿势；将不接受角度界定为灰色, 表示须杜绝的风险姿势.其中, 将“红灯-费力”等级细化, 区分条件性可接受和条件性不可接受.其中“适中-费力阈限”虽然界定为费力状态, 仍限定为费力可接受; “费力阈限-费力”范围限定为费力不可接受范围.
2) 俯身关键特征舒适度展示.例如躯干适中角度x={x|14°≤x＜28°}.
3) 产品参数展示.各梯度对应产品高度与角度展示, 例如适中梯度对应产品操作高度H={H|483 mm≤H≤601 mm}, 操作面板倾斜角度θr={θr|51°≤θr＜58°}；“费力可接受”梯度对应操作高度H={H|439 mm≤H≤483 mm}.
“红-绿灯”评估指示图形象、系统地展示老年俯身分层信息, 为设计师提供详实的老年俯身知识, 同时为实现产品人机适配咨询与评价提供数据基础, 最终用于指导老年产品创新设计.
3 实例研究为了深入研究老年俯身舒适性, 支持产品创新, 验证俯身作业的人机舒适性方法, 构建了面向老年人俯身作业的人机咨询与评价系统PECASE1.0系统.系统采用嵌入式结构, 基于MFC框架, 使用Visual Studio 2010开发环境和MySQL数据库, 使其具有开放性、敏捷性和可扩展性.该平台可以搭建人机环境进行分析, 按照设计前期、中期与后期时间轴, 实现老年产品设计咨询、评价[4]到反馈修改的闭环辅助过程, 为创意设计领域的老年设计应用提供系统支持.
3.1 系统设计系统设计总体分为四层, 分别为基础层、数据层、中间层和表现层, 系统结构如图 11所示.其中, 数据层包含本体信息库、俯身能力数据库、舒适梯度数据库和人机适配数据库四个子数据库[23], 分别为本体信息咨询、俯身能力咨询和人机适配评价提供数据支撑；中间层提供用户主要服务, 包含俯身能力咨询模块、设计参数咨询模块和人机适配评价模块；表现层是面对用户的模块, 无需安装任何软件就可以访问系统, 操作简单方便.
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图 11 PECASE 1.0系统结构框架 Fig. 11 Framework of PECASE 1.0 system structure |
该系统针对70~89岁老年人, 以家用滚筒洗衣机为例, 进行设计前期咨询与中期、后期评价, 工作流程如下.
3.2.1 设计前期概念开发和产品规划阶段.在概念设计前, 设计师依据需求选择目标人群年龄与产品, 如“70~89”岁、“洗衣机”, 咨询老年俯身能力与最优设计参数.
俯身能力咨询.该模块以多种形式提供老年静、动态俯身能力数据以供咨询, 得到本体信息、各梯度俯身关节角度、任务能力和用户主观感受的对应展示.本体信息包括老人性别、年龄、身高、体重、健康状况、病史等；关节耐受角度包括俯身轻松、适中和费力角度展示；任务能力包括日常任务(如扫地、洗衣、低处取物等)展示, 可以通过视频进行动态播放.在该阶段, 设计师利用该模块挖掘老年隐性需求, 明确产品机会缺口进行概念开发.界面如图 12所示.
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图 12 俯身能力咨询界面 Fig. 12 Consulting interface of bending ability |
最优设计参数咨询.该模块根据“红-绿灯”舒适梯度中“绿灯/最优”提供目标产品标准.最优高度参数H={H|H>601 mm}, 最优角度参数θr={θr|20°≤θr＜51°}.在该阶段, 设计师按照该参数, 绘制产品总体草图、构思整机及部件的外观造型设计与内部基本结构, 探索产品的主要工作原理及系统.
3.2.2 设计中期在详细设计与测试阶段.在前期草图方案的基础上, 将整机分解成子系统和元素, 确定技术参数, 计算各主要零件的形状、尺寸等, 利用Pro/E、Rhino或3DMAX软件系统性绘制方案总图及关键部件尺寸图.开展虚拟整合装配, 按照成本要求进行分析, 对前期概念进行调整.该阶段的关键设计参数如下：H=380 mm，θr=10°.
产品设计人机适配评价(中期).评价模块按照“红-绿灯”舒适梯度测试, 直观显示产品参数适配结果, 并提出改进建议, 界面如图 13所示.过程如下.
1) 设计师通过“浏览”上传需要评价的设计方案.2) 按照适配标准输入目标评价方案的操作高度与操作面板倾斜角度, 该案例输入高度hin=380 mm, 角度θin=10°.3) 将hin=380 mm与“红-绿灯”舒适梯度指示图进行数据比对, 实时生成匹配姿势评价图(如绿灯-轻松、黄灯-适中、红灯-费力和灰色-不接受).本案例的匹配结果为“灰色-不接受”, 并给出匹配描述.4) 匹配结果若为绿灯或黄灯, 结果良好无需改进; 若为红灯或灰灯, 则系统提供改进建议.5) 平衡产品成本与舒适性, 研究采用“黄灯-适中”角度数据作为设计的预设标准, 进行参数计算给出建议.
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图 13 产品人机适配评价(中期)界面 Fig. 13 Evaluation interface for man-machine adaption of products (mid-term) |
将建议“高度增加”记作h(+)，“高度降低”记作h(-)，“角度增加”记作θ(+), “角度降低”记作θ(-); 预设适中操作高度下限为hmin=483 mm, 高度上限为hmax=601 mm；适中操作角度下限为θmin=51°、角度上限为θmax=58°或θmin=0、θmax=20°.
| $ \begin{array}{l} {\rm{If}}\;{h_{{\rm{in}}}} > {h_{\max }},\\ \;\;\;\;\;\;{\rm{Then}}\;h\left( - \right) = {h_{{\rm{in}}}} - {h_{\max }},h\left( + \right) = 0; \end{array} $ |
| $ \begin{array}{l} {\rm{If}}\;{h_{\min }} \le {h_{{\rm{in}}}} \le {h_{\max }},\\ \;\;\;\;\;\;{\rm{Then}}\;h\left( - \right) = 0,h\left( + \right) = 0; \end{array} $ |
| $ \begin{array}{l} {\rm{If}}\;{h_{{\rm{in}}}} < {h_{\min }},\\ \;\;\;\;\;\;{\rm{Then}}\;h\left( + \right) = {h_{{\rm{min}}}} - {h_{{\rm{in}}}},h\left( - \right) = 0; \end{array} $ |
| $ \begin{array}{l} {\rm{If}}\;{h_{{\rm{in}}}} > {h_{\max }},\\ \;\;\;\;\;\;{\rm{Then}}\;h\left( - \right) = {h_{{\rm{in}}}} - {h_{{\rm{max}}}},\theta \left( + \right) = 0; \end{array} $ |
| $ \begin{array}{l} {\rm{If}}\;{\theta _{\min }} \le {\theta _{{\rm{in}}}} \le {\theta _{\max }},\\ \;\;\;\;\;\;{\rm{Then}}\;\theta \left( - \right) = 0,\theta \left( + \right) = 0; \end{array} $ |
| $ \begin{array}{l} {\rm{If}}\;{\theta _{{\rm{in}}}} \ge {\theta _{\min }},\\ \;\;\;\;\;\;{\rm{Then}}\;\theta \left( + \right) = {\theta _{{\rm{min}}}} - {\theta _{{\rm{in}}}},\theta \left( - \right) = 0\left( 4 \right). \end{array} $ |
设计中期阶段得出如下结论:建议目标设计方案, 提高滚筒操作高度h(+)=hmin-hin=103 mm; 操作角度数值属于适中区间, 无需改进.
3.2.3 设计后期样机试制与终评阶段.结合实际限制, 根据上一阶段建议对装配尺寸最大化改进以符合需求, 建立设计-测试-修改循环.设计师进行实际样本开模, 对真实样机的主要零部件, 例如铸件、组装件等进行装配.基于上阶段, 提高产品操作高度80 mm, 该阶段的设计参数如下：H=460 mm, θr=10°.
产品设计人机适配评价(后期).在评价阶段, 首先进行“红-绿灯”舒适梯度测试；其次, 条件性增加“红灯-费力阈限”, 再评估测试.假设舒适梯度测试结果为绿灯(轻松)或黄灯(适中), 则参数符合老年俯身作业人机需求, 无需进行下一测试.假设测试结果为“灰色-不接受”, 需要马上改进后再重新测试.假设结果为“红色-费力”, 则需进行“费力阈限”评价；符合“费力可接受”范围, 则可结束测试；符合“费力不可接受”, 则需按照建议改进后再测试.
界面如图 14所示.过程如下.1)“红-绿灯”舒适梯度测试.过程同上一阶段, 本案例输入高度hin=460 mm、θin=10°, 匹配“红色-费力”, 建议该款家用滚筒洗衣机提高滚筒高度h(+)=hmin-hin=23 mm. 2)“红色-费力”阈限测试.将输入高度hin=460 mm与费力阈限梯度数据比对, 结果属于“费力可接受”H={H|439 mm≤H≤483 mm}范围, 结论表明, 参数虽不理想, 但可以使用, 测试结束.
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图 14 产品人机适配评价(后期)界面 Fig. 14 Evaluation interface for man-machine adaption of products (late-term) |
结论图表可以输出Excel或Word等格式, 并可以自动存储到评价系统数据库中, 供后续工作人员调用、参考, 实现评估系统数据库的知识重用与改进.
4 结语俯身作业姿势易造成老年肌肉与骨骼伤害, 针对老年产品设计需求, 建立俯身作业“红-绿灯”舒适梯度.以滚筒洗衣机为例, 构建了“面向老年人俯身作业的人机咨询与评价系统PECASE1.0”进行验证, 有助于设计师深入挖掘老年人潜在行为特征, 为产品创新设计提供参考.接下来的工作如下.1) 拓展俯身姿态中的坐姿与扭姿分类, 拓展老年姿态数据分类；2) 针对老年非健康状态(如上肢问题、下肢问题、躯干问题等)和不同行为能力(如拄拐、轮椅等)进行分类研究；3) 进一步优化数据库平台的功能模块, 不断完善数据管理、查询和更新功能, 实现老年俯身行为设计资源充分共享, 为后续研究奠定基础.
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