正交實驗設(shè)計方法在助行杖設(shè)計評價中的應用

馮濤，林建德，黃佳銳

(福建工程學院 設(shè)計學院·海峽工學院，福建 福州 350118)

目前市面上助行杖有很多種類，但是極少考慮到農(nóng)村老年群體的特殊使用環(huán)境和行為習慣。根據(jù)調(diào)查[1]，需要使用助行杖的農(nóng)村老年群體中，70%的人使用的是簡單加工的手杖，27%的人直接使用未經(jīng)修飾的木棍。由于農(nóng)村老年群體大多曾經(jīng)從事勞動密集型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，在體力和健康等方面相對城市老年群體存在更為嚴重的退行性問題，因此設(shè)計一款質(zhì)量可靠且在功能上滿足農(nóng)村老年群體使用習慣的助行杖是有必要的。

現(xiàn)有的助行杖設(shè)計多注重產(chǎn)品的造型、色彩、材料、人機和用戶情感體驗等方面。史耀軍等[2]從用戶體驗出發(fā)，側(cè)重研究產(chǎn)品的造型色彩設(shè)計；李軍華等[3]從情感設(shè)計出發(fā)，擴展產(chǎn)品的功能；而楊熊婷[4]則以智能化和情緒關(guān)懷為主進行理論分析。然而，現(xiàn)有的助行杖產(chǎn)品設(shè)計較少關(guān)注農(nóng)村老年群體的實際需求。

正交實驗設(shè)計通常用于材料配比和技術(shù)性能測評等，1978年由Paul Green[5]等引入市場研究領(lǐng)域之后也開始應用于其他領(lǐng)域。任英麗[6]等將其用于APP界面設(shè)計研究，李文華[7]將其用于玩具價格定價策略，戴曉波[8]等將其用于家具產(chǎn)品的造型設(shè)計,吳儉濤[9]將其用于健身車的造型設(shè)計評價。可見，正交實驗設(shè)計在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的應用以外觀設(shè)計為主，評價方式以定性評價為主。綜上，本研究從功能性設(shè)計出發(fā)，采取定量評價的正交實驗設(shè)計方法，探究正交實驗設(shè)計在助行杖設(shè)計中的應用，研究農(nóng)村老年群體對助行杖的實際需求。

1 正交實驗在助行杖設(shè)計中的應用

在助行杖設(shè)計中，除了用功能屬性和形態(tài)屬性來描述其產(chǎn)品定義，還需考慮目標群體的心理和生理特征及使用環(huán)境的適應性。因此，需要對正交實驗各步驟進行細化改良，使其適用于產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，設(shè)計思路如圖1右所示。

圖1 正交實驗到產(chǎn)品設(shè)計的遷移示意圖Fig.1 Transfer diagram of orthogonal experiment to product design

1.1 產(chǎn)品評價指標

筆者通過走訪周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)的養(yǎng)老院，調(diào)查了100位農(nóng)村老年人，發(fā)現(xiàn)67%的人有借助助行杖行走的需求或者潛在需求。為進一步研究用戶的實際使用習慣，筆者選取其中4位對助行杖依賴度較高的老人進行訪談并記錄其使用助行杖的肢體動作以供研究，具體情況如表1。

表1 助行杖使用動作分析

續(xù)表

根據(jù)表1的描述可知，老年群體使用助行杖的姿勢普遍不規(guī)范，需要在設(shè)計中能夠溫和地糾正其使用習慣，同時降低學習成本。助行杖主要有以下幾個部分組成：手柄，杖身，腳墊及其他輔助部分。根據(jù)調(diào)查和分析，本研究選取杖的重心位置和腳墊落地點位置和手柄傾角作為助行杖使用效果的評價指標。

分析表1可知，測試對象在使用助行杖時經(jīng)常依賴椅子，將其作為提供支撐的物理平臺。根據(jù)測試對象使用助行杖的姿態(tài)分析，將座椅予以保留并作為一個設(shè)計要點，并對杖體和椅體進行分離設(shè)計，但椅子的加入會改變助行杖的重心位置，進而影響使用感受，本研究選取助行杖的重心位置作為其使用效果的評價指標之一。。

4位測試對象身高相近，但在使用助行杖行走時，腳墊落點位置差異較大，而腳墊落地點的位置與助行杖實際助力效果呈正相關(guān)性。落地點與同側(cè)腳跟的距離在一定范圍內(nèi)能有效發(fā)揮助行杖的實際助力功能[10]。因此，本研究選取腳墊落地點位置作為助行杖使用效果的評價指標之一。

本研究調(diào)查的對象中老年群體所用的助行杖不全都有手柄，手柄傾角也有差異，有手柄的助行杖其助行效果是優(yōu)于無手柄的，手柄的傾角大小也會影響實際握持的舒適度[11]。因此，手柄傾角也被作為助行杖使用效果的評價指標之一。

1.2 產(chǎn)品屬性和屬性水平識別

農(nóng)村老年群體對于拐杖的產(chǎn)品預期是木制的，因此樣品選用竹子和櫟樹的木材(這些都是當?shù)爻Ｒ娗乙子讷@取的材料)作為主要制作原材料。

本研究采用聯(lián)合分析法[5]，提取目標用戶核心需求，確定具體設(shè)計因素，查閱相關(guān)文獻及結(jié)合受試老人的實際使用感受，確定了產(chǎn)品的3個主要屬性，即手柄傾角、助行杖重心位置和落地點與同側(cè)腳面的距離，距離的控制通過主、輔承重桿之間的高度差來實現(xiàn)；將這3個屬性分別劃分3個水平，并入一個客觀統(tǒng)一的體系來進行定量評價，如圖2所示。

圖2 因素水平分布示意圖Fig.2 Horizontal distribution of factors

手柄傾角可以通過測量確定具體數(shù)值，筆者分析現(xiàn)有產(chǎn)品并測量其三視圖得出手柄傾角的角度范圍為0°～30°，所以先按照三等分區(qū)間對其進行劃分。重心位置則按照可拆卸座椅的重心(經(jīng)過計算，可拆卸座椅的重心與助行杖整體的重心大致重合)到底端的距離測算，圖2所示的3個重心位置為筆者綜合考慮4位測試對象的身高及其使用習慣得到的[12]。而高度差的選取則是參考文獻資料[10]的研究結(jié)果，每側(cè)兩個輔助承重桿與主承重桿底端構(gòu)成一個平面，當此平面與地面貼合時助行杖穩(wěn)定效果最好，使用也最省力。測試對象經(jīng)過多次練習使用之后會形成記憶習慣，便會習慣使助行杖落點與同側(cè)腳面處于最佳距離，達到最省力效果。為了避免規(guī)律性排序?qū)嶒灲Y(jié)果造成干擾，實驗將所有因素水平按照抽簽方式排序，排序結(jié)果見表2。

表2 因素水平表

根據(jù)正交實驗設(shè)計表格選取規(guī)則，本組定型實驗采用L934正交實驗表，同時制作用來實驗的樣品，按照實驗因素劃分，將助行杖拆解成如圖3所示5類單元，組合后逐一測試。

圖3 測試所用組合Fig.3 Sample groups for testing

圖3為測試所用組合，其中序號1對應的部分為助行杖頂端，靠斜切角大小來調(diào)節(jié)手柄傾角；序號2對應的部分為輔助承重柱底端，通過其高度來控制高度差；序號3對應的部分為連接銷，方便拆卸零件；序號4對應的部分為座椅配重塊(其重量與后續(xù)所設(shè)計座椅一致)；序號5對應的部分為手柄握柄。

1.3 助行杖正交實驗設(shè)計

根據(jù)L934正交實驗表中因素和水平的組合方式，共產(chǎn)生9種組合，對應9個助行杖樣本。要對9個助行杖樣本進行定量評價，需要有一個統(tǒng)一的標準。鑒于本設(shè)計側(cè)重功能性評價，故評價標準設(shè)定為其實際助行效果。采用控制變量法，將助行杖作為變量，由測試對象使用不同設(shè)計組合的助行杖在固定路面上行走，若所用時間最短，則判定該樣本助行效果最佳。

測試規(guī)則：在32 m的直線水泥路面上，讓測試對象每次使用1個樣本，用正常步速行走(測試并未按照序號順序，而是隨機進行，以避免疲勞效應)，測量其走完全程所用時間，兩次時間取加權(quán)平均作為實驗結(jié)果，4組測試對象依次測試完成之后，每一項4人所用時間加權(quán)平均作為最終結(jié)果記錄在表3最右列。

測試場地：河南省息縣楊店鄉(xiāng)北街幸福家園。

天氣狀況：雨后多云天氣，微風，路面稍有潮濕，氣溫26℃。

通過正交實驗方法計算出每個設(shè)計要素取不同類別所引起的變化幅度，即極差R，可以得出對步行所用時間影響較大的因素。其計算方式如下：

R=max{K1,K2,...,Kn}-min{K1,K2,...,Kn}

(1)

其中，n為某一因素所有水平總數(shù)；Ki(i取值1到n之間的整數(shù))表示任一列上水平號為i時所對應的實驗結(jié)果之和，其結(jié)果記錄在表3最下方一行。由表3可知，3個因素的影響權(quán)重分別為：落點距離>手柄傾角>重心位置。當手柄傾角為20°，重心位置為65 cm，落點距離為4.0 cm時走完全程所用時間最少，也就是最優(yōu)組合為A2B1C2，在表格中體現(xiàn)為第4號實驗，所以不用再次進行實驗。

表3 正交實驗結(jié)果記錄

1.4 結(jié)果置信度檢驗

雖然極差分析法具有簡單直觀、計算量小等優(yōu)點，但是不能體現(xiàn)誤差大小，不能精確計算各因素對結(jié)果影響的重要程度，因此還需要進一步做方差分析來彌補其不足。

方差分析法步驟如下：

將正交實驗用Ln(rm)表示，則因素水平數(shù)為r，正交表列數(shù)為m，總實驗次數(shù)為n，實驗結(jié)果記為yi(i=1,2,…,n)，因素依次用字母A、B、C…表示，e表示誤差。

(2)

(3)

其中，j表示將因素A安排在正交表的第j(j=1,2,…,m)列上，實驗誤差的離差平方和SSe=∑SS空列。

dfj=r-1

(4)

dfe=∑df空列

(5)

(6)

(7)

采用F檢驗對實驗結(jié)果的置信度進行檢測，結(jié)果如表4所示。

表4 方差分析表

查表[13]可知Fα=0.1(2，2)=9，經(jīng)過F檢驗，對于給定顯著性水平α=0.10，因素A,C對實驗結(jié)果有顯著影響，因素B對實驗結(jié)果沒有顯著影響。

2 方案優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)方差分析和F檢驗結(jié)果，可以確定A2B1C2為最優(yōu)組合的結(jié)論是正確的。已經(jīng)根據(jù)方案申請了實用新型專利[14]，其三視圖及效果圖如圖4所示，杖身與凳子分離可以有效協(xié)助老年人完成起坐的動作，杖身側(cè)邊的收納桶方便攜帶收起后的凳子，使用示意圖如圖5所示。

圖4 助行杖改進方案三視圖及效果圖Fig.4 Three views and renderings of the improved scheme of walking sticks

圖5 使用場景示意Fig.5 Usage scenarios

3 結(jié)語

基于正交實驗的方法對所收集的產(chǎn)品評價進行因素篩選和水平劃分，不但能夠提高評價準確性，還能縮減樣本數(shù)量。本研究在實地調(diào)研基礎(chǔ)之上，采取定量評價的方式設(shè)計出符合用戶需求的助行杖，讓目標群體能夠直觀接觸到設(shè)計模型；基于真實的物理環(huán)境進行測試，讓設(shè)計者也能夠收到以時間作為因變量的及時反饋，反過來改進設(shè)計元素和評價體系。這種以客觀可測的物理量為評價標準的產(chǎn)品定量評價方法，彌補了產(chǎn)品設(shè)計評價環(huán)節(jié)以主觀打分等形式使得評價結(jié)果難以保持客觀性的缺陷，可以為同類產(chǎn)品的定量評價提供參考，也能為其他服務于社會邊緣群體需求的產(chǎn)品樣品試制提供一種可行性方案。