馬桶座圈的造型與舒適性設(shè)計(jì)研究

李遠(yuǎn)利，涂細(xì)凱，向萌，李肖

（1.湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068；2.湖北美術(shù)學(xué)院，武漢 430205）

人口老齡化是我國當(dāng)前一個(gè)嚴(yán)峻的問題，據(jù)老年人特點(diǎn)，如廁時(shí)需較長的時(shí)間，臀大肌骨突出部位的肌肉易受阻礙、壓迫、血液不通，從而導(dǎo)致腦缺氧和發(fā)生危險(xiǎn)事故，長期如此還會(huì)引發(fā)痔瘡等疾病，甚至?xí)霈F(xiàn)癱瘓等情況[1]。目前，各行各業(yè)對(duì)老年人如廁的產(chǎn)品越來越重視，馬桶的智能化設(shè)計(jì)[2-3]已有了較多的研究，當(dāng)產(chǎn)品的功能性和易用性相同時(shí)，外觀更好看的產(chǎn)品更加能夠贏得用戶的青睞，美觀的設(shè)計(jì)帶給用戶積極的態(tài)度，讓用戶會(huì)覺得心情舒暢、愉悅，同時(shí)會(huì)讓用戶對(duì)品牌更加忠誠，使得在市場上更有優(yōu)勢。而同時(shí)馬桶座圈作為整體馬桶的重要組成部分，它直接與人體皮膚接觸，是影響人體使用舒適性的關(guān)鍵部件，也直接影響馬桶的整體性能。目前，不管是智能馬桶還是其他直接與人體皮膚接觸的產(chǎn)品，都在追求用戶體驗(yàn)的舒適度，原因在于用戶默認(rèn)了產(chǎn)品的功能，開始尋找功能以外的體驗(yàn)，而舒適性能夠給人帶來放松、快樂的體驗(yàn)，更能刺激感官，喚起積極情緒。因此，馬桶座圈應(yīng)在滿足可用性的基礎(chǔ)上盡量提升用戶體驗(yàn)。綜上所述，美觀且體驗(yàn)舒適的馬桶座圈將是未來的設(shè)計(jì)趨勢。

目前關(guān)于馬桶座圈造型設(shè)計(jì)和舒適性的相關(guān)研究如下，李斌等人[4]基于人因工程學(xué)原理對(duì)馬桶座圈的造型進(jìn)行調(diào)整，該方法提升了產(chǎn)品的美觀性；Mcclelland IL 等人[5]、Park S 等人[6]基于主觀問卷對(duì)馬桶座圈的舒適性進(jìn)行評(píng)估；Ino S 等人[7]、Wang Z等人[8]基于壓力測量和主觀問卷相結(jié)合對(duì)馬桶座圈的舒適性進(jìn)行評(píng)估；Yokoyama S 等人[9]基于感性工學(xué)原理設(shè)計(jì)和壓力測量來研究馬桶座圈的舒適性。由上述對(duì)馬桶座圈的研究可知有三個(gè)側(cè)重點(diǎn)：（1）造型設(shè)計(jì)美觀性的研究；（2）壓力舒適性的研究；（3）將造型設(shè)計(jì)與壓力舒適性相結(jié)合的研究。前兩者將美觀性與舒適性分開，后者將美觀性與舒適性結(jié)合，但沒有采用方法驗(yàn)證造型的美觀性。由于社會(huì)的發(fā)展及進(jìn)步，用戶對(duì)產(chǎn)品的要求越來越高，以上的研究方法會(huì)使產(chǎn)品存在缺陷，從而影響產(chǎn)品競爭力。本文以馬桶座圈為研究對(duì)象，創(chuàng)新性地運(yùn)用感性工學(xué)原理設(shè)計(jì)馬桶座圈，挑選出美觀的設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合有限元分析的方法，對(duì)人體與馬桶座圈之間的接觸壓力進(jìn)行分析，然后通過層次分析法獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，目的是設(shè)計(jì)出一款造型美觀且體驗(yàn)舒適的馬桶座圈，并探索造型設(shè)計(jì)與有限元分析相融合的綜合設(shè)計(jì)方法，為相關(guān)的智能如廁產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究提供有效建議。

1 馬桶座圈造型設(shè)計(jì)與評(píng)估

1.1 感性工學(xué)需求分析

情感詞匯是基于用戶對(duì)產(chǎn)品特征主觀認(rèn)知的表達(dá)，在進(jìn)行情感詞匯分析前，先對(duì)馬桶座圈的造型進(jìn)行調(diào)研，以更好地滿足用戶需求。根據(jù)調(diào)研分析總結(jié)，其形態(tài)普遍為V 形、U 形、O 形等。隨后通過用戶訪談、互聯(lián)網(wǎng)及文獻(xiàn)綜述法收集與馬桶座圈相關(guān)的詞匯，采用專家法挑選了108 個(gè)詞匯，通過KJ 法將詞匯分類，剔除含義相近、沒有相關(guān)的詞匯，篩選后得到20 個(gè)詞匯。而這20 個(gè)詞匯的重要性未能直觀地體現(xiàn)出來，因此使用李克特量表法來篩選相對(duì)重要的詞匯。采用5 個(gè)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，5 個(gè)等級(jí)的分值對(duì)應(yīng)依次為“1、2、3、4 和5”，以“非常不重要—非常重要”為例，其中非常不重要為1，不重要為2，不一定為3，重要為4，非常重要為5。邀請(qǐng)用戶對(duì)20 個(gè)詞匯進(jìn)行重要程度打分。有效問卷共有40 人填寫，年齡均分布在50～60 歲，最終選取均值最高的8 個(gè)詞匯，馬桶座圈情感詞匯分值見圖1。

圖1 馬桶座圈情感詞匯分值Fig.1 Emotional vocabulary score of toilet seat

得到馬桶座圈的情感詞匯后，為了將情感詞匯進(jìn)一步具體化，通過設(shè)計(jì)小組深度訪談及使用設(shè)計(jì)美學(xué)原則對(duì)其進(jìn)行定義，歸納出滿足用戶感性需求的設(shè)計(jì)要素，馬桶座圈情感詞匯及對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)要素見表1。

表1 馬桶座圈情感詞匯及對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)要素Tab.1 Emotional vocabulary of toilet seat and corresponding design elements

1.2 馬桶座圈的造型方案設(shè)計(jì)

進(jìn)一步設(shè)計(jì)研究是為了更加滿足用戶的需求和更加人性化[10]。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，將8 個(gè)情感詞匯的設(shè)計(jì)要素進(jìn)一步加強(qiáng)，具體為：（1）老年人如廁時(shí)間較久，加寬座圈表面設(shè)計(jì)，可增加與人體臀部的接觸面積并減少壓力，前額區(qū)域整體稍微往上突出，與之相鄰的區(qū)域稍微往下降低，此造型與用戶坐姿保持一致性，貼合大腿肌肉，可提高使用的舒適性；（2）老年人心理缺乏安全感，尖銳的形態(tài)會(huì)存在危害；采用小弧面設(shè)計(jì)，邊緣倒角圓滑，簡潔大方，賦予人們親和力，可提高用戶安全性和美感；（3）老年人腰部力量少，自身不易站立，需借助外在輔助；座圈的表面設(shè)計(jì)向上傾斜至10°，此角度可提高從坐到站立的舒適性和方便性[7]。

造型設(shè)計(jì)方案1、2 和3 以O(shè) 形為基本形，方案6、7 和8 以方形為基本形，在此造型基礎(chǔ)上進(jìn)行演變，豐富了造型的多樣化；方案4、5 的內(nèi)圈中間區(qū)域增加接觸面積，能保持坐姿的平衡，可減少壓迫和避免老年人血液流通不暢等。馬桶圈的形狀設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 馬桶圈的形狀設(shè)計(jì)Fig.2 Shape design of toilet seats

1.3 馬桶座圈造型設(shè)計(jì)的美觀性評(píng)估

其中：i表示第i個(gè)受試者，i= 1～132；j表示第j個(gè)方案，j=1～8，那么第i個(gè)受試者對(duì)方案j的（丑陋的—美觀的）整體綜合特征評(píng)價(jià)后獲得的分?jǐn)?shù)標(biāo)記為。含有粗大誤差值的數(shù)據(jù)會(huì)干擾對(duì)問卷調(diào)查結(jié)果的分析，甚至歪曲結(jié)果。為了保證可靠性，需去除有誤差值。根據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則可知，若，則可疑值含有粗大誤差，應(yīng)舍棄。其中，第j個(gè)方案關(guān)于（丑陋的—美觀的）感性意向的均值和標(biāo)準(zhǔn)差的公式分別用（2）和（3）表示：

去除粗大誤差值后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，再計(jì)算每個(gè)方案的感性意象均值。平均值代表每種方案的美觀評(píng)分水平，標(biāo)準(zhǔn)差代表數(shù)據(jù)集的離散程度。馬桶座圈方案感性意向評(píng)估數(shù)值見圖3。通過SPSS 計(jì)算，據(jù)圖3 可知，8 個(gè)方案的得分標(biāo)準(zhǔn)差范圍在1.30～1.63，該值相對(duì)較小，說明均值的離散程度較低，表明了結(jié)果高度可靠；方案1、2、3 和5 的均值都是正數(shù)，說明了這4 個(gè)方案的感性意象評(píng)估是傾向于“美觀的”；方案4、6、7 和8 的平均值都是負(fù)數(shù)，說明了這4 個(gè)方案的感性意向評(píng)估是傾向于“丑陋的”。其中，方案3 的均值最高，為1.35，隨后是方案1、5 和2，分別為0.86、0.25 和0.08，排在最后的是方案7、8，分別是?0.93 和?0.98。基于7 點(diǎn)標(biāo)度語義差異法對(duì)馬桶座圈方案進(jìn)行美觀性感性意向評(píng)估，最終得出方案1、2、3 和5 的造型是傾向于美觀的。

圖3 馬桶座圈方案感性意向評(píng)估數(shù)值Fig.3 Perceptual evaluation value of toilet seat designs

2 馬桶座圈的有限元分析

2.1 人體模型的建立

由于準(zhǔn)確的姿勢是壓力分布模擬的關(guān)鍵因素，本研究模擬的僅是人體髖肌后群、大腿肌后群與馬桶座圈的接觸，因此在建模時(shí)將人體模型簡化。人體是由多個(gè)不同的體系組成的,不同的身體部分之間有著明顯的生理邊界，是一個(gè)非線性體[12]。為了保證仿真結(jié)果的真實(shí)性，故將人體各部位系統(tǒng)進(jìn)行合理地劃分，人體模型主要?jiǎng)澐譃?6 個(gè)生理環(huán)節(jié)和16 個(gè)自由度，是一個(gè)沒有阻尼線性集中參數(shù)的生物力學(xué)三維模型[13]。DAZ Studio 軟件內(nèi)有人體數(shù)據(jù)庫，在人體生物力學(xué)模型建模中，利用DAZ Studio 軟件獲取人體數(shù)據(jù)和人體表面尺寸，基于人體運(yùn)動(dòng)學(xué)的坐姿姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，此模型的尺寸和真實(shí)人體尺寸的準(zhǔn)確性是較高的[14]，并利用該尺寸數(shù)據(jù)重構(gòu)了人體三維實(shí)體模型。

2.2 馬桶座圈的有限元分析設(shè)置

為了驗(yàn)證馬桶座圈方案的安全性與舒適性，本研究采用有限元法對(duì)造型傾向于美觀的造型方案設(shè)計(jì)進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。將馬桶座圈模型與人體模型裝配后采用Workbench 進(jìn)行靜力學(xué)分析。首先創(chuàng)建人體與馬桶座圈的材料模型，人體模型材料性能參數(shù)[13]見表2，塑料（ABS）材料性能參數(shù)見表3。

表2 人體模型材料性能參數(shù)Tab.2 Material performance parameters of human body model

表3 塑料（ABS）材料性能參數(shù)Tab.3 Material performance parameters of plastics (ABS)

人體模型有限元分析設(shè)置見圖4。由于人體的髖肌后群、大腿肌后群坐在馬桶座圈上時(shí)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的摩擦，因此將人體的髖肌后群、大腿肌后群部分與馬桶座圈的接觸類型設(shè)置為摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.3；再根據(jù)實(shí)際工況對(duì)模型施加約束，僅施加重力加速度載荷，有限元分析設(shè)置見圖4a。影響仿真精度和穩(wěn)定性的重要因素是有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量[15]，因此在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，人體單元網(wǎng)格大小為15 mm，馬桶圈單元網(wǎng)格為10 mm，髖肌后群、大腿肌后群與馬桶座圈的接觸部分進(jìn)一步加密劃分，采用5 mm 單元網(wǎng)格，最后整體模型的網(wǎng)格質(zhì)量類型良好，有限元分析網(wǎng)格劃分見圖4b。

圖4 人體模型有限元分析設(shè)置Fig.4 Setting of finite element analysis of human body model

2.3 有限元分析結(jié)果

馬桶座圈應(yīng)力見圖5，馬桶座圈壓力見圖6。其中，馬桶座圈的最大應(yīng)力、接觸壓力出現(xiàn)在人體髖肌后群的臀大肌骨突出部位，最小應(yīng)力、壓力出現(xiàn)在大腿肌后群的肱二頭肌長頭處及半腱肌處，接觸面積分布趨勢從最大應(yīng)力、壓力處開始逐漸向周邊減小。

圖5 馬桶座圈應(yīng)力Fig.5 Stress of toilet seat

圖6 馬桶座圈壓力Fig.6 Pressure of toilet seat

壓力分布廣泛用于產(chǎn)品的舒適性，舒適性與生物力學(xué)、肌肉疲勞因素有關(guān)，合理的壓力分布讓人感到舒適，因此可知肌肉疲勞性與壓力大小的分布有關(guān)。壓力數(shù)值越大，表示人體肌肉受到的壓迫感越大，會(huì)加重人體肌肉的疲勞感，在一定程度上降低了馬桶座圈對(duì)人體的舒適性。馬桶座圈的有限元分析結(jié)果見圖7，可直觀知道馬桶座圈的平均壓力值大小，在四個(gè)方案中，方案5 的平均壓力值是最小，為25.63 KPa，說明了方案5 的壓力舒適性更高。

皮亞杰認(rèn)為在認(rèn)知結(jié)構(gòu)的發(fā)展中客觀經(jīng)驗(yàn)是一個(gè)基本的因素，正是因?yàn)閮和瘬碛辛丝陀^經(jīng)驗(yàn)，他們的認(rèn)知結(jié)構(gòu)才能在客觀經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到進(jìn)一步的發(fā)展，操作經(jīng)驗(yàn)也能隨之豐富，好奇心能更加合理的出現(xiàn)。但是由于兒童的認(rèn)知發(fā)展處于初級(jí)階段，他們必須到具體的生活情境中積累知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。知識(shí)經(jīng)驗(yàn)是從作用于對(duì)象的操作中獲得的而不是從對(duì)象本身獲得的，所以必須結(jié)合具體事例才能學(xué)習(xí)掌握。②

圖7 馬桶座圈的有限元分析結(jié)果Fig.7 Finite element analysis results of toilet seats

3 綜合評(píng)估與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 綜合評(píng)估

為了更全面地對(duì)四個(gè)方案進(jìn)行綜合評(píng)估，在基于美觀性評(píng)估和有限元分析的基礎(chǔ)上采用層次分析法計(jì)算每個(gè)方案的綜合權(quán)重。

1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。目標(biāo)層A為馬桶座圈舒適性綜合評(píng)估，準(zhǔn)則層B為美觀性和壓力性能，方案層C為4 種方案，舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型見圖8。

圖8 舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Hierarchical structure model of comfort evaluation index

基于美觀性評(píng)估與有限元分析的分值，根據(jù)判斷矩陣標(biāo)度對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行判斷和比較，以構(gòu)造判斷矩陣。

判斷矩陣A—B，見表4，代表相對(duì)于舒適性綜合評(píng)價(jià)，準(zhǔn)則層相對(duì)重要性的比較。

表4 判斷矩陣A—BTab.4 Judgment matrix A-B

判斷矩陣B1—C，見表5，代表相對(duì)于美觀性準(zhǔn)則，各個(gè)方案相對(duì)重要性的比較。

表5 判斷矩陣B1—CTab. 5 Judgment matrix B1-C

判斷矩陣B2—C，見表6，代表相對(duì)于壓力性準(zhǔn)則，各個(gè)方案相對(duì)重要性的比較。

表6 判斷矩陣B2—CTab. 6 Judgment matrix B2-C

2）一致性檢驗(yàn)。綜合實(shí)際應(yīng)用的狀況，以上判斷矩陣結(jié)果不能保證完全具有一致性，需運(yùn)用一致性檢驗(yàn)來判斷結(jié)果是否合理。公式為：

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值，n為判斷矩陣的階數(shù)。

判斷矩陣的一致性取決于CI的數(shù)值，當(dāng)它越接近0，其滿意度越高。衡量CI的大小，需將CI與RI進(jìn)行比較，如公式(5)所示，當(dāng)CR＜ 0.1，則表示該判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)；否則，表示該判斷矩陣不符合一致性檢驗(yàn)，需對(duì)其重新修改。隨機(jī)一致性指標(biāo)RI標(biāo)準(zhǔn)值見表7。

表7 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 標(biāo)準(zhǔn)值Tab. 7 Standard values of random consistency index RI

3）層次總排序。各方案層次總排序見圖9。

最終結(jié)果顯示如圖9，方案5 是最優(yōu)的方案設(shè)計(jì)，其美觀性評(píng)估和有限元分析的數(shù)值分別為0.25 KPa和25.63 KPa，綜合數(shù)值為0.5。該方案整體上線條感與造型更加具有創(chuàng)新性，簡潔大方，增加了人體的髖肌后群和大腿肌后群處的接觸面積，減輕了人體肌肉的壓迫和疲勞感，提升了馬桶座圈的使用舒適性。

圖9 各方案層次總排序Fig.9 Total ranking of each scheme level

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案5 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以驗(yàn)證馬桶座圈造型設(shè)計(jì)和舒適性是否合理。將壓力傳感器放置于馬桶座圈表面上與測試者髖肌后群、大腿肌后群的接觸位置，開展連續(xù)三天的實(shí)驗(yàn)，每天對(duì)10 位年齡分布在50～60 歲的不同被測試者（均為健康人士）進(jìn)行壓力測試的數(shù)據(jù)采集，傳感器每秒采集5 個(gè)數(shù)據(jù)，且按個(gè)體體態(tài)差異分為三組：正常體態(tài)、略微偏胖體態(tài)、略微偏瘦體態(tài)。采集數(shù)據(jù)時(shí)，被測試者保持自然的如廁坐姿，測試時(shí)間設(shè)置為6 min，在測試時(shí)不對(duì)測試者造成任何干擾。壓力測試分布見圖10，其中區(qū)域A為臀大肌的位置，B 為臀大肌后方肌，C 為大腿后群肌，D 為肱二頭肌后跟，分別將30 名被測者（19 名女性，11 名男性）的A、B、D、C 的四個(gè)測量區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中收集后取平均值，壓力實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果見圖11。

圖10 壓力測試分布Fig.10 Stress test distribution

圖11 壓力實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果Fig.11 Stress test results

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖可以得知被測試者在進(jìn)行如廁測試時(shí)，其臀部與馬桶座圈接觸時(shí)的最大壓力分布在臀大肌骨突出部位，且最大壓力為20.08 KPa，與有限元分析數(shù)值25.63 KPa 相比要小，而測試者的體型與有限元建立的人體模型存在一定差異性，但壓力分布的趨勢與有限元分析結(jié)果近乎一致。表明了采用有限元分析不同造型的馬桶座圈所得到的接觸壓力是可行的，其結(jié)果也是合理的。

將最優(yōu)的馬桶座圈方案設(shè)計(jì)安裝在現(xiàn)有的馬桶上，最終馬桶座圈效果見圖12。

圖12 最終馬桶座圈效果Fig.12 Final rendering of the toilet seat

4 結(jié)語

本文以馬桶座圈為研究對(duì)象，提出了將造型設(shè)計(jì)與有限元分析相結(jié)合的方法，此方法依據(jù)感性工學(xué)原理歸納出設(shè)計(jì)要素并設(shè)計(jì)馬桶座圈，采用語義差異法獲得了滿足用戶需求的設(shè)計(jì)，同時(shí)采用有限元法對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析以獲取接觸壓力，在此基礎(chǔ)上，使用層次分析法對(duì)方案和壓力進(jìn)行綜合評(píng)估得出了最優(yōu)方案設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了合理性，最終得出了美觀且舒適的馬桶座圈方案設(shè)計(jì)。且在最終的方案設(shè)計(jì)中可得知，最美觀的造型方案設(shè)計(jì)，壓力值不一定是最小的，而壓力值最小的方案設(shè)計(jì)，造型不一定是最美觀的，因此在研究馬桶座圈時(shí)，需綜合考慮造型美觀性與壓力舒適性，該方法為相關(guān)的智能如廁產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

由于老年人在如廁時(shí)會(huì)存在一定的安全隱患，而本文在研究馬桶座圈時(shí)僅考慮了造型與使用舒適性，未考慮到安全性因素，如坐姿靠背、坐立輔助裝置、輔助把手等因素對(duì)如廁安全性的影響，所以在下一步的研究中將對(duì)上述因素進(jìn)行深入研究，從而更科學(xué)地輔助老年人如廁。