櫥柜操作臺(tái)面人機(jī)尺寸適配性研究

■李銀霞，王慧玲，呼慧敏，程偉宏 Li Yinxia & Wang Huiling & Hu Huimin & Cheng Weihong

(1.鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院人類工效實(shí)驗(yàn)室，北京 100191 3.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（人因與工效學(xué)），北京 100820）

廚房與人們生活密切相關(guān)，但由于廚房操作臺(tái)面高度不合適而導(dǎo)致的腰酸背痛等“痛點(diǎn)”問(wèn)題卻也一直困擾著人們，隨著疫情反復(fù)及人們對(duì)健康飲食生活的追求，在家烹飪頻率增加，櫥柜操作臺(tái)面的高度匹配性和舒適性更是成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。當(dāng)前，櫥柜操作臺(tái)面高度主要依據(jù)人體百分位數(shù)據(jù)、理論分析、主觀評(píng)價(jià)[1-3]或者采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出的推薦值[4]確定，是適用于大部分人群的固定高度。隨著人們對(duì)櫥柜操作臺(tái)舒適性訴求的增加，研究人員開始對(duì)櫥柜智能化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，可調(diào)節(jié)高度的操作臺(tái)逐漸走進(jìn)人們的生活[5-6]，這也將有助于逐步解決“痛點(diǎn)”問(wèn)題。本研究主要解決櫥柜操作臺(tái)面人機(jī)尺寸適配性問(wèn)題，研究結(jié)果可為櫥柜智能升降系統(tǒng)的適配性設(shè)計(jì)及評(píng)估提供數(shù)據(jù)參考和方法依據(jù)。

1 .研究方法

1.1 技術(shù)路線

本研究針對(duì)切菜、炒菜、揉面、洗盤四種典型的操作任務(wù)，分別選取八個(gè)測(cè)試高度進(jìn)行測(cè)試，采用主客觀相結(jié)合的方法研究確定最舒適操作臺(tái)面高度[7-9]。

采用表面肌電測(cè)試、足底壓力測(cè)試等兩種客觀實(shí)驗(yàn)方法及主觀評(píng)價(jià)方法分別評(píng)估出最優(yōu)操作臺(tái)面高度，并進(jìn)行相關(guān)性分析，計(jì)算主觀和客觀評(píng)價(jià)得出的最優(yōu)操作臺(tái)面高度上下四分位數(shù)的平均值，將其作為綜合最優(yōu)操作臺(tái)面高度，在此基礎(chǔ)上建立身高、性別與操作臺(tái)面高度之間的線性回歸方程，最后進(jìn)行分析驗(yàn)證。技術(shù)路線如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)流程

使用馬丁尺、體重秤等儀器測(cè)量被試者基本信息，被試者熟悉操作任務(wù)及注意事項(xiàng)，肌電片粘貼并檢查阻抗及連接狀態(tài)，確認(rèn)阻抗小于10kΩ、連接無(wú)誤，穿戴鞋墊設(shè)備并調(diào)零，不同操作高度下被試者對(duì)切菜、炒菜、洗盤、揉面等四種操作任務(wù)測(cè)試，每個(gè)高度測(cè)試結(jié)束后記錄客觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及被試者主觀評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖2為四個(gè)操作任務(wù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)要求

切菜操作時(shí)，準(zhǔn)備土豆若干，去掉頭尾，保留中間部分，以盡量保證每次操作時(shí)土豆大小均勻，每個(gè)操作臺(tái)面高度進(jìn)行10次切菜操作。

炒菜操作時(shí)，將切好的土豆片放入鍋中，每個(gè)設(shè)定臺(tái)面高度翻炒10次。

洗盤操作時(shí)，設(shè)定盤子傾斜但不離開水槽底，每個(gè)設(shè)定臺(tái)面高度洗盤10次（實(shí)驗(yàn)得出的洗滌池操作臺(tái)面高度適用于以下情況：水槽底清潔、不宜拿起的廚具及放置于水槽底部容器中食材的清洗等）。

揉面操作時(shí)，面團(tuán)選擇不易因揉搓時(shí)間而改變硬度的黏土代替，以保證黏土的硬度接近面團(tuán)硬度，每個(gè)設(shè)定臺(tái)面高度揉壓10次，每次按壓深度基本保持一致。

當(dāng)每個(gè)操作任務(wù)結(jié)束后，被試者需以坐姿狀態(tài)休息至少5分鐘，以消除肌肉疲勞對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。每次開始新的操作任務(wù)前，為保證鞋墊采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需重新校準(zhǔn)鞋墊數(shù)據(jù)，并保持執(zhí)行每次操作任務(wù)的操作頻率不變，廚具及用具位置相對(duì)固定，具體要求見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)相關(guān)距離尺寸

1.2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試高度

通過(guò)對(duì)人體數(shù)據(jù)的理論分析、文獻(xiàn)調(diào)研、預(yù)實(shí)驗(yàn)等方法，針對(duì)不同的操作任務(wù)，首先設(shè)定四個(gè)固定操作高度和一個(gè)用戶自選最優(yōu)舒適高度，四個(gè)固定操作高度分別為：切菜70～100cm，炒菜60～90cm，揉面65～95cm，洗盤63～93cm，步長(zhǎng)均為10cm；其次，為彌補(bǔ)被試者最優(yōu)舒適高度選取誤差，在用戶自選最優(yōu)舒適高度附近增設(shè)三個(gè)高度（實(shí)驗(yàn)表明，有38.33%的被試者最后選取的最舒適高度在增加的三個(gè)測(cè)試高度范圍中），選取原則見表2，最終每項(xiàng)操作任務(wù)下均設(shè)置8個(gè)操作高度。被試者站立于可調(diào)節(jié)操作臺(tái)前，操作臺(tái)調(diào)節(jié)范圍為60～125cm，精度為0.1cm。

■圖1 技術(shù)路線圖

表2 測(cè)試高度選擇原則

1.3 被試者信息

共招募15名被試者參與實(shí)驗(yàn)，男性7名，女性8名，年齡均在18至35歲范圍內(nèi)（平均28.9歲，標(biāo)準(zhǔn)差5.4歲），體重區(qū)間47.7～119kg（平均68.3kg，標(biāo)準(zhǔn)差18.1kg）。男性身區(qū)間高161.8～181.5cm，女性身高區(qū)間150.4～175.3cm。15名被試者詳細(xì)信息見表3。要求所有被試者無(wú)肌肉損傷（包括上肢、頸部、腰部），并均為右利手，每周做飯頻率通常達(dá)3次及以上，有一定的面食制作經(jīng)驗(yàn)。

表3 被試者信息及主觀和客觀評(píng)價(jià)結(jié)果

1.4 客觀實(shí)驗(yàn)

1.4.1 實(shí)驗(yàn)器材

表面肌電測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)NORAXON的 Ultium EMG傳感器系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，采樣頻率可為2000/4000Hz，結(jié)合使用myoMUSCLE模塊采集并分析肌電數(shù)據(jù)。足底壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)Novel公司的 Pedar-x 鞋墊式壓力分布測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，該系統(tǒng)可以精準(zhǔn)測(cè)量和監(jiān)測(cè)足部負(fù)荷，結(jié)合使用pedar-x online 程序采集數(shù)據(jù)并分析足底壓力等參數(shù)。

圖3為被試者粘貼肌電片位置照片，圖4為被試者穿戴鞋墊設(shè)備照片，實(shí)驗(yàn)中使用的廚具示意圖見圖5，廚具信息見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)用廚具信息

1.4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理

在執(zhí)行相關(guān)操作任務(wù)時(shí)，受力部位主要分布在上肢、頸部、腰部、足部等部位。因此，在使用表面肌電采集系統(tǒng)采集肌電信號(hào)時(shí)，主要采集右側(cè)肱橈肌、肱二頭肌、肱三頭肌、斜方肌、豎脊肌處的肌電信號(hào)，以此分析肌肉受力情況。同時(shí)，使用鞋墊式足底壓力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量?jī)勺愕椎姆逯祲簭?qiáng)。

在非疲勞狀態(tài)下，肌電信號(hào)幅值可以表征肌肉的收縮強(qiáng)度[10-11]，幅值高則肌肉興奮性高、放電活動(dòng)強(qiáng)。對(duì)肌電幅值信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，首先分析是否有異常峰值振幅；然后截取平穩(wěn)的肌電信號(hào)，通過(guò)整流、RMS算法進(jìn)行平滑過(guò)渡處理，統(tǒng)計(jì)各個(gè)高度下不同肌肉的肌電幅值峰值；最后，選取每塊肌肉幅值最低對(duì)應(yīng)的操作高度為最優(yōu)操作臺(tái)面高度。足底峰值壓強(qiáng)可以有效判斷足底舒適性[12]，峰值壓強(qiáng)越高，表明足底受力越大。選取峰值壓強(qiáng)最小時(shí)的操作高度為最優(yōu)操作臺(tái)面高度。

實(shí)驗(yàn)表明，在最低和最高操作臺(tái)面高度下操作時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)肌肉幅值最低或足底峰值壓強(qiáng)最低的情況，但在任何同一個(gè)高度下，都不能同時(shí)滿足每塊肌肉都能達(dá)到幅值最低時(shí)足底峰值壓強(qiáng)也是最低。因此，對(duì)端點(diǎn)處偏離較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行去除處理，并對(duì)客觀數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)計(jì)算。本研究中，去除8個(gè)測(cè)試操作高度中3個(gè)端點(diǎn)處的測(cè)試操作高度，并對(duì)剩余5個(gè)測(cè)試操作高度重新統(tǒng)計(jì)最優(yōu)操作高度，計(jì)算肌電幅值最低對(duì)應(yīng)的5個(gè)最優(yōu)操作高度和足底峰值壓強(qiáng)最低對(duì)應(yīng)的1個(gè)最優(yōu)操作高度的上下四分位數(shù)，并取上下四分位數(shù)的平均值作為客觀測(cè)試的最優(yōu)操作臺(tái)面高度[13]?？陀^實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

1.5 主觀評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由主試記錄操作次數(shù)，被試者在測(cè)試每個(gè)操作臺(tái)面高度后，根據(jù)自身感受對(duì)該操作臺(tái)面高度進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分采用5分制，設(shè)定非常不舒服（1分）、不舒服（2分）、一般（3分）、舒服（4分）、很舒服（5分）。主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

2 . 結(jié)果分析

2.1 主觀和客觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)表3中主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，得到四種操作任務(wù)下采用主客觀方法選取最優(yōu)操作臺(tái)面高度的相關(guān)系數(shù)，具體見表5。從表5可以看出，在選取最優(yōu)操作臺(tái)面高度時(shí)，女性采用主觀和客觀方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)均大于0.9，男性除了揉面操作外，其余操作下得到的評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)均大于0.8，這說(shuō)明無(wú)論男性還是女性，在選取操作臺(tái)面高度最優(yōu)值時(shí)，主觀方法與客觀方法評(píng)價(jià)結(jié)果具有較好的一致性。在揉面操作任務(wù)下，男性通過(guò)主客觀方法獲得的評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)系數(shù)較低，原因是其中一位被試者主觀選取的最優(yōu)舒適高度與其余被試者選取的最優(yōu)舒適高度相差較多，導(dǎo)致主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)系數(shù)降低。

采用肌電設(shè)備和足底壓力測(cè)試設(shè)備進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以校正因主觀評(píng)價(jià)差異而導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)果偏差較大的現(xiàn)象，因此，在數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)綜合考慮主觀方法與客觀方法選取的結(jié)果數(shù)據(jù)，對(duì)綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)操作臺(tái)面高度值與人體身高尺寸做回歸分析，進(jìn)一步來(lái)確定身體尺寸數(shù)據(jù)與操作臺(tái)面高度之間的關(guān)系。

2.2 線性回歸分析

圖6至圖9為性別、身高與四項(xiàng)操作任務(wù)的最優(yōu)操作臺(tái)面高度的關(guān)系散點(diǎn)圖，整體上來(lái)看，身高與四項(xiàng)操作任務(wù)下的操作高度基本是呈線性關(guān)系，隨著身高的增加，四項(xiàng)操作高度也隨之增加。因此，可以通過(guò)回歸分析來(lái)研究身高與最優(yōu)操作臺(tái)面高度數(shù)據(jù)間的關(guān)系[14-15]。

根據(jù)一元線性回歸的前提條件，分析因變量Y（切菜、炒菜、揉面、洗盤操作臺(tái)面高度）是否服從正態(tài)分布，進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)。使用SPSS軟件對(duì)因變量四個(gè)操作高度進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)四個(gè)操作高度均符合正態(tài)分布（Sig.(2-tailed) >0.05）。

從散點(diǎn)圖看出，數(shù)據(jù)所繪制出的圖形呈直線，基于因變量正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果，對(duì)主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，分析結(jié)果見表6。結(jié)果顯示，男性身高與切菜、炒菜、揉面、洗盤操作高度的相關(guān)系數(shù)分別為0.868、0.851、0.929、0.893，女性身高與切菜、炒菜、揉面、洗盤操作高度的相關(guān)系數(shù)分別為0.890、0.847、0.929、0.939。根據(jù)相關(guān)系數(shù)的定義，當(dāng)|0.7 |

2.3 回歸方程驗(yàn)證

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)回歸方程進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明回歸方程及一次項(xiàng)回歸系數(shù)均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)殘差均落在-2～2之間，呈現(xiàn)正態(tài)分布，說(shuō)明回歸模型選取適當(dāng)，建立的方程能夠準(zhǔn)確反映身高和操作臺(tái)面高度的關(guān)系。

■圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

■圖3 肌電設(shè)備粘貼位置

■圖4 被試者穿戴鞋墊設(shè)備照片

■圖5 實(shí)驗(yàn)用廚具示意圖

■圖6 身高與切菜高度散點(diǎn)圖

■圖7 身高與炒菜高度散點(diǎn)圖

■圖8 身高與揉面高度散點(diǎn)圖

■圖9 身高與洗盤高度散點(diǎn)圖

2.4 回歸方程修正

結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件以及實(shí)際操作時(shí)功能修正量[17]，對(duì)線性回歸方程進(jìn)行修正。本實(shí)驗(yàn)中，菜板厚度為0.65cm，鍋具高度為9.7cm。當(dāng)取菜板厚度1.8cm，鍋具高度9.7cm，灶具支架高度6.5cm，鞋高2cm，立姿狀態(tài)修正量1cm，水槽深度為20cm時(shí)，根據(jù)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院最新中國(guó)成年人人體尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，對(duì)于18至35歲人群，選擇百分位數(shù)為1和百分位數(shù)為99的男性和女性身高數(shù)據(jù)分別計(jì)算各操作臺(tái)面的高度調(diào)節(jié)范圍，取值參考表8。

表8 修正的身高與操作臺(tái)面高度回歸方程及操作臺(tái)調(diào)整范圍

圖10至圖13分別為切菜、炒菜、揉面、洗盤四種操作任務(wù)下身高與操作臺(tái)面高度關(guān)系擬合線，從圖10可以看出，在切菜操作下，男女身高對(duì)于最優(yōu)操作臺(tái)面高度存在一個(gè)界點(diǎn)值，身高界點(diǎn)值約為166cm，身高在166cm以下時(shí)，男性最優(yōu)操作臺(tái)面高度大于女性相應(yīng)高度，而在身高166cm以上時(shí)，女性最優(yōu)操作臺(tái)面高度大于男性相應(yīng)高度，兩者差值最大為2.6cm；由圖11可知，在炒菜操作時(shí)，女性最優(yōu)操作臺(tái)面高度大于男性相應(yīng)高度,兩者差值最大為2.8cm；由圖12可知，在揉面操作下，身高在164cm以下時(shí)，男性最優(yōu)操作臺(tái)面高度大于女性相應(yīng)高度，而在身高164cm以上時(shí)，女性最優(yōu)操作臺(tái)面高度大于男性相應(yīng)高度，兩者差值最大為3cm；由圖13可以看出，在洗盤時(shí)，女性最優(yōu)操作臺(tái)面高度大于男性相應(yīng)高度，兩者差值最大為4.3cm。

2.5 各操作臺(tái)面高度間關(guān)系

通過(guò)分析可知，（1）切菜與炒菜操作臺(tái)面高度平均差約為：①女性：13～15cm，②男性：14～16cm；（2）切菜與揉面的操作臺(tái)面高度平均差約為：①女性：7～8cm，②男性：8～9cm；（3）洗盤與切菜操作臺(tái)面高度平均差約為：①女性：9～10cm，②男性：7～8cm。由此可得出四種操作任務(wù)的操作臺(tái)面高度整體關(guān)系如下：洗盤>切菜>揉面>炒菜。

2.6 操作臺(tái)面高度與肘高關(guān)系

目前操作高度類的研究多以肘高為基礎(chǔ)參考值來(lái)確定舒適操作高度[18-19]，且由人體身體參數(shù)與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果間相關(guān)系數(shù)r（表6）可知，肘高與四個(gè)操作高度具有較強(qiáng)的相關(guān)性。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及擬合方程綜合分析可知，在切菜操作時(shí)的最優(yōu)操作臺(tái)面高度對(duì)比女性和男性肘高平均分別約低14cm和16cm，在炒菜操作時(shí)的最優(yōu)操作臺(tái)面高度對(duì)比女性和男性肘高平均分別約低28cm和31cm，揉面操作時(shí)最優(yōu)操作臺(tái)面高度對(duì)比女性和男性肘高平均分別約低22cm和24cm，洗盤時(shí)最優(yōu)操作臺(tái)面高度對(duì)比女性和男性肘高平均分別約低4cm和8cm，與根據(jù)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院2009年人體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出的關(guān)系公式（肘高=0.620*身高-0.23cm）[20]相比，結(jié)果基本一致。

2.7 小結(jié)

根據(jù)上述結(jié)果分析得出以下結(jié)論。

（1）采用主客觀方法對(duì)櫥柜高度人機(jī)適配性評(píng)估的結(jié)果具有一致性。在進(jìn)行切菜、炒菜、揉面、洗盤等操作時(shí)，隨著身高的增加，最佳舒適操作臺(tái)面高度呈線性增加，身高與操作臺(tái)面高度關(guān)系呈正相關(guān)。

（2）在切菜等四項(xiàng)典型操作任務(wù)下，最優(yōu) 操作臺(tái)面高度受性別及身高的影響。在切菜與揉面操作時(shí)，存在一個(gè)明顯的身高界點(diǎn)值，在這個(gè)身高界點(diǎn)值以下時(shí)，男性最優(yōu)操作臺(tái)面高度大于女性相應(yīng)高度，而在此身高界點(diǎn)值以上時(shí)，女性最優(yōu)操作臺(tái)面高度則高于男性相應(yīng)高度；在炒菜與洗盤操作下，女性最優(yōu)操作臺(tái)面高度均大于男性相應(yīng)高度。

（3）在不同操作任務(wù)下，采用線性回歸分析建立了身高、性別與各操作臺(tái)面高度之間線性關(guān)系方程，可根據(jù)方程對(duì)不同人群適合的櫥柜高度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

■圖10 身高與切菜高度

■圖11 身高與炒菜高度

■圖12 身高與揉面高度

■圖13 身高與洗盤高度

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)目標(biāo)用戶的分析及櫥柜功能的解構(gòu)，確定了實(shí)驗(yàn)被試者及典型操作任務(wù)。在八個(gè)測(cè)試高度中，增加的三個(gè)測(cè)試高度提高了最優(yōu)舒適高度確定的準(zhǔn)確性，在評(píng)價(jià)結(jié)果上，主客觀方法評(píng)價(jià)具有高度的一致性，并且采取主客觀相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，在一定程度上可以減少主觀不確定性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。根據(jù)主客觀綜合評(píng)價(jià)結(jié)果建立了有效的線性回歸方程，可為櫥柜智能升降臺(tái)面適配性設(shè)計(jì)研究提供參考。

由于條件限制等原因，僅對(duì)18至35歲的人群進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，未對(duì)其他年齡段的人群以及特殊人群進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果可能存在一定的局限性，還需要進(jìn)一步的研究。