基于Jack仿真分析的適老化淋浴座椅設(shè)計(jì)

■呂天娥，葉 威

(1.淮陰工學(xué)院設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223001；2.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代商貿(mào)學(xué)院，浙江嘉興 314000）

隨著人口老齡化程度的進(jìn)一步加深，養(yǎng)老模式、養(yǎng)老政策、養(yǎng)老產(chǎn)品成為現(xiàn)代社會討論的焦點(diǎn)問題，居家養(yǎng)老為主，機(jī)構(gòu)養(yǎng)老為輔是我國目前的養(yǎng)老政策，有90%的老年人居家養(yǎng)老，6%-7%的老年人依托社區(qū)養(yǎng)老，3%-4%的老年人入住養(yǎng)老機(jī)構(gòu)[1-2]。根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，社區(qū)內(nèi)居家養(yǎng)老是最合理的養(yǎng)老方式。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示：65.5%的老年人選擇獨(dú)立居住，僅26.8%的老年人當(dāng)前居住狀態(tài)是與子女同住[3]。養(yǎng)老觀念的變化和擁有較充足的經(jīng)濟(jì)資源導(dǎo)致老年人更傾向于獨(dú)立居住。

目前，我國家庭空間和家具設(shè)計(jì)很多地方不能夠滿足“養(yǎng)老”所需的安全性和舒適性等要求，如衛(wèi)浴空間的家具，針對老年人在衛(wèi)浴空間的行為習(xí)慣所作的家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)鳳毛麟角。根據(jù)產(chǎn)品功能性將適老化洗浴產(chǎn)品分為主體洗浴產(chǎn)品和輔助洗浴產(chǎn)品，主體洗浴產(chǎn)品具有更高的功能性，包括適老化浴缸、介護(hù)式洗浴設(shè)備；輔助洗浴產(chǎn)品需配合其他產(chǎn)品使用，功能較單一，包括淋浴座椅、防滑扶手等。衛(wèi)浴空間作為使用頻繁且危險(xiǎn)系數(shù)較高的場所，衛(wèi)浴家具的適老化設(shè)計(jì)尤為重要，其中，淋浴座椅是衛(wèi)浴空間最具代表性的家具產(chǎn)品，淋浴座椅的適老化設(shè)計(jì)將大大提升老年人在衛(wèi)浴空間的安全性和舒適性。

部分學(xué)者也在探討淋浴座椅的材料選用，如結(jié)合木塑復(fù)合材料應(yīng)用性關(guān)聯(lián)要素進(jìn)行分析，包括材料防水性能、安全性能、舒適度、裝飾性和材料搭配等方面，結(jié)合實(shí)際案例對設(shè)計(jì)理論進(jìn)行檢驗(yàn)實(shí)踐；何泰在《基于人性關(guān)愛的老年人沐浴座椅設(shè)計(jì)研究》中，從我國老年人目前的沐浴現(xiàn)狀及安全問題出發(fā)，由表及里地研究適老產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出通用原則中人性關(guān)愛一點(diǎn)，并結(jié)合適老化產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則，對老年人沐浴輔助座椅進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，但僅在造型、尺寸和宣傳等方面迎合用戶的心理，實(shí)際功能設(shè)計(jì)卻沒有從老齡人群的角度出發(fā)，未深入挖掘老年人的功能需求，缺乏對老齡人群心理層面的關(guān)懷。

1 老年人人群分析

1.1 老年人自理等級劃分

我國《老年人權(quán)益保障法》中規(guī)定老年人的年齡起點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)是60周歲。為了解老年人的健康及養(yǎng)老需求情況，宋岳濤教授在《老年綜合評估》中收集、整理了國內(nèi)外大量的評估量表或問卷，老年綜合評估包括日常生活活動功能評估量表、認(rèn)知功能評估量表等，基礎(chǔ)日常生活能力評定量表是目前應(yīng)用最廣，研究最多的一種評定日常生活自理能力的量表[3]，根據(jù)《ADL評估量表》的Barthel的指數(shù)得分，將老人分為自理老人、介助老人、介護(hù)老人[4]，如表1所示。結(jié)合不同自理等級的老年人的具體表現(xiàn)并分析適老化衛(wèi)浴家具的具體功能需求，對提高其使用體驗(yàn)具有重要意義。

表1 老年人自理等級劃分

1.2 老年人身體特征分析

（1）老年人構(gòu)造尺寸變化及原因

老年人身體特征首先反映在人體尺度的變化，老年人構(gòu)造尺寸例如其身高會隨年齡增加而慢慢縮減，而體重、胸圍、臀寬等尺寸則隨年齡增長而有所增大。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)研究，身高的縮減的原因在于椎間盤萎縮，椎體疏松變扁，脊椎彎曲度加大；體重等構(gòu)造尺寸的增大是因?yàn)橹心暌院蟮娜梭w新陳代謝水平的降低造成的[4-5]。老年人人體尺寸計(jì)算公式：

式中：H0為老年人身高，單位mm；Hy為成年人身高，單位mm。

（2）老年人功能尺寸變化及原因

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)，老年人的運(yùn)動機(jī)能隨年齡增長而衰退，因此帶來了功能尺寸的縮減，其影響主要體現(xiàn)在身體協(xié)調(diào)能力和下肢活動能力兩個方面。

身體協(xié)調(diào)能力下降的主要原因是老年人視覺、聽覺、觸覺等感覺器官的功能衰退，從而造成了反應(yīng)時間長，反應(yīng)不靈敏，導(dǎo)致其不能及時發(fā)現(xiàn)和規(guī)避危險(xiǎn)。

肌肉彈性降低，肌腱、韌帶逐漸萎縮僵硬[2-6]，肌力和靈活性逐漸降低導(dǎo)致老年人下肢活動能力減弱。下肢肌肉力量的減退使老年人行走時會出現(xiàn)足上抬高度低，步長短的現(xiàn)象；同時老年人骨骼中的鹽成分增加，老年人跌倒更易發(fā)生骨折。

2 用戶需求調(diào)研

2.1 用戶訪談與洗浴場景繪制

適老化淋浴座椅設(shè)計(jì)不僅要考慮老年人身體機(jī)能特征，還需要結(jié)合老年沐浴行為習(xí)慣特征。由于老年人的身體機(jī)能下降，身體穩(wěn)定性、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動等方面都會變得困難，面對危險(xiǎn)因素較多的衛(wèi)浴空間，老年人行為與年輕人較為不同。筆者通過訪談20位不同家庭情況，不同健康狀況，不同養(yǎng)老方式的老年人，選取其中三位具有代表性的老年人進(jìn)行場景圖繪制，分別為：訪談一，居家養(yǎng)老的李某（76歲）處于介助狀態(tài)，與兒女共?。辉L談二，社區(qū)養(yǎng)老的王某（63歲）具有完全自理能力；訪談三，機(jī)構(gòu)養(yǎng)老的孫某（71歲），處于介護(hù)狀態(tài)。腿腳不便，出行需他人攙扶或者使用拐杖。李某在家中采用淋浴花灑洗浴，未安裝淋浴座椅和防滑扶手，偶爾使用家中閑置的塑料凳，居家洗浴行為習(xí)慣如圖1所示。王某家中安裝弧形淋浴房，同時家中安裝壁掛式固定淋浴凳和防滑扶手，洗浴行為習(xí)慣如圖2所示。孫某則在專業(yè)機(jī)構(gòu)養(yǎng)老，衛(wèi)浴間均經(jīng)過適老化改造，洗浴方式采用淋浴花灑方式，淋浴間內(nèi)安裝置物架、淋浴座椅和左右防滑扶手，淋浴間內(nèi)洗浴流程如圖3所示。

■圖1 居家養(yǎng)老淋浴流程故事板

■圖2 社區(qū)養(yǎng)老淋浴流程故事板

■圖3 機(jī)構(gòu)養(yǎng)老淋浴流程故事板

2.2 老年人洗浴行為習(xí)慣分析

通過了解不同養(yǎng)老模式下老年人的洗浴全過程，分析其動作及實(shí)時心理狀態(tài)反應(yīng)。同時，對老人洗浴流程進(jìn)行分解，并歸納總結(jié)三種環(huán)境下老年人洗浴行為，將洗浴過程分為七個步驟[7]。從進(jìn)入洗浴室打開淋浴器到穿衣離開，老人需要通過彎腰、伸臂、抬腿等姿勢轉(zhuǎn)換來達(dá)到洗發(fā)、沐浴、擦干等目的，如圖4所示。

■圖4 洗浴流程圖

3 基于Jack人因仿真的舒適度分析

筆者通過Jack構(gòu)建人物模型、產(chǎn)品模型和動作流程，再通過構(gòu)建數(shù)字人物模型使用普通淋浴座椅的動態(tài)仿真，進(jìn)行人物模型使用過程中身體舒適度分析，通過分析結(jié)果進(jìn)而分析人物模型對淋浴座椅的功能需求，指導(dǎo)淋浴座椅的設(shè)計(jì)[7]。

3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

作者在人物模型構(gòu)建中參考胡海滔《老年人的人體測量》中的相關(guān)數(shù)據(jù)，Jack中完成人物參數(shù)導(dǎo)入。分別選擇身高和體重百分位數(shù)為50和95的兩名男性與兩名女性并對數(shù)字人體模型進(jìn)行命名，依次為M1、M2、F1和F2，數(shù)字人物身體詳細(xì)參數(shù)如表2所示，構(gòu)建數(shù)字人物如圖5所示。通過Rhino、Solidworks、3D max等三維軟件對目前市場上主流淋浴座椅進(jìn)行構(gòu)建，并保存igs格式文件，導(dǎo)入到Jack中。模型在三維構(gòu)建時，首先對模型不同部分進(jìn)行分圖，然后對圖層配色標(biāo)注處理，這樣各個部件之間就有明顯的界限和區(qū)分，避免分析實(shí)體因沒有材質(zhì)和顏色而不能便捷地進(jìn)行動作調(diào)節(jié)[8]，可以直觀地發(fā)現(xiàn)動作變化，如圖6所示。

■圖5 數(shù)字人物

■圖6 普通淋浴凳

表2 四位數(shù)字人物部分參數(shù)表

3.2 舒適度定義及分析

本文的人體的舒適度評價是根據(jù)Jack中調(diào)節(jié)人體模型各關(guān)節(jié)角度及其調(diào)節(jié)范圍。在關(guān)節(jié)運(yùn)動的舒適度范圍內(nèi)的關(guān)節(jié)角度值均定義為“舒適”，反之定義為“不舒適”[9]。

根據(jù)人與座椅有無相互作用力或相對位移的變化情況，將使用座椅的助起和助坐過程中的狀態(tài)，分為靜態(tài)和動態(tài)。人坐在椅子上，人完全直立和人放松狀態(tài)下躺在椅子上，相對靜止可視作靜態(tài)。使用座椅的助坐功能從站立狀態(tài)坐到椅面的過程和老年人使用座椅助起功能從椅子上站起的過程，人與椅子相對運(yùn)動，產(chǎn)生相互作用力故視作動態(tài)。分析老年人使用淋浴座椅時姿勢變換如關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動、關(guān)節(jié)彎曲等，并利用Jack動態(tài)仿真進(jìn)行舒適度分析。

根據(jù)文獻(xiàn)分析以及實(shí)際調(diào)研，將整個起立和坐下的過程中的動作設(shè)置為勻速，同時，老年人起身時間約為1.69±0.31s[10]。本次仿真中選取人物M1為參考對象，并將動作放慢4倍，仿真過程設(shè)置為8s進(jìn)行分析。如圖7所示，為老年人在普通淋浴座椅上的動態(tài)仿真，選擇8s過程中第1s、第2.5s、第4.5s的瞬間姿勢進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分析，結(jié)果如圖8所示。老人使用普通座椅起身過程中，左右肘內(nèi)、左右手腕彎曲、左右大腿軀干和左右小腿舒適度值均超過合理區(qū)間。

■圖7 M1動態(tài)仿真過程

■圖8 M1起身過程內(nèi)各關(guān)節(jié)舒適值變化

3.3 仿真結(jié)果分析

人體在起身過程中，根據(jù)重心運(yùn)動，可劃分為三個階段：

（1）前傾動量期，軀干需要前傾，上半身產(chǎn)生動能，核心需要發(fā)力；

（2）動量傳輸期，身體前傾向上運(yùn)動，身體重量由原來椅子支撐轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)為雙腳完全承重；

（3）伸展期，垂直速度減速至完全站立。

結(jié)合圖7和圖8的舒適度分析結(jié)果，為提高左右手腕、左右大腿軀干舒適度，可以考慮通過淋浴座椅增加助力功能，為老年人起身提供推力，以此減少老年人前傾動量期起身身體肌肉發(fā)力和降低關(guān)節(jié)的彎曲值。同時也要對老人在坐立和站立時的姿勢特點(diǎn)進(jìn)行考慮，確保洗浴過程中重心穩(wěn)定，即老人的“入坐”和“起身”這兩個動作能夠安全完成是最基礎(chǔ)的。

4 適老化淋浴座椅設(shè)計(jì)

4.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)定位

本設(shè)計(jì)希望通過用戶定位，結(jié)合設(shè)計(jì)原則，提出適老化淋浴座椅的設(shè)計(jì)方案。產(chǎn)品定位于自理老人以及介助老人，輔助產(chǎn)品可以提高這兩類老年人沐浴的舒適性以及完整性，從而提升老齡人群的自信心，滿足其自尊心。產(chǎn)品的使用環(huán)境定位于家庭和社區(qū)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)。

4.2 老人洗浴的生理和心理需求

自我實(shí)現(xiàn)的需求是人最高層次的心理需求，“不服老，不認(rèn)老”是老年人群中的常見心理[11]。對于自理老人以及介助老人，由于年齡因素，疾病較少，頭腦清醒，大多數(shù)老人懂得安全對健康的影響，多數(shù)人會盡量避免危險(xiǎn)的活動例如減少外出活動，只在熟悉的區(qū)域活動。老年人普遍對跌倒存在恐懼心理[11]，這種心理導(dǎo)致他們不敢去洗澡，洗浴需求不易滿足會導(dǎo)致其產(chǎn)生自卑心理，影響正常社交，造成老年人社會隔離增加，從而導(dǎo)致急躁和憂慮[12]。

4.3 產(chǎn)品的功能需求

青光眼、白內(nèi)障是常見老年病，視力模糊且溫度感覺退化，使老年人易被燙傷。肌肉及骨骼系統(tǒng)衰退導(dǎo)致其肢體靈活程度下降，抓不牢東西，易跌倒，其中在臥室、客廳、浴室跌倒所占的比例最高，分別為14.28%,11.11%,9.31%，洗浴引起的跌倒非常普遍[11]。盆浴容易導(dǎo)致介護(hù)老人發(fā)生溺水、骨折等事故[12]。因此，安全是老年人產(chǎn)品的第一需求，淋浴座椅相對來說更適宜老年人使用。

洗浴椅的材質(zhì)要具有防水、防腐蝕、防滑功能，避免洗浴時發(fā)生意外[13]。同時，功能上要求淋浴座椅通過輔助功能設(shè)計(jì)來保證產(chǎn)品具有一定的自理性，滿足老年人的生理特點(diǎn)，使老年人能夠獨(dú)立完成洗浴[14]。適老化淋浴座椅的功能需求，從淋浴座椅尺寸、座椅衛(wèi)生問題、輔助功能、座椅材料和座椅便捷性五個方面展開，并提出具體的解決思路，如圖9所示。同時，針對淋浴座椅的設(shè)計(jì)設(shè)定功能目標(biāo)。

■圖9 淋浴座椅功能設(shè)計(jì)

4.4 產(chǎn)品的安全功能的實(shí)現(xiàn)

對于適老化淋浴座椅產(chǎn)品，安全是設(shè)計(jì)中的首要問題，是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，根據(jù)仿真結(jié)果分析具體解決方案如下：

（1）降低起身前傾角。老年人在執(zhí)行起身動作時，軀干的前傾角會較大，如圖10所示。輔助起身的動力使老年用戶不需要進(jìn)行補(bǔ)償性動作，會降低其軀干前傾角，減少髖、膝及踝三個關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍，減小髖關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)的作用力矩，從而保證老人起身的安全，提高產(chǎn)品安全系數(shù)[15-16]。

■圖10 老年人起身前傾角

（2）防止“跌進(jìn)”。起身和坐下包含全身移動，但起身動作為抵抗重力，而坐下則是利用重力（向下移動）。所以，有許多老年人是“跌進(jìn)”而不是“坐進(jìn)”座椅；尤其在衛(wèi)浴空間的濕滑地面，跌進(jìn)對老年人來說相當(dāng)危險(xiǎn)。因此，座面在入座過程中應(yīng)盡量靠近老人。

4.5 產(chǎn)品的用戶使用體驗(yàn)的提升

提升適老化淋浴座椅產(chǎn)品的用戶使用體驗(yàn)是設(shè)計(jì)中的重要問題，根據(jù)洗浴流程分析具體解決方案如下：

（1）花灑的升級設(shè)計(jì)。淋浴花灑的拿取方式和尺度與產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)以及用戶的使用體驗(yàn)息息相關(guān)。通過在花灑上設(shè)計(jì)溫控鍵、水控鍵和溫度顯示燈，使得花灑可調(diào)節(jié)水力強(qiáng)度大小和溫度高低以及水控開關(guān)，帶來更好的用戶使用體驗(yàn)[17-18]。

（2）必要輔助功能設(shè)計(jì)。洗發(fā)、擦拭沐浴露和擦干身體是沐浴過程中重要的環(huán)節(jié)，在老年人最小功能尺寸范圍內(nèi)提供置物功能，如圖11所示，通過置物功能設(shè)計(jì)可簡化老人的操作，減少老年人起身次數(shù)，降低老人洗澡過程中存在的危險(xiǎn)，提高老人洗浴體驗(yàn)感和自信心。

■圖11 淋浴座椅輔助功能設(shè)計(jì)

4.6 設(shè)計(jì)方案展示

適老化淋浴座椅設(shè)計(jì)方案一為獨(dú)立式淋浴座椅，如圖12所示，座椅外框架采用曲線鋼管結(jié)構(gòu)，提供穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的同時，不失美觀。座椅的前腿底部采用吸盤式防滑腳墊，前腿之間橫撐上安裝兩個卡扣式腳踏板，便于老人清洗小腿和腳；后腿安裝醫(yī)療萬向輪，便于座椅的移動。同時，為了便于老人坐姿清洗，坐板采用凹型設(shè)計(jì)[19]。坐板與靠背均采用ABS材質(zhì)，且表面配置EVA防滑坐墊來提高座椅的舒適度。扶手端表面采用EVA材質(zhì)，尾端采用可旋轉(zhuǎn)上翻固定設(shè)計(jì)；椅腿間橫撐上調(diào)近座面，兩邊橫撐均可放置置物籃，置物籃內(nèi)可放置沐浴露、洗發(fā)露等洗浴用品。右邊安裝花灑卡扣，便于老人取放花灑。ABS座板下安裝機(jī)械助起裝置，機(jī)械裝置下安裝360°旋轉(zhuǎn)底座，以提高老人坐姿下的觸及范圍。如圖13所示淋浴座椅放置于居家衛(wèi)浴空間內(nèi)場景圖。

■圖12 獨(dú)立式適老化淋浴座椅效果圖

■圖13 場景圖

適老化淋浴座椅設(shè)計(jì)方案二為壁掛式淋浴座椅，如圖14-圖15所示，座椅椅背后框架采用高密度環(huán)保塑殼層，一體成型結(jié)實(shí)，牢固。安裝前在家人幫助下試用，從而確定適合老人的使用高度，用膨脹螺栓將后框架及扶手框架安裝在浴室墻面上，節(jié)省浴室空間，避免可移動式座椅的翻倒情況，安全系數(shù)更高。同時，為了便于老人坐姿清洗，坐板采用局部鏤空設(shè)計(jì)。扶手、坐板與靠背均采用ABS材質(zhì)，且表面配置防滑設(shè)計(jì)來提高座椅的舒適度與安全度，框架式左右兩側(cè)扶手提供可將置物籃固定于產(chǎn)品上的四個下凸固定點(diǎn)設(shè)計(jì)，置物籃內(nèi)可放置洗浴用品，固定式設(shè)計(jì)更安全。左右兩邊安裝花灑磁吸板，便于老人取放花灑。ABS座板下安裝高壓支撐桿，使座板可下翻和保持水平，如圖14所示壁掛式淋浴座椅放置于居家衛(wèi)浴空間內(nèi)，不用時可將座板翻下，兩側(cè)扶手仍可作為站姿洗浴助力支撐、防滑扶手以及起到置物架、毛巾架的作用。同時，座板加寬方便老人入座和姿勢變換，尺寸設(shè)計(jì)如圖15所示。

■圖14 壁掛式適老化淋浴座椅效果圖

■圖15 壁掛式適老化淋浴座椅尺寸

5 結(jié)語

本文以適老化淋浴座椅為設(shè)計(jì)對象，研究老年人洗浴行為習(xí)慣下的功能需求、生理及心理需求等特征，總結(jié)歸納適老化淋浴座椅的設(shè)計(jì)要素，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合jack虛擬仿真軟件進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)的數(shù)據(jù)分析，得到適老化淋浴座椅高老年人洗浴舒適度和安全性的要點(diǎn)，針對這些要素和要點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩款不同類型的適老化淋浴座椅產(chǎn)品。