基于JACK仿真分析的老年人购物车设计研究_黄鸿波.pdf

学研探索产品2023年2月 第36卷 第4期设计DESIGN112摘要：为设计改良老人购物车,研究老人产品设计方法。基于设计事理的老年人产品设计方法和人因工程模拟设计方法框架流程,优化面向特殊人群的仿真模拟设计方法,以老年人购物车为研究对象,运用Jack软件对购物车功能进行评价分析和优化设计。得到优化设计方案与模型。设计有效提高老人购物车安全性及舒适性评价,可为老年人产品创新设计提供参考。关键词：设计事理 老年人产品 特殊人群 仿真模拟设计方法 Jack 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1003-0069（2023）04-0112-04Abstract：In order to design and improve the shopping cart for the elderly,research the design method of the elderly products.Based on the framework process of the product design method for the elderly and the human factor engineering simulation design method,the simulation design method for the special population was optimized.Taking the shopping cart for the elderly as the research object,Jack software was used to evaluate,analyze and optimize the shopping cart function.The optimized design scheme and model are obtained.The design can effectively improve the safety and comfort evaluation of the elderly shopping cart and provide reference for the innovative design of the elderly products.Keywords：Design philosophy Products for the elderly Special crowd Simulation design method Jack武汉理工大学艺术与设计学院 黄鸿波 黄雪飞基于JACK仿真分析的老年人购物车设计研究RESEARCH ON THE DESIGN OF SHOPPING CART FOR THE ELDERLY BASED ON JACK SIMULATION ANALYSIS引言我国在“十四五”健康老龄规划中,提出积极应对老龄化问题,开发和提供适老化产品与服务。出行是老年人社会生活中的重要活动,其中购物是出行目的的主要内容1。然而对于大多数老年人,日常出行购物存在诸多不便,老年人购物所使用的主要产品家用购物车,存在较大的改善空间。老年人购物工具从购物袋到购物车的变化使得老年人购物活动更加便捷,但市场现有购物车仍存在舒适性差、安全性不足的缺点。针对老年人购物车的设计优化,当前学者主要通过购物行为和人机关系展开设计研究。一、研究方法当前,老年人相关产品的设计研究主要分为设计事理与人因关系的两个方向。在上述设计方法的研究和设计实现的过程中,设计分析的侧重不同,设计策略也存在区别,研究通过对两种方法的总结提出优化设计方法。（一）基于设计事理的老年人产品设计方法学者以设计学的视角,从人的需求、情感和行为出发进行研究,研究人与事的内在联系,设计更符合老人使用习惯和情感的产品,如图1。学者通过需求分析、用户体验对老年人浴缸、购物车和药盒等进行设计改良2、3、4。通过基于设计事理的老年人产品设计方法注重老人的情感和使用体验,调研老年人的产品评价、分析老年人心理、行为特征,提出痛点,基于设计原则提出设计策略与方案。这类设计方法可以使得研究者具有更广阔的设计视野,得到创新性的解决方案,使产品具有温度。但是研究对于需求与情感的侧重使得研究多停留在理论与策略层次,易产生产品可实现性与使用性不高等问题。（二）基于Jack的人因工程仿真模拟设计方法人因工程仿真模拟方法是通过在虚拟空间构建人物模型和作业系统,分析人的动作、受力和舒适度,通过模拟得出最佳人机功能尺寸并评价产品模型,如图2。学者利用Jack仿真对护理床、轻便手动轮椅、新兴指甲刀等老年人产品展开分析,研究内容涉及老年人静态尺寸、舒适度评价以及虚拟人体模型与产品模型的批评分析等5、6、7。这类研究强调人机尺度,却缺乏对于特殊人群行为的分析研究,忽略特殊人群特定行为及深层原因,使得设计创新性不足。人因工程分析软件中西门子Jack软件将人、机和环境三者进行系统性仿真模拟,是一款成熟且实用的人机工效仿真评估软件,符合设计系统性的理念。Jack软件数字人仿真程度极高,包含有不同人种的人物模型,并且可以通过调节人物的身高,腰围等匹配现实用户,使得人机功效分析更加具有针对性和准确性8。（三）面向特殊人群特定行为的仿真模拟设计方法在上述设计方法的研究和设计实现的过程中,设计分析的侧重不同,设计策略也存在区别,均存在一定局限性。基于设计事理的研究可以从系统宏观角度看待人事之间的联系,提出创新性的解决方案,但在产品实现的过程中却缺乏具体研究,使得产品可能难以真正满足用户需求。而基于人因关系的设计研究可以很好解决产品存在的不足,却缺乏对于事的深入分析,难以得出突破性的解决方案。为进一步满足适老性需求,本文结合上述两种方法提出一种优化方案,即基于人因关系研究方法,在调研阶段结合事理分析方法,分析事中老人与产品之间特定的行为特点,发掘产品创新点,通过人因工程仿真模拟方法完成设计,提高设计创新性同时快速有效地推动设计实现,希望能结合两类方法的优势,通过调研与仿真分析研究对购物车的搬运移动功能和物品放置归纳功能进行研究,对老年人购物车进行进一步设计研究。图 1 基于设计事理的老年人产品设计方法框架图 2 通用人因工程仿真模拟设计研究方法框架DOI:10.20055/ki.1003-0069.000418学研探索产品设计DESIGN113特殊人群用户因为生理、心理上的区别,与产品交互行为同正常人群存在差异,仿真虚拟系统也会存在不同。因此在搭建仿真模拟系统前需要以设计事理的分析方法,更深一步调研特殊人群与产品的行为习惯,发掘潜在设计点,提高设计创新性,搭建更符合特殊人群实际使用情况的仿真模拟系统,得到更加准确的分析评价（图3）。二、实验准备（一）调研分析1.老年人生理数据调研研究表明老年人人体尺寸较成年人各参数下降2.8%9,因此选用Jack软件内中国人种P5与P95虚拟人体模型数据换算为老年人生理尺寸进行分析研究7,如表1。图 3 特殊人群仿真模拟设计研究方法框架图 4 拉式购物车与推式购物车表1 老年人生理尺寸表 2 拉式购物车尺寸表 3 老人购物旅程表2.产品调研分析当前市场上老人购物车主要分为两类（如图4）,一类是前推使用的推式老人购物车,主要通过双手握推使用,部分产品具备助行、座椅和刹车等功能;另一类是主要通过拉拽使用的手拉购物车,优点在于操作使用简便,适用于不同地形。根据实地和网络销售情况调研结果来看,80%老人使用的购物产品为手拉购物车,老人群体对于推行购物车的评价多为操作复杂,转向功能难控制,推行稳定性高但座椅功能安全性差,可见多功能的不当设计反而导致老人在使用中产生负面体验,因此老人更倾向于具有更佳体验感的拉行购物车。购物车的关键尺寸包括购物车整体长宽高和座椅、手把、购物篮的相关尺寸。通过分析市场现有购物车尺寸,建立拉行购物车通用模型尺寸（如表2）,为后续模拟仿真提供依据。老人的购物场景主要在超市或者地摊,购买商品种类多为日常产品,主要包括：食材、水果、粮油和日常用品等。单件重量在0-15kg之间。3.老人购物行为的调研分析在城市老年人生活中,购物是最经常发生的一种出行行为,属于短、中距出行10,老年人的步行购物活动都是围绕着小区1 km范围内的商业服务展开的,因此老人的购物行为多为步行,部分选择公共交通。购物地点可大致分为地摊、商场、市场三类。购物流程可分为五个阶段：出行准备、前往购物、购物、购物回归、抵家归纳,根据调研观察结果得出老人购物行为旅程表,如表3。名称P5P95身高（cm）144173.8体重（kg）4173L4/L5最大承受压力（N）2720种类车身尺寸cm（高长宽）手把尺寸cm（高度、手握直径）购物篮尺寸cm（高度、长宽高）拉式购物车90364191、2.525、471927阶段出行准备前往购物途中购物购物回归途中抵家归置场景出行准备，小型物品存储、携带行走、停驻、休息购物行走、停驻、休息取放物品行为出行准备、清理购物车中物品、携带出行物品拉购物车行走、休息、上下公交挑选商品装商品、结账拉载物购物车行走、停留休息、上下公交打开购物车取出购买商品放入冰箱、储物柜动作弯腰、推拉拉、坐弯腰提升、拉、坐、下蹲推拉、坐弯腰提升、推拉痛点购物袋、钥匙遗忘购物车过矮，老人腰部不适；站立时间过长，腿脚不适多次弯腰提取和物品过重导致腰背疼痛购物车过高，拉行费力；站立时间过长，腿脚不适多次弯腰提取和物品过重导致腰背疼痛（二）搭建仿真场景此次实验中重点在于测量老年人在使用购物车的过程中动作的舒适度评价,可在保证模型关键尺寸的基础上对模型进行精简,将人受力简化为图5所示,经过测量最佳角度为45-60度之间是介于方便省力的最佳拉杆角度,使得购物车既不至于因角度过大易导致购物车击打脚部与角度过小拉行费力。黄鸿波等：基于JACK仿真分析的老年人购物车设计研究学研探索产品2023年2月 第36卷 第4期设计DESIGN114表 4 身高与车把手长度对应表图 5 人体受力简图 图 6 人体数字模型手部可达域图 7 NIOSH分析报告图 8 下背部分析报告身高范围（cm）140-150150-160160-170170-180车把手高度（cm）81.787.691.296.9Jack仿真软件具有多个分析模块,在进行仿真分析之前,需要确定分析模块及分析对象的各项生理数值来确定分析结果的可靠性。在上一步对老人购物旅程的分析中得出,在购物车的使用中,主要涉及的有弯腰提升动作中的背部肌肉、L4/5关节和推拉行走和坐下休息等功能中的可能会导致的部分肌肉、关节不适感产生。因此选择Lower Back Analysis（下背部分析）、NIOSH（搬运受力分析）、Reach Zones（可达域分析）和TSB动画仿真这四个工具进行仿真人机分析。三、实验结果此部分通过对老年人移动、搬运和休息三个场景中老年人使用购物车的三大功能选择合适分析工具进行人机分析,得出舒适度最高的相应尺寸,为后续设计提供依据。（一）移动移动场景中主要是老年人拉购物车的行走过程,也是购物行为中时间最长的场景。可以通过减少老年人负重,保持腰部关节弯曲角度接近无负荷行走下的角度,可以使老人获得行走最佳舒适度。主要涉及到购物车车身长度与宽度设计,通过软件测量老人正常行走状态下手心高度,车身与地面成60,使得老年人负重与拉行购物车舒适度最佳,得出不同身高老人对应舒适状态下的购物车车把手高度,如表4。购物车车把手位于宽度一半位置,车身宽度主要肩关节外展角度舒适度相关。车身越宽,肩关节外展角度越大,用户舒适度越低。以老人数字模型右手手心为端点,肩膀为旋转中心,生成右手最大可达域,如图6。结合老年人肩关节外展角度舒适范围11,得到购物车离老人横向距离。仿真结果得到最大距离为29.34cm,即车身宽度在60cm以下为宜。（二）搬运存储搬运场景是老年人购物行为中体验感最强烈的部分。场景行为主要是老年人将物品放入、取出购物篮,可以通过对购物篮分析与设计改善这部分体验。选用NIOSH搬运分析工具来评估搬举任务中的人因状况,可以了解在给定的姿势下大多数用户可以安全地举起地重量或负荷,旨在分析人双手搬起重物时的受力情况、搬运距离、高度等信息,综合得出一个搬运提举指数12,判断搬运过程中的动作是否合理。通过分析市场购物车得出,如图7,CLI（提举指数）=1.11（正常人极限为1）,而老年人提举指数应高于1.1,可知当前产品老人需要将物品取出购物车底部,购物篮高度25cm的设计不合理,RWL（搬举建议值）=4.54,即成年人使用购物车最大搬运重量为4.54kg,老年人因关节受限和肌肉力量的不足,搬运重量将低于4.54kg,老年人搬运大重量物品将对老人健康产生严重危害。下背部分析工具是Jack软件中依据NIOSH提举指数公式建立的一个分析工具,通过计算L4/L5脊椎处的压力,并将这个压力和NIOSH的推荐压力及极限压力进行比较,衡量舒适度。因此设定P95身高的老人进行分析研究,可得出购物篮最低高度限制。以通过调节手部高度最终分析得出搬运最低高度为40cm,如图8,而高度不能使得P5身高老人肩关节前举角度过大和腰关节受力造成不适,高度上限为85cm。（三）停驻休息由于老年人购物过程中经常出现社交、休息等需求,所以老年人对于购物车停驻和休息功能有更高的要求,可以通过座椅和停驻的设计增加老人使用体验。购物车座椅功能的仿真分析主要在于坐高评估。购物车座椅功能对于购物车在于为老年人提供短暂舒适的休息体验,主要在于保证老人坐立转换动作完成的前提下提升老人舒适度,选用TSB动画仿真工具对动作进行模拟,因为老年人主要依靠大腿肌肉和膝关节完成站立动作,因此可通过分析膝关节的舒适度得出最低高度。最终得出坐姿45cm为老人起身的最低高度,与其他学者实验结论相同13。四、设计方向及策略方案（一）设计方向从老年人购物旅程表得出的痛点和仿真实验结果可以看出,当前购物车的不足主要集中在移动、搬运存储和停驻休息三个场景的行为之中。行走：老年人行走的过程中,由于身体机能的下降,行走特征较年轻人有很大不同,速度较慢,多出现轻微弯腰驼背的现象;购物车与老年人身高不适配,购物车过矮,老年人需要弯腰使用,过高导致使用过程中购物车与地面夹角小,为老人带来额外负重,不适的购物车与购物篮高度都将导致老年人弯腰严重,腰背部更易疲劳和受到损害,加重了对老人健康的威胁。学研探索产品设计DESIGN115参考文献1张政等 北京老年人出行行为特征分析J.交通运输系统工程与信息，2007 2李翠玉，董艳晴.基于城市独居老人需求的卫浴产品创新设计J.包装工程，2019，40（16）：145-150.3盘湘龙，黄悦欣.基于无意识设计理念的老年人提醒药盒设计J.包装工程，2020，41（12）：247-252.4李和森，柳冠中，倪威.中老年人短程超市购物车创新设计J.包装工程，2020，41（04）：110-115.5杨爱慧，洪振东，崔以林.新型老年指甲刀主客观试验分析与可用性评估J.装饰，2022（05）：119-123.6赵芳华，孙惠东，关玉明.基于JACK虚拟仿真分析的介助老人护理床人机工程学设计J.包装工程，2020，41（24）：30-39.7魏恺祺，伏嘉裕，宗威.老年人轻便手动轮椅人机仿真分析及优化设计研究J.机电产品开发与创新，2021，34（02）：51-54.8钮建伟，张乐 Jack人因工程基础及应用实例M 北京：电子工业出版社，2012.9张宪荣，陈麦，张萱等.工业设计理念与方法M.北京：北京理工大学出版社，2005.10刘斐.现代城市老年人出行产品系统适应性设计研究J.华东师范大学学报（自然科学版），2015（06）：160-169.11张睿明，柳忠起，周前祥，谌玉红，李晨明.人体上肢关节活动范围的舒适性评价J.中国安全科学学报，2018，28（08）：75-80.DOI：10.16265/ki.issn1003-3033.2018.08.013.12Hlvkov Jana et al.Evaluation of Lumbar Spine Load by Computational Method in Order to Acknowledge Low-back Disorders as Occupational Diseases.J.Central European journal of public health，2016，24（1）：58-67.13胡文刚，关惠元.基于生物力学的老年人坐立转换模型J.林业工程学报，2020，5（06）：174-178.14潘梦婷，黄黎清.基于老年人出行特征的助行产品设计策略J.设计，2022，35（19）：129-131.15陈利君.基于UCD与TRIZ理论的老人购物车设计J.设计，2021，34（10）120-123.16侯利敏，虞慧岚，宋明亮.面向低龄老人的拖挂式房车无障碍设计研究J.设计，2021，34（4）140-142.图9 购物车方案搬运存储：在购物过程中,老年人挑选的次数多,在商场中挑选高度不定的商品,老年人需要多次弯腰,从购物事理角度分析,老人的购物场景主要在超市或者地摊,购买商品种类多为日常产品,主要包括：食材、水果、粮油和日常用品等。而在调研中发现由于粮油这类产品的大重量,多摆放在货架下层区域,单件重量在5kg-15kg之间,食材、水果和日用品等多放置于中层区域,购买重量不超过5kg;在购物和回家取放物品时,老年人需要提取、放下大重量物品时,老年人会感到动作困难,腰背部疼痛,两种行为均对老年人健康安全存在极大隐患。在出行准备中,老人多自带购物袋,需要携带存放钥匙、零钱等小型物品。停驻休息：老年人在整个购物旅程中,老人购物频率和时间较为固定,在购物中存在一定社交行为,因此人际交往较年轻人更为频繁,经常停驻与他人进行交流;老年人更容易疲惫停留,需要短暂休息,将购物车放置或者保持不动。需要设计稳定快速的停驻结构强化购物车稳定性,提高老人对产品的控制性和安全感。（二）设计策略在上部分的设计方向的分析中中可以得出当前购物车存在的问题在于对于老人产品人机功能问题的研究不足,其中购物车因购物篮高度问题存在过度弯腰拿取动作,对老人健康伤害最大,属于基本人机功能需求的缺失。老人购物车的设计应以人机功能为基础,防止产品使用对老人造成损害,提高老人购物体验的舒适性。基于特殊人群仿真模拟设计研究与实验结果,从购物车移动、搬运储存及辅助优化功能出发得出以下设计策略。1.移动功能购物车尺寸：关乎老人购物旅程中使用时间最长的移动功能的体验。不同身高老年人对于购物车车把手高度要求不同,因此对于老人购物车的设计应当需要考虑不同身高老人对于购物车车把手高度的要求,可通过实验数据设计不同梯度,使老人依据身高调节把手高度。车身长度应根据老年人身高不同进行对应调节（身高车身长度cm：140-15081.7,150-160-87.6,160-17091.2,170-18096.9）,车身宽度应小于60cm。2.搬运、储存功能弯腰是最容易对老人身体造成危害的动作,主要在搬运、提举行为中使用,与购物篮的设计相关。老人购买商品以生活物资为主,商品摆放位置垂直方向按重量分层明显,因此可以考虑设计购物篮分层结构,下层结构放置大重量物品,将提举动作变为短距离平移动作,上层结构放置轻重量物品,减少其他物品的提举高度,提高老人搬运舒适度。上层购物篮的高度根据仿真人机分析结果高度不低于40cm,上边缘不高于85cm为佳。老年人在出行准备场景中,会自带购物袋、钥匙和零钱等小型物品,可针对这个特点为老年人设计专用的小型储存空间,防止老人遗忘。3.停驻休息功能停驻休息功能是为了满足老年人购物过程中的潜在需求,主要包括购物车停驻功能与休息功能。老年人使用购物车过程中停驻场景更多,对于购物车更加要求稳定性,因此在设计中座椅和停放功能均需要考虑到购物车的稳定性,可通过强化座椅支撑结构和购物车停放时的支撑结构提供稳定性,满足老人心理和生理稳定性的需求。休息功能主要体现在购物车为老人提高休息恢复体验,保证老人坐立转换动作完成的前提下提升老人舒适度,最低为45cm。（三）设计方案经过研究分析,结合仿真实验结果最终得出方案如图9所示,选用三角轮设计可以适用更多地形;车身高度设计购物篮底部高度40cm,上缘高度70cm,满足人机分析结果舒适高度;在购物车背部添加小型物品储存空间,为老人出行准备提供便利;平底塑胶支撑防滑,提高购物车稳定性;购物车通过三步形成座椅,如图9,椅腿15cm,座椅高度为45cm,提供椅背支撑,满足老年人使用。从仿真实验与产品草模实验评价结果看,改进后的购物车有效提高了老年人购物旅程中的舒适性与安全性,改善了老年人的购物体验。结论本文结合设计事理学与人因工程设计方法,提出针对特殊人群的仿真模拟设计研究方法,使设计方案具有创新性的同时更适宜老年人的使用,为设计老年人产品提供了新的思路。但仿真模拟实验中,产品的人机尺寸需要严谨数字人体模型数据支持,老年人因地域、身体机能退化等原因,生理数据差距较大,详细数据的缺失使得产品设计具有局限性,后续将结合更科学权威数据标准进行研究,针对老年人购物车的安全性与舒适性提出更准确的设计建议。黄鸿波等：基于JACK仿真分析的老年人购物车设计研究