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