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1、面向老年人的蒸汽拖把优化设计人因分析 李小川 刘媛华 上海理工大学管理学院 摘 要： 蒸汽拖把的发明改善了传统拖把功能单一、清洁力度差、拖地过程消耗体力较大的缺陷, 但是现有蒸汽拖把的设计更多是以年轻人为标准的。基于人因工程的理论与方法, 充分考虑我国老年人在生理、心理、生活习惯等方面的特点, 结合手推车的人机测量数据, 对既有蒸汽拖布的把手以及拖把头进行合理优化, 进一步在拖把的底部加上 2 个单向转轮, 提出了双手均衡用力的推动拖地方式。受超市手推车的启发, 拖把整体设计模仿手推车造型, 利用 Solidworks 软件建立了装置的简单三维模型。优化后的蒸汽拖把稳定性更好, 老年人使用起来
2、更加方便简洁、安全舒适, 体现了人机系统的结合, 通过对电功率以及热转化率的分析表明, 优化后的蒸汽拖把工作效率也有所提升。关键词： 人因工程; 蒸汽拖布; 优化设计; 均衡用力; 作者简介：李小川 (1993-) , 男, 河北保定人, 硕士, 主要从事工效学的学习研究.收稿日期：2017-05-09基金：国家自然科学基金资助项目 (11505114) Human Factors Analysis for the Optimization and Design of Steam Mop for the OldLI Xiao-chuan LIU Yuan-hua Business School
3、, University of Shanghai for Science and Technology; Abstract： The steam mop improves the defects of traditional steam such as single function, poor cleanness, energy-consuming, but the design of the steam mop takes more standard for young people into account, which makes inconvenience to the old. B
4、ased on the theory and method of human factors engineering and the human measurement data of the cart, taking the characteristics in physiology, psychology, habits and other aspects of the old into account, the handle of the steam mop and the mop head were optimized, and two wheels was put in the bo
5、ttom of the mop. Besides, the way of pushing the floor with both hands was put forward, which achieves equilibrium force. The result shows that the model has the advantages of convenient operation, high safety and high efficiency, and achieves the combination of the man-machine system. A simple thre
6、e-dimensional model of the device is established by Solidworks software and the result shows that the efficiency of the optimized steam mop is also improved by the analysis of the electric power and the thermal conversion rate.Keyword： human factors engineering; steam mop; optimal design; equilibriu
7、m force; Received： 2017-05-090 引言目前蒸汽拖布越来越受到大家的喜爱, 有省力、高效、功能多的特点, 较传统拖布有了很大进步。但其设计更多的是以年轻人为标准的, 这对老年人的使用可能会造成不便。如何进一步降低蒸汽拖把的使用复杂性, 提高老年人的使用舒适度成为当前需要解决的问题。人因工程 (Human Factors Engineering, HFE) 是一门致力于研究人、机器和环境间相互作用的学科, 通过对作业中人体机能、能量消耗、心理反应的研究来合理设计机器和环境, 从而达到安全、舒适、健康、高效的目的1。文中基于人因工程对我国老年人的生理、心理以及生活习惯等特
8、点进行分析, 对既有蒸汽拖把进行优化, 设计更适合老年人使用的产品, 让老年人也能够享受科技带来的便利。1 蒸汽拖把优化原则1.1 安全性原则考虑到我国的大部分老年人对高科技产品没有足够深入的了解, 老人在使用或充电时操作可能并不规范, 一旦发生突发情况, 老人的应对能力较低。产品在设计之初一定要根据我国大部分老人的特点充分考虑可能发生事故的情况, 并采取相应措施, 严格把控安全关。另外, 老人的行动能力较年轻人有所下降, 为避免老人在使用过程中出现磕碰, 拖把的外观应尽量圆润。1.2 实用性原则我国大部分老人由于特定的思想观念, 更加注重产品的实用性, 产品在设计理念上要趋于实用高效, 可相
9、对减少个性化的投入。拖把颜色以绿色和蓝色等视力保护色最佳, 绿色象征着生机活力, 有使人镇静的作用, 可以缓解老人眼睛疲劳。蓝色使人沉着冷静, 适合老人稳重的特征。应该避免使用红色, 因为红色对眼睛的刺激最严重, 易使人产生兴奋感, 眼睛很容易干涩, 加重眼睛疲劳2-3。1.3 易操作性原则老年人学习能力较年轻时有所下降, 加之受传统思维的影响, 我国大部分老年人没有信心去学会高科技产品或对此根本不感兴趣4, 所以面向老年人的蒸汽拖把要简便易操作。各种功能的按钮最好用汉字或者简图标示清楚而不宜使用英文标示。1.4 舒适性原则拖地时重复动作多, 是一个繁琐而又劳累的过程, 传统的拖地姿势总会让人
10、腰背难受, 让老人舒适地干家务是设计面向老年人使用的蒸汽拖把时必须考虑的因素。蒸汽拖把应该具有可调节性, 以适应老人不同的身高, 还可缓解腰背和手腕疲劳。2 基于人因工程的蒸汽拖把分析优化拖把是每个家庭的必备清扫工具, 目前的蒸汽拖把相对传统拖把已经有了很大改进, 尤其受到年轻人的喜爱。但是现有蒸汽拖把的设计主要以年轻人为参考标准, 对老年人使用者来说蒸汽拖把的稳定性较差, 清扫过程中双臂动作较多而且在清扫桌底等部位时仍需要较大幅度的弯腰动作。对此, 从人因工程的角度出发并根据 2 中优化原则对蒸汽拖把进行以下优化。2.1 把手优化老年人的身体机能出现退化, 研究表明 70 岁老人的握力比 2
11、0 岁时下降 30%, 某些指标根据性别的不同也会有一定的差异, 60 岁男性的脚部力量比 20 岁时下降 48%, 女性下降 56%5.由此可见老人的手部和脚部力量都有显著下降, 在设计拖把把手时要尽量增强握持感, 结合左右手均衡设计的理念6, 可以设计双手平行握持的把手。尽管采用现有蒸汽拖把可以立姿擦地, 减少弯腰动作, 但是双手用力不均, 容易产生单手酸痛的感觉。假设优化后的蒸汽拖把质量 m不变, 拖把与地面夹角均为 , 优化前优化后其中 f=f为拖布与地面的摩擦力;F 1, F2分别为优化前左右手对拖把施加的力;F1、F 2分别为优化后左右手对拖把施加的力。即在相同的擦地环境下, 采用
12、双手平行握持把手的姿势能够使左右手均衡用力, 增强人的舒适感。老年人由于骨骼的退化, 身体尺寸会发生变化, 研究表明老年人进入 65 岁以后身体尺寸趋于稳定7。目前我国关于老年人的人机工程学数据十分有限, 由于地区、民族、性别等的不同, 老年人身体尺寸有所不同, 文中主要参考的北京地区老年人部分身体尺寸数据8 (见表 1) , 旨在为面向老年人的蒸汽拖布的设计方法提供参考。表 1 老年人身体尺寸 下载原表 把手宽度根据超市购物车的人机测量数据来设计, 以上海市杨浦区某超市内的购物车为研究对象, 共有 60 名老年人志愿参与此次测量, 其中女性 37 人, 男性 23 人, 平均年龄为 66.5
13、 岁, 被测老年人均为超市购物者。测量项目包括肩宽以及老年人在最舒适推车状态下双手之间的距离, 为了占用老年人尽可能少的时间, 在测量前进行多次模拟, 确定合理的实验流程, 最终每位老人的平均占用时间为 4 min (包括向老年人说明此次实验的目的以及测量时间) , 部分测量数据见表 2, 其中测得的数据均取整。表 2 测量数据表 (部分) 下载原表 统计得到 60 名被测老人的推车双手间距与肩宽的比值均落在 0.81.2 之间, 则拖把把手宽度的初步参考范围为肩宽的 0.81.2 倍。由表 1 可知男性的肩宽比女性偏高, 为了满足 90%以上老人的需求, 以第 95 百分位的老年男性肩宽 4
14、09 mm 的 1.2 倍为把宽可调节上限, 以第 5 百分位的老年女性肩宽 284 mm 的 0.8倍为把宽调节下限。综上所述, 把手宽度范围 227490 mm, 老人可在该范围内通过调节把宽来改变双手握持距离。2.2 拖把头优化目前的拖把头主要存在造型单一、拖地范围有限、难以清洗等问题9-11。由于衰老的开始, 老年人骨质发生变化, 骨的密度以及弹力和张力都有所下降。老年人的关节软骨也发生变化, 造成身体柔韧性减小, 活动能力减弱。在实际生活中拖地时经常遇到桌子等障碍物, 这时需要弯腰才能拖洗地面, 大幅度的弯腰可能会造成老人腰肌劳损12。为此可以根据家庭中常见的各种场景来设计不同型号的
15、拖把头, 使用时只需简单更换。2.3 拖把转轮考虑到老年人的体力和行动能力有所下降, 可在拖把底部设置 2 个轮子, 增加了推动拖地的流畅性, 在不进行拖地作业时, 老人可以拉动拖把移动。拖杆可绕轮轴旋转, 老人可根据自身情况来调整拖杆与地面夹角 .有些老人由于血压升高、心脏供血不足, 会时常产生轻微的晕眩感, 2 个轮子与拖把头的重心 w形成三角形, 增加了拖把的动态稳定性13。转轮不宜采用万向轮, 因为拖地时往往会造成地面的湿滑, 万向轮会使拖把左右摇摆, 降低动态稳定性而增加老人不慎滑倒的危险。2.4 拖把整体造型面向老人的蒸汽拖把整体采用立式设计, 模拟手推车的造型, 如图 1 所示。
16、图 1 面向老人的蒸汽拖把 下载原图3 讨论文中应用人因工程的理论和方法, 充分考虑我国老年人在生理、心理以及生活习惯等方面的特点, 对蒸汽拖把的把手和拖把头以及拖地方式进行分析, 以安全性、实用性、易操作性和舒适性为原则并结合实际情况提出了相应的优化措施, 通过模拟实验证明了优化后的蒸汽拖把更加适合我国老年人使用。调查显示老年人做家务的频率要高于年轻人, 我国老年人大都养成了勤俭节约的习惯, 在使用电器时会较多考虑到浪费的问题。现有蒸汽拖把的耗电量较大, 热转化率较低, 以美国品牌 Shark 的一款储水量 450 mm, 加热时间为 35 s 的蒸汽拖把为例, 其功率为 1 300 w.由于文中中蒸汽拖把为轮推式, 所以可适当增加储水箱容量至 1 L, 工作时将水加热到 120, 加热时间为 1 min, 根据工作原理由下式来反推电功率其中 Q 为导热片加热到 120需要的热动率;t 为温度差, 水初始温度为 20;m为导热片单位时间 (1 s)
