人机工效学在老人购物车设计中的应用研究

张 乐， 孙志学， 王小军， 胡成朵， 陈 晨

(陕西理工大学 机械工程学院， 陕西 汉中 723000)

人机工效学在老人购物车设计中的应用研究

张 乐， 孙志学， 王小军， 胡成朵， 陈 晨

(陕西理工大学 机械工程学院， 陕西 汉中 723000)

为解决老人购物车产品设计与人机交互需求不匹配的问题，基于人机工效学方法从使用环境、功能、尺寸、材料和颜色5个方面对老人购物车进行了系统的分析与设计。从用户角度出发，研究老年人与购物车以及使用环境之间的关系。功能部分主要结合TRIZ理论找出了产品存在的技术矛盾冲突，即老人购物车增加有用功能的同时会给产品结构带来损坏，运用TRIZ法矛盾冲突矩阵找出可应用于设计的发明原理，最终完成老人购物车设计改进方案。

人机工效学； TRIZ理论； 人性化设计； 购物车； 老年人

我国已进入老龄化社会，且老龄人口增长速度位于世界第一，然而在国内市场中，站在产品设计及研发的角度，专门针对老年人设计和使用的产品并不是十分丰富[1]。目前中国的产品市场中，仅老年用品一项的市场需求量就到达4000亿元人民币，而现阶段能够生产并且可以提供市场的老年用品尚不足10%，老年用品市场将成为一个具有巨大潜力的朝阳产业[2]。随着中国经济实力的快速提高，现如今人们身处前所未有的物质丰富时代，因而消费观也随之而改变，所以老年人也从过去的勤俭为家型逐步转化为自我享受型。市面上比较畅销的现有产品主要有轮椅、按摩座椅、助行器、助听器、吃药提示器以及血压检测仪等一系列产品，而老人购物车作为老年人外出购物的一种工具，已逐渐形成了自己的市场。

老人购物车在市面上比较畅销，其旨在为老年人购物提供最大便利。经网上查阅资料以及市场调研分析发现，现有老人购物车结构简单、尺寸设计不合理，功能难以满足用户需求，从而使人(老年人)、机(老人购物车)及购物环境相互之间不协调，操作控制、人机系统的设计及其布置[3]和作业系统易用性较差。本文基于人机工效学，从功能、使用环境、尺寸、材质以及色彩5个方面对老人购物车进行改良设计，提高老年人购物效率，并使其在购物时感到安全、舒适与方便。

1 老年人需求分析

Kano模型也称为狩野模型，由日本管控专家狩野纪昭(Noriaki Kano)于1984年提出[4]。如图1中，Kano模型将用户需求分为三类，分别是基本型需求、期望型需求和兴奋型需求。从图中可以看出，用户满意度随用户需求实现度的改变而改变。因此，接触用户、了解用户对产品设计至关重要。

图1 Kano模型

结合图1的Kano模型和传统老人购物车的现状分析可知，老人购物车已满足了基本需求，比如把手、车轮、购物篮等，完成购物过程就是满足了基本任务；同时，老人购物车产品在期望型需求上也已有很大的进步，例如可折叠、有导航系统的老人购物车，这些老人购物车满足了除基本功能之外的附加功能，让老人在购物过程中感到方便、舒适；现在，基本型需求和期望型需求已经不足以满足用户要求，老年人产品设计正在向兴奋需求的阶段迈进，即力求从用户角度出发，为其提供安全感与归属感[5]。为满足老年人的兴奋型需求，设计出具有更高价值的功能，使其达到理想化状态，即完成了老人购物车的人性化设计方案[6-8]。

2 老人购物车人机工效学分析

2.1 使用环境分析

老年人的身体机能随着年龄的增长而逐步下降，其全身肌肉也渐渐衰退，表现症状为骨质疏松、肌肉萎缩、全身无力等[9]，导致其在购物时，会经常感到气力不足、身体疲惫。老人购物车的适用场所一般为大型超市或商场，而此环境的特点是人多、拥挤、过道窄、无休息场所等，从而给老年人购物带来不便，甚至会给其身体造成伤害，影响购物效率。传统的超市购物车适用于普通人群，产品的尺寸以及功能设计不能满足老年人的生理需求。针对这一问题，设计一款适用于大型购物广场和超市的老人购物车，使老年人能够安全、舒适地购物，从而更加热爱生活，享受人生，体现自我价值。

2.2 功能分析

老人购物车的总功能是暂时性地储放购买的物品，而子功能的获取主要通过对其目标用户，即年龄段为60～75岁的老年人进行功能需求分析而获得。由于其身体机能的衰退，老年人期望的购物车子功能主要有：休息、助行、储存等，将其归纳整体得到子功能分别是落座功能、储存功能、支撑功能、控制功能和其他功能。如图2所示，构建老人购物车功能分解图，罗列总功能、子功能以及子子功能，找出老人购物车人性化设计的切入点。

通过图2对老人购物车进行功能分析，其主功能是储放购买物品，子功能分别有储存、落座、支撑、控制以及其它功能。老年人在购物过程中由于身体疲惫而坐下休息，就不能实现购物储存功能，即增加落座功能，会影响储存功能的实施，二者之间存在矛盾冲突，这在一定程度上也造成了老人购物率下降的问题。

图2 老人购物车功能分解图

针对功能中出现的矛盾冲突，可利用TRIZ理论寻求解决方案。TRIZ理论对研发和解决问题的思路有着明确的指导性，可以有效避免传统设计方法反反复复进行探索的过程。利用TRIZ理论分析并找出已存在的矛盾冲突，将其带入TRIZ法技术矛盾矩阵表中，找出TRIZ法提供的运用形式的解。

要使购物时储放物品的功能和落座功能两者同时实现，则需要改善的技术特性是35(适应性及多用性)，恶化的技术特性是23(物质损失)，将其带入技术矛盾矩阵表中，得到的发明原理如表1[10]所示。

表1 TRIZ法技术矛盾矩阵表

注：第15条动态化原理，第10条预加作用原理，第2条分离与分开原理，第13条反向功能原理。

其中运用动态化原理设计老人购物车：合理设计座板结构，使其随老年人的使用需求而变换状态；运用分离与分开原理进行设计：将购物篮与购物车分离开，并用挂钩将二者连接起来，从而不破坏购物车自身结构。

2.3 尺寸分析

购物车作为老人购物的重要工具，尺寸的设计至关重要。其中购物车手推位置的高度、把手,坐椅的座高、座宽、座深、座面倾角和靠背倾角以及脚踏板等主要部件的尺寸都应该根据老年人的身体尺寸来进行设计。

在《中国成年人人体尺寸国家标准》(G10000—88)中，男性上限年龄为60岁，女性上限年龄为55岁[11]。人的身体尺寸会随着年龄的增长而发生变化，所以老年人的尺寸设计要依据其实际身体特征而不能完全套用国家标准来进行。在查阅相关资料的基础上，采用表2[12]作为设计参考标准。

表2 老年人人体尺寸百分位数 (单位：mm)

注：P5为第5百分位数，代表“小”身材的人群；P50为第50百分位数，代表“中”身材的人群；P95为第95百分位数，代表“大”身材的人群。

根据以上尺寸分析，结合老年男子和老年女子的身体特征，对这款老人购物车进行尺寸设计。此购物车使用人群是老年男子和老年女子，由于老年人的身高、胖瘦都有所差异，所以要使用产品工作高度的计算公式[11]：

H=[H(W,P95)+H(M,P5)]/2,

(1)

式中W代表老年女性，M代表老年男性。

2.3.1 购物车手推位置高度

购物车手推位置的高度计算可根据表2中老年人的肘高并结合公式(1)进行计算：

H1=(1023 mm+954 mm)/2=988.5 mm，

把手的理论高度H1为988.5 mm。科学研究发现，最舒适的高度是低于人的肘部高度76 mm[11]。所以手推位置高度为：

H2=H1-76 mm=988.5 mm-76 mm=912.5 mm，

根据可调节性原则，手推位置的最合适高度为850～1100mm。可根据用户需求设置手柄高度，从而适应不同身高的人群。

2.3.2 把手

老人购物车的把手是与用户接触最为频繁的地方，所以很有必要单独讨论其设计问题。把手的直径大小取决于手的尺寸，比较适合的着力抓握直径是30～40mm。对于着力抓握，把手与手掌的接触面积越大，则压应力就越小，所以应选择圆形截面。

2.3.3 座高

经实验数据分析，使人感到最舒适安全的坐姿是大腿保持水平，小腿自然垂直，双脚平放于地面。所以座面高度要合理，过高时小腿悬空，大腿会受到椅面前缘的压迫，让用户感到不适,长时间会使使用者血液循环受阻，小腿麻木肿胀;座面亦不能太低，否则身材高大的人会骨盆后倾，正常的腰椎曲线被拉直，致使腰酸不适。以上两种情况都会降低产品的使用舒适度，长期使用，可能还会影响使用者的身体健康。

根据公式(1)计算可得：H3=(412 mm+369 mm)/2=390.5 mm，则座高合适尺寸为390 mm。

2.3.4 座宽

座椅的座宽尺寸设计依据应参考大百分位数据，使其可以容纳身材粗壮的人。查表1，男性P95坐姿臀宽尺寸为418 mm。考虑到人的心理特征，座宽最终取值为500 mm。

2.3.5 座深

查表1可知，男性和女性的坐深差异不大，可根据P50的百分位数进行尺寸确定。由表1可知，座深理论尺寸为447 mm，结合实际使用场景、人为因素分析，最终确定尺寸为450 mm。

2.3.6 座面倾角和腰靠倾角

座面后倾的作用有两点：一是由于重力，躯干后移，使背部抵靠椅背，获得支持，可以降低背肌静压;二是防止坐者从座缘滑出座面。人处于坐姿状态时，座面倾角一般在0°～5°，而使人感到舒适的角度是3°～4°。

腰靠倾角指座面与靠背的夹角，其目的与座面角度相似。从脊柱正常形态来看，该角为数值在95°～115°，一般110°较为合适。

2.3.7脚踏板

脚踏板的外形尺寸根据人的脚掌来设计，其形状一般为矩形，宽度应比脚掌宽25 mm。查表1，男性和女性的足宽差异不大，根据P50男性尺寸设计脚踏板的宽度为94 mm。此外，踏板表面应有防滑齿纹设计，提高产品使用时的安全性与舒适度。

2.4 材质分析

购物车支架的形状决定了座椅的基本形态，因而在选择支架材料时，应考虑其是否具有良好的加工、成型等工艺特性。而助行的功能使得该材料还必须具有良好的刚度和强度，能够承受一定的载荷。铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如铝锰合金、铝铜合金等，具有易加工、耐久性高、质轻、机械性能好、适用范围广等良好的物理力学性能。所以产品主体采用铝合金材质，其质轻、稳定且实用的良好性能符合产品材料设计需求。

坐垫、腰靠以及把手三者的覆盖层应使用柔软、防滑、透气性好、吸汗且无毒的不导电材料制造。所以手柄处采用天然橡胶材料，耐用防滑，降低了其对人体手部造成的伤害，使用者在使用过程中也会感到舒适，提升了人与物之间的协调性，体现了以人为本的设计理念。

轮胎选择天然橡胶材质，其防滑耐磨、承重力大、安全性能高，且具有减震、静音等功效。而轮胎内心材料则采用ABS，耐腐蚀、抗老化。

2.5 色彩分析

老年人的视觉系统会渐渐衰退，经调查，老年人更多的偏爱明亮的暖色调、柔和的米色调等温暖、淡雅的色彩系列，多方的专业人士也肯定了暖色系、亮色系及暖灰色系等色彩环境对老年人缓解心理压力有明显的帮助[13]，所以老人购物车色彩设计可遵循这一原则。

老人购物车目标用户是老年人，因此不能选用艳丽的颜色，避免使其眼睛受到过强的刺激，也不能采用多种颜色相拼接的配色方案。该产品色彩设计以简单、朴素为主要依据，同时结合购物环境的整体色调，最终达到与购物环境整体风格的统一。

3 老人购物车设计方案

3.1 具体方案设计

老人购物车设计方案能够放置老年人购买物品、为老年人提供休息座椅并辅助老年人行走。如图3所示，该购物车包括前支架和后支架，前支架的一端设有前轮，后支架的一端设有后轮，后支架的另一端与前支架连接，前支架上安装有水平放置的矩形环，矩形环上铰接有座板。座板5的尺寸和矩形环6的尺寸相同，即座板5正好可以放置在矩形环6上，老年人行走时感到身体疲惫，可坐在座板5上进行休息。矩形环和座板连接方式为铰接，所以座板5可根据用户需求改变其使用状态，从而不妨碍老年人购物。该购物车还包括挂钩7和购物篮8，购物篮8通过挂钩7挂在矩形环6上，使用时可直接取下购物篮进行购物，购物完成后可将购物篮重新挂于购物车上，为老年人购物提供方便。后轮上设有刹车装置11，可以防止购物车意外走动而造成不必要的损伤，同时可方便老年人随时控制购物车行走速度。前支架上设有横杆，横杆上设有储物盒12，可放置老年人随身携带的必需品，其位置布局方便老年人拿取物品。

(a) 侧视图 (b) 俯视图 1.前支架；2.后支架；3.后轮；4.前轮；5.座板；6.矩形环；7.挂钩；8.购物篮；9.连杆；10.手柄；11.刹车装置；12.储物盒图3 老人购物车结构图

(a) 取出购物篮 (b) 折叠功能图4 老人购物车使用过程说明图

3.2 仿真购物车模型

如图4仿真购物车结构所示，图4(a)状态是老人购物车取出购物篮使用过程说明图，挂钩将购物篮与支撑座椅的部分相连接，将座面旋转90°之后，可直接将购物篮取出，方便购物。此设计方案在增添新的功能之后，还有效利用了原本浪费的空间。图4(b)状态是产品折叠说明图。此产品的适用领域为大型商场或超市，考虑到可利用空间的问题，产品的外形设计要尽量轻巧。此设计方案增添了折叠功能，有效的减少空间浪费，同时方便运输，降低成本。

4 结 论

传统的老人购物车易用性较差，忽略了老年人生理及心理需求。本文基于人机工效学完成老人购物车的改进设计方案。

(1)运用Kano模型对老年人进行需求分析，得出老年人产品设计正在向兴奋型需求阶段迈进，即力求从用户角度出发，为其提供安全感与归属感。

(2)基于人机工效学，完成了老人购物车人性化设计分析。分别从使用环境、功能、尺寸、材料和颜色5个方面进行详细展开。其中功能部分主要结合TRIZ理论找出矛盾冲突，提供设计思路。

(3)完成老人购物车设计方案的建模渲染，得到产品效果图。

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[2] 赵昭.未来中国老年用品市场走向分析[J].市场论坛,2015(10):55-57.

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[5] 朱建春.基于老年人情感特征的家用医疗产品设计研究[J].包装工程,2016,37(20):104-108.

[6] 孙志学,韩超艳.公共设施人性化设计解析[J].机械设计,2013,30(9):126-128.

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[11] 丁玉兰.人机工程学[M].3版.北京:北京理工大学出版社,2005.

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[13] 张品,彭军.老年人和残疾人居住环境色彩的研究[J].包装工程,2003,24(1):86-89.

[责任编辑：张存凤]

Application of ergonomics to the shopping cart design for the elderly

ZHANG Le, SUN Zhi-xue, WANG Xiao-jun, HU Cheng-duo, CHEN Chen

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

To solve the mismatch problem between of design of shopping cart for elderly and human-machine interaction demand of elderly, the study makes a systematic analysis and design of shopping cart for the elderly from the use environment, function, size, material and color based on ergonomics. It has mainly studied the relationship among the elderly, the shopping cart and the use environment from the user’s point of view. The solution of function part of which is to find the technical conflict of the product combined with the TRIZ theory, namely, adding useful functions at the same time will damage structure of the product, and finding the inventive principles that can be applied to this design according to using TRIZ contradiction conflict matrix, completing the improved design of shopping cart for the elderly.

ergonomics; theory of inventive problem solving; humanization design; shopping cart; the elderly

2096-3998(2017)04-0023-06

2016-12-22

2017-04-01

陕西省高等学校创新创业教育改革试点学院资助项目(2016-27)；陕西理工大学研究生教育教学改革研究资助项目(slgyjg1604)

张乐(1991—)，女，陕西省渭南市人，陕西理工大学硕士研究生，主要研究方向为机械设计及理论；[通信作者]孙志学(1973—)，男，陕西省洋县人，陕西理工大学教授，硕士，主要研究方向为计算机辅助工业设计、产品设计。

TB472

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