马桶座圈的造型与舒适性设计研究

李远利，涂细凯，向萌，李肖

（1.湖北工业大学，武汉 430068；2.湖北美术学院，武汉 430205）

人口老龄化是我国当前一个严峻的问题，据老年人特点，如厕时需较长的时间，臀大肌骨突出部位的肌肉易受阻碍、压迫、血液不通，从而导致脑缺氧和发生危险事故，长期如此还会引发痔疮等疾病，甚至会出现瘫痪等情况[1]。目前，各行各业对老年人如厕的产品越来越重视，马桶的智能化设计[2-3]已有了较多的研究，当产品的功能性和易用性相同时，外观更好看的产品更加能够赢得用户的青睐，美观的设计带给用户积极的态度，让用户会觉得心情舒畅、愉悦，同时会让用户对品牌更加忠诚，使得在市场上更有优势。而同时马桶座圈作为整体马桶的重要组成部分，它直接与人体皮肤接触，是影响人体使用舒适性的关键部件，也直接影响马桶的整体性能。目前，不管是智能马桶还是其他直接与人体皮肤接触的产品，都在追求用户体验的舒适度，原因在于用户默认了产品的功能，开始寻找功能以外的体验，而舒适性能够给人带来放松、快乐的体验，更能刺激感官，唤起积极情绪。因此，马桶座圈应在满足可用性的基础上尽量提升用户体验。综上所述，美观且体验舒适的马桶座圈将是未来的设计趋势。

目前关于马桶座圈造型设计和舒适性的相关研究如下，李斌等人[4]基于人因工程学原理对马桶座圈的造型进行调整，该方法提升了产品的美观性；Mcclelland IL 等人[5]、Park S 等人[6]基于主观问卷对马桶座圈的舒适性进行评估；Ino S 等人[7]、Wang Z等人[8]基于压力测量和主观问卷相结合对马桶座圈的舒适性进行评估；Yokoyama S 等人[9]基于感性工学原理设计和压力测量来研究马桶座圈的舒适性。由上述对马桶座圈的研究可知有三个侧重点：（1）造型设计美观性的研究；（2）压力舒适性的研究；（3）将造型设计与压力舒适性相结合的研究。前两者将美观性与舒适性分开，后者将美观性与舒适性结合，但没有采用方法验证造型的美观性。由于社会的发展及进步，用户对产品的要求越来越高，以上的研究方法会使产品存在缺陷，从而影响产品竞争力。本文以马桶座圈为研究对象，创新性地运用感性工学原理设计马桶座圈，挑选出美观的设计方案，并结合有限元分析的方法，对人体与马桶座圈之间的接触压力进行分析，然后通过层次分析法获得最优设计方案，并对其开展实验验证，目的是设计出一款造型美观且体验舒适的马桶座圈，并探索造型设计与有限元分析相融合的综合设计方法，为相关的智能如厕产品设计研究提供有效建议。

1 马桶座圈造型设计与评估

1.1 感性工学需求分析

情感词汇是基于用户对产品特征主观认知的表达，在进行情感词汇分析前，先对马桶座圈的造型进行调研，以更好地满足用户需求。根据调研分析总结，其形态普遍为V 形、U 形、O 形等。随后通过用户访谈、互联网及文献综述法收集与马桶座圈相关的词汇，采用专家法挑选了108 个词汇，通过KJ 法将词汇分类，剔除含义相近、没有相关的词汇，筛选后得到20 个词汇。而这20 个词汇的重要性未能直观地体现出来，因此使用李克特量表法来筛选相对重要的词汇。采用5 个等级进行评价，5 个等级的分值对应依次为“1、2、3、4 和5”，以“非常不重要—非常重要”为例，其中非常不重要为1，不重要为2，不一定为3，重要为4，非常重要为5。邀请用户对20 个词汇进行重要程度打分。有效问卷共有40 人填写，年龄均分布在50～60 岁，最终选取均值最高的8 个词汇，马桶座圈情感词汇分值见图1。

图1 马桶座圈情感词汇分值Fig.1 Emotional vocabulary score of toilet seat

得到马桶座圈的情感词汇后，为了将情感词汇进一步具体化，通过设计小组深度访谈及使用设计美学原则对其进行定义，归纳出满足用户感性需求的设计要素，马桶座圈情感词汇及对应的设计要素见表1。

表1 马桶座圈情感词汇及对应的设计要素Tab.1 Emotional vocabulary of toilet seat and corresponding design elements

1.2 马桶座圈的造型方案设计

进一步设计研究是为了更加满足用户的需求和更加人性化[10]。在进行方案设计时，将8 个情感词汇的设计要素进一步加强，具体为：（1）老年人如厕时间较久，加宽座圈表面设计，可增加与人体臀部的接触面积并减少压力，前额区域整体稍微往上突出，与之相邻的区域稍微往下降低，此造型与用户坐姿保持一致性，贴合大腿肌肉，可提高使用的舒适性；（2）老年人心理缺乏安全感，尖锐的形态会存在危害；采用小弧面设计，边缘倒角圆滑，简洁大方，赋予人们亲和力，可提高用户安全性和美感；（3）老年人腰部力量少，自身不易站立，需借助外在辅助；座圈的表面设计向上倾斜至10°，此角度可提高从坐到站立的舒适性和方便性[7]。

造型设计方案1、2 和3 以O 形为基本形，方案6、7 和8 以方形为基本形，在此造型基础上进行演变，丰富了造型的多样化；方案4、5 的内圈中间区域增加接触面积，能保持坐姿的平衡，可减少压迫和避免老年人血液流通不畅等。马桶圈的形状设计见图2。

图2 马桶圈的形状设计Fig.2 Shape design of toilet seats

1.3 马桶座圈造型设计的美观性评估

其中：i表示第i个受试者，i= 1～132；j表示第j个方案，j=1～8，那么第i个受试者对方案j的（丑陋的—美观的）整体综合特征评价后获得的分数标记为。含有粗大误差值的数据会干扰对问卷调查结果的分析，甚至歪曲结果。为了保证可靠性，需去除有误差值。根据拉依达准则可知，若，则可疑值含有粗大误差，应舍弃。其中，第j个方案关于（丑陋的—美观的）感性意向的均值和标准差的公式分别用（2）和（3）表示：

去除粗大误差值后对数据进行整理，再计算每个方案的感性意象均值。平均值代表每种方案的美观评分水平，标准差代表数据集的离散程度。马桶座圈方案感性意向评估数值见图3。通过SPSS 计算，据图3 可知，8 个方案的得分标准差范围在1.30～1.63，该值相对较小，说明均值的离散程度较低，表明了结果高度可靠；方案1、2、3 和5 的均值都是正数，说明了这4 个方案的感性意象评估是倾向于“美观的”；方案4、6、7 和8 的平均值都是负数，说明了这4 个方案的感性意向评估是倾向于“丑陋的”。其中，方案3 的均值最高，为1.35，随后是方案1、5 和2，分别为0.86、0.25 和0.08，排在最后的是方案7、8，分别是−0.93 和−0.98。基于7 点标度语义差异法对马桶座圈方案进行美观性感性意向评估，最终得出方案1、2、3 和5 的造型是倾向于美观的。

图3 马桶座圈方案感性意向评估数值Fig.3 Perceptual evaluation value of toilet seat designs

2 马桶座圈的有限元分析

2.1 人体模型的建立

由于准确的姿势是压力分布模拟的关键因素，本研究模拟的仅是人体髋肌后群、大腿肌后群与马桶座圈的接触，因此在建模时将人体模型简化。人体是由多个不同的体系组成的,不同的身体部分之间有着明显的生理边界，是一个非线性体[12]。为了保证仿真结果的真实性，故将人体各部位系统进行合理地划分，人体模型主要划分为16 个生理环节和16 个自由度，是一个没有阻尼线性集中参数的生物力学三维模型[13]。DAZ Studio 软件内有人体数据库，在人体生物力学模型建模中，利用DAZ Studio 软件获取人体数据和人体表面尺寸，基于人体运动学的坐姿姿态进行调整，此模型的尺寸和真实人体尺寸的准确性是较高的[14]，并利用该尺寸数据重构了人体三维实体模型。

2.2 马桶座圈的有限元分析设置

为了验证马桶座圈方案的安全性与舒适性，本研究采用有限元法对造型倾向于美观的造型方案设计进行静力学仿真分析。将马桶座圈模型与人体模型装配后采用Workbench 进行静力学分析。首先创建人体与马桶座圈的材料模型，人体模型材料性能参数[13]见表2，塑料（ABS）材料性能参数见表3。

表2 人体模型材料性能参数Tab.2 Material performance parameters of human body model

表3 塑料（ABS）材料性能参数Tab.3 Material performance parameters of plastics (ABS)

人体模型有限元分析设置见图4。由于人体的髋肌后群、大腿肌后群坐在马桶座圈上时会产生相对应的摩擦，因此将人体的髋肌后群、大腿肌后群部分与马桶座圈的接触类型设置为摩擦接触，摩擦系数取0.3；再根据实际工况对模型施加约束，仅施加重力加速度载荷，有限元分析设置见图4a。影响仿真精度和稳定性的重要因素是有限元模型的网格质量[15]，因此在进行网格划分时，人体单元网格大小为15 mm，马桶圈单元网格为10 mm，髋肌后群、大腿肌后群与马桶座圈的接触部分进一步加密划分，采用5 mm 单元网格，最后整体模型的网格质量类型良好，有限元分析网格划分见图4b。

图4 人体模型有限元分析设置Fig.4 Setting of finite element analysis of human body model

2.3 有限元分析结果

马桶座圈应力见图5，马桶座圈压力见图6。其中，马桶座圈的最大应力、接触压力出现在人体髋肌后群的臀大肌骨突出部位，最小应力、压力出现在大腿肌后群的肱二头肌长头处及半腱肌处，接触面积分布趋势从最大应力、压力处开始逐渐向周边减小。

图5 马桶座圈应力Fig.5 Stress of toilet seat

图6 马桶座圈压力Fig.6 Pressure of toilet seat

压力分布广泛用于产品的舒适性，舒适性与生物力学、肌肉疲劳因素有关，合理的压力分布让人感到舒适，因此可知肌肉疲劳性与压力大小的分布有关。压力数值越大，表示人体肌肉受到的压迫感越大，会加重人体肌肉的疲劳感，在一定程度上降低了马桶座圈对人体的舒适性。马桶座圈的有限元分析结果见图7，可直观知道马桶座圈的平均压力值大小，在四个方案中，方案5 的平均压力值是最小，为25.63 KPa，说明了方案5 的压力舒适性更高。

皮亚杰认为在认知结构的发展中客观经验是一个基本的因素，正是因为儿童拥有了客观经验，他们的认知结构才能在客观经验的基础上得到进一步的发展，操作经验也能随之丰富，好奇心能更加合理的出现。但是由于儿童的认知发展处于初级阶段，他们必须到具体的生活情境中积累知识经验。知识经验是从作用于对象的操作中获得的而不是从对象本身获得的，所以必须结合具体事例才能学习掌握。②

图7 马桶座圈的有限元分析结果Fig.7 Finite element analysis results of toilet seats

3 综合评估与实验验证

3.1 综合评估

为了更全面地对四个方案进行综合评估，在基于美观性评估和有限元分析的基础上采用层次分析法计算每个方案的综合权重。

1）建立层次结构模型。目标层A为马桶座圈舒适性综合评估，准则层B为美观性和压力性能，方案层C为4 种方案，舒适性评价指标层次结构模型见图8。

图8 舒适性评价指标层次结构模型Fig.8 Hierarchical structure model of comfort evaluation index

基于美观性评估与有限元分析的分值，根据判断矩阵标度对每个因素进行判断和比较，以构造判断矩阵。

判断矩阵A—B，见表4，代表相对于舒适性综合评价，准则层相对重要性的比较。

表4 判断矩阵A—BTab.4 Judgment matrix A-B

判断矩阵B1—C，见表5，代表相对于美观性准则，各个方案相对重要性的比较。

表5 判断矩阵B1—CTab. 5 Judgment matrix B1-C

判断矩阵B2—C，见表6，代表相对于压力性准则，各个方案相对重要性的比较。

表6 判断矩阵B2—CTab. 6 Judgment matrix B2-C

2）一致性检验。综合实际应用的状况，以上判断矩阵结果不能保证完全具有一致性，需运用一致性检验来判断结果是否合理。公式为：

式中：λmax为判断矩阵的最大特征值，n为判断矩阵的阶数。

判断矩阵的一致性取决于CI的数值，当它越接近0，其满意度越高。衡量CI的大小，需将CI与RI进行比较，如公式(5)所示，当CR＜ 0.1，则表示该判断矩阵满足一致性检验；否则，表示该判断矩阵不符合一致性检验，需对其重新修改。随机一致性指标RI标准值见表7。

表7 随机一致性指标RI 标准值Tab. 7 Standard values of random consistency index RI

3）层次总排序。各方案层次总排序见图9。

最终结果显示如图9，方案5 是最优的方案设计，其美观性评估和有限元分析的数值分别为0.25 KPa和25.63 KPa，综合数值为0.5。该方案整体上线条感与造型更加具有创新性，简洁大方，增加了人体的髋肌后群和大腿肌后群处的接触面积，减轻了人体肌肉的压迫和疲劳感，提升了马桶座圈的使用舒适性。

图9 各方案层次总排序Fig.9 Total ranking of each scheme level

3.2 实验验证

对最优设计方案5 进行实验验证，以验证马桶座圈造型设计和舒适性是否合理。将压力传感器放置于马桶座圈表面上与测试者髋肌后群、大腿肌后群的接触位置，开展连续三天的实验，每天对10 位年龄分布在50～60 岁的不同被测试者（均为健康人士）进行压力测试的数据采集，传感器每秒采集5 个数据，且按个体体态差异分为三组：正常体态、略微偏胖体态、略微偏瘦体态。采集数据时，被测试者保持自然的如厕坐姿，测试时间设置为6 min，在测试时不对测试者造成任何干扰。压力测试分布见图10，其中区域A为臀大肌的位置，B 为臀大肌后方肌，C 为大腿后群肌，D 为肱二头肌后跟，分别将30 名被测者（19 名女性，11 名男性）的A、B、D、C 的四个测量区域的数据进行集中收集后取平均值，压力实验测试结果见图11。

图10 压力测试分布Fig.10 Stress test distribution

图11 压力实验测试结果Fig.11 Stress test results

由以上实验数据图可以得知被测试者在进行如厕测试时，其臀部与马桶座圈接触时的最大压力分布在臀大肌骨突出部位，且最大压力为20.08 KPa，与有限元分析数值25.63 KPa 相比要小，而测试者的体型与有限元建立的人体模型存在一定差异性，但压力分布的趋势与有限元分析结果近乎一致。表明了采用有限元分析不同造型的马桶座圈所得到的接触压力是可行的，其结果也是合理的。

将最优的马桶座圈方案设计安装在现有的马桶上，最终马桶座圈效果见图12。

图12 最终马桶座圈效果Fig.12 Final rendering of the toilet seat

4 结语

本文以马桶座圈为研究对象，提出了将造型设计与有限元分析相结合的方法，此方法依据感性工学原理归纳出设计要素并设计马桶座圈，采用语义差异法获得了满足用户需求的设计，同时采用有限元法对模型进行静力学分析以获取接触压力，在此基础上，使用层次分析法对方案和压力进行综合评估得出了最优方案设计，最后进行实验测试验证了合理性，最终得出了美观且舒适的马桶座圈方案设计。且在最终的方案设计中可得知，最美观的造型方案设计，压力值不一定是最小的，而压力值最小的方案设计，造型不一定是最美观的，因此在研究马桶座圈时，需综合考虑造型美观性与压力舒适性，该方法为相关的智能如厕产品设计提供了理论指导。

由于老年人在如厕时会存在一定的安全隐患，而本文在研究马桶座圈时仅考虑了造型与使用舒适性，未考虑到安全性因素，如坐姿靠背、坐立辅助装置、辅助把手等因素对如厕安全性的影响，所以在下一步的研究中将对上述因素进行深入研究，从而更科学地辅助老年人如厕。