基于系统论的老年人如厕助力产品创新设计研究
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作者:边佳思 胡文杰 韩志伟
摘要：本文通过系统论方法，结合老年人产品的相关文献、市场现有调查，分析老年人在如厕过程中整个系统各因素之间相互的联系，进行有机整合，提出适合的创新设计方案。该老年人如厕助力装置创新设计不仅提升了老人使用的舒适度及安全性，且装置为纯机械手动结构、装卸简单，更具经济性和普适性，契台了当前中国家庭对老年人如厕助力装置的需求点。
关键词：系统论;老年人;如厕助力产品;创新设计
中图分类号：TB472 文献标识码：A
文章编码：1672-7053（2020）04-0076-03
我国老龄化进程加快，老年人口的比例持续增大，预计到2050年将达到38.6%[1]。在此背景下，養老问题应得到足够关注。卫生间是老人经常发生事故的地点，如厕又是老人在卫生间进行的一项主要活动。围绕该活动，针对性地设计出符合我国家庭生活需求的老年人如厕辅助产品，能有效提升老人在生活中的幸福感，使其充分感受到全社会对老人群体的关怀与关注。
1 系统论概述
系统一词源于古希腊语，意思是由部分组成整体。系统论最初的定义是相互联系相互作用的诸元素的综合体，但由于它涉及较多领域，后面对其定义也各有不同，所以出现了一般系统论来总的概述系统的共性，其定义为：由若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体[2]。它包括了系统、要素、结构、功能这四种概念，以及由这四种概念组成的要素与要素、要素与系统、系统与环境三种关系，主要用于研究系统的一般模式、结构和规律。系统论的基本原理主要是整体性原理、相关性原理、层次性原理、目的性原理，其主要思路是把研究对象当作一个系统，并对系统中的系统、要素、结构与功能之间的关系进行分析，以此来实现系统整体的优化。
2 老年人如厕助力产品的现状
在老龄化程度较高的美国和日本，老年人专用的卫浴产品已普及化，而我国由于传统观念、政策法规、市场导向等因素，针对老年人卫浴产品市场的发展停滞不前，存在着较大空缺。针对如厕助力的产品，多数都是对马桶进行再设计，结合助力系统与数字信号传输技术以达到辅助老人起身与坐下的效果，但这种结构复杂、价格高昂的马桶与老年人的养老理念相矛盾，而脱离马桶进行设计的如厕助力装置却相对占少数[3]。
在老年人如厕助力装置这方面的产品，市面上主要分为两大类，一类需要动力源作为支撑，另一类无需动力源作为支撑。第一种如厕助力器主要通过电机推动气缸的方式将如厕后的老人从垫圈上缓缓抬起，如图1所示。其优点是完全由电机提供动力，对于坐下及起身老人无需自行发力，运行稳定;而缺点是售价高、需要在浴室潮湿外接电源、容易造成损坏、不可中途停止、垫圈结构的固定影响其他人正常使用马桶等。第二种如厕助力器主要是一种支架结构，老人如厕后需要自身发力并依靠支架的支撑起身，其形式主要有扶手和助力支架，如图2所示。其优点是售价低、结构简单、移动方便，不妨碍其他人正常使用马桶;缺点是老人完成坐下及起身行动需要自身发力，对膝盖并没有起到保护作用。
对于居家养老的老年人来说，他们需要的应该是一款安全、稳定、操作简单且价格适中具有普适性的如厕助力装置来解决他们在如厕过程中坐下与起身困难的问题。
3 基于系统论的老年人如厕助力产品设计的意义
由前文的市场现状可知，市面上关于老年人如厕助力方面的产品，主要存在形式为价格昂贵的液压式助起设备与价格低廉但安全性与稳定性较低的辅助支架。这些产品中的大多数在设计时都只是片面地关注功能的实现、理想状态下的使用体验等，对于产品的使用环境、用户的心理需求、操作的合理性、容错机制等方面完全没有考虑。所以这类产品放在实际生活中使用会出现很多这样那样的问题，市场反馈并不好。只有将老人如厕这一活动置于一个系统中，从系统论的角度分析，将设计部分联系有序集合，各部分功能相互有机整合，构成完成特定目标的产品，根据老年人的生理及心理特性，以设计出更为符合我国家庭需求的老年人如厕助力装置，对改善老年人的如厕问题具有一定的意义。
4 老年人如厕助力产品的系统问题分析
“人——机——环境”系统中产品的开发，在开发产品的时候除考虑产品本身的因素以外应考虑更多的环境的因素、人的因素[4]。这三个因素之间是相互作用、相互依存的。在此理论基础上，提取了老人在使用如厕助力装置过程中与本设计相关的4个因素以及相互之间的3组关系，如图3。通过分析各关系中的问题，提出相应的设计点，解决相应的问题，协调好系统中的各个关系。协调“人——产品——环境”的关系是产品设计的核心问题[5]。通过各个设计点，逐步推导出整个设计的全貌。
4.1“卫生间——助力器”关系
卫生间是如厕助力装置的使用环境。卫生间的空间尺寸、环境布局、地面平整程度等都是影响助力装置设计的重要因素。在这一关系中最主要的问题是助力装置的尺寸与卫生间空间的矛盾，所以装置具有良好的人机体验以及安全稳定的同时，装置整体不宜过大，否则会挤占卫生间过多的空间。装置的安装也应尽量避免需要破坏墙体等操作。卫生间环境湿滑，若助力器设计为电力驱动的话，使用危险系数比较高，且卫生间环境对电源的供应有限制因素。基于卫生间环境的特点，选择何种动力源用于助力是本方案设计的重点。
4.2“助力器——马桶”关系
如厕助力装置属于对应马桶这一器械的辅助使用装置。助力装置的设计不能影响其他不需要助力的家庭成员使用马桶的体验。根据整体性原则，装置尺寸应适用于我国家庭中绝大多数的马桶，满足安装后安全稳定，具有良好的匹配关系。
4.3“助力器——老人”关系
老年人是如厕助力装置的使用者，而且是整个“人——机——环境”系统的核心。老年人因为年龄增长，各生理机能发生衰退[6]。主要体现在：灵敏度下降、肌肉强度以及控制能力减弱等。老年人的心理特征随着生理机能的衰退也发生了变化，主要体现在：心理安全感下降、自理与自助心更强等。老人使用助力装置时生理和心理两层面的感受，是评估老年人如厕助力装置的一个重要指标。 在针对老年人辅助产品的研究上，也应愈发注意老年人的心理及情感，增强产品的易用性，降低产品的操作复杂度，产品设计的功能与服务应等位，增强人性化体验与参与感，避免使老人产生畏难心理[7]。从老年用户角度出发，半自动的辅助设备更能增强老年用户的参与体验感，根据以上特征进行设计考虑，应当增强助力装置的可操控性，做到装置即按即停，使装置及时适应老人的使用状态。产品交互和谐促进其使用自信。扶手的添加也能很好地缓解使用时的不安全感，并以此保护老人。综合考虑，将即按即停的功能结合到扶手上，可增强使用过程中动作的连贯性以及使用过程中的行为规范，减少误操作的产生。
5 基于系统论的老年人如厕助力产品创新设计实践
系统论分析为产品提供了系统设计的对象核心，以助力器设计的整体综合性作为出发点，着重考虑整体与部分之间的相互关联和相互作用，综合人机分析设计拟解决的关键问题。助力器設计实践分为三个方面：功能设计、人机尺寸设计和造型设计。
5.1功能设计
设计对象的各层子系统都有对应的功能和目标，助力设备由多个子功能组成，系统性设计着眼于总体的最高目的，而实现辅助用户起身坐下为产品的最终目的功能，它的实现需要通过其他子功能的存在来实现，为实现其不同功能所需的目的功能与手段功能关系如图4表示。
将设计对象局部细分，明确表现出如厕助力设备的结构功能，从功能定义出发[6]，明确设计思路，利用5W2H提问法自检完成设计过程。产品功能定义见表1。对各部分功能定义进行局部设计。
5.1.1升降机构
实现升降可通过制动电机和升降杆、曲柄摇杆机构或齿轮轮系机构来完成。为保证良好的升降动作和功用及可控的上升角度，综合产品的一般价值，选择用齿轮和导轨的啮合来解决马桶坐垫的上升与下降问题。内齿轮半径不变，通过调整主动轮的大小与杆长度，使坐垫中点处上升至适宜的高度及倾斜角度。设置了三个齿轮构成传动轮系，三个齿轮的作用分别是：齿轮1与杠杆构成主动件，齿轮23传递动力，使结构更加紧凑，如图5。
5.1.2储能机构
此装置的输出力，即坐垫上抬支撑力需要足够大，将用户支撑升起，需要储能机构作用放大而省力。利用弹簧储能，当用户坐下时，重力所做的功被储存下来转换为老人起身时将其抬起的部分能量，使老人省力。老人坐下时，坐垫下降带动齿轮及压杆对弹簧进行拉伸，既可以对坐下的动作进行减速缓冲，也能够将能量储存下来。当用户准备起身时，弹簧又能够回弹，释放能量，加之用户本身对扶手施加的支撑输入力做功完成起身动作。
5.1.3安全开关
为使装置达到随按随停的安全保护效果，在用户支撑把手处增加了棘爪机构的开关，只有当用户下压把手及把手处的开关时，开关控制压杆带动卡扣，使扶手解锁，扶手得以下压，弹簧得以回弹。此过程中，当用户松开开关时，卡扣卡入齿条，装置锁住，导轨和扶手固定，实现了用户可以在任意位置停止和起身的操作。避免了因升降速度不适宜老人的膝盖的弯曲速率导致用户失稳情况的发生。开关装置图如图6。
5.1.4总体布置
将上述各部分功能要素进行有机整合，构成整体系统。此产品使用过程如下：用户起身时按下按钮，下压扶手，卡锁棘条机构解锁，带动齿轮轮系旋转，此过程弹簧回弹，使用户支撑力减小，坐垫得以平稳抬起用户;用户坐下时，按下按钮，此过程弹簧拉伸对用户动作进行缓冲，机构图如图7。
5.2人机尺寸设计
考虑人与产品之间的关系因素，通过人体工学数据对装置设计进行因数调整，在保证产品结构功能的同时更满足了老年人对于更好体验的需求，使产品更富有人性化。从以身高为基准的设备和用具尺寸推算删，选取9号数据，结合身高和设备用具尺寸，进行数据修正，所取设备高度为420mm。产品尺寸坐垫高度符合市场马桶高度，能良好契合，具体尺寸如图8。老年人的手部力量下降，约为中等体力青年男女工作者工作时手臂力量的16%～40%在老人向下支撑过程，手臂为自然下垂状态，需血量和供血量相等，支撑力不考虑静态施力对人体最大肌力的影响。根据支撑力进行坐垫上升最适宜角度的计算与分析：若弹簧处于杆末端，弹力范围为60N～110N，把手下压高度h=210mm，杠杆下压角度63°，方便老人坐下的弹力范围60N～100N;若弹簧位于杆距离圆心1/5处，弹力范围为300N～500N，下降高度42mm，低位F弹1=300N，高位F弹2=500N，工作伸长量f=42mm。经运动分析，坐垫上升角度18°，坐垫上升高度108mm，角度尺寸如图9。
5.3外观设计
根据相互联系性原则设计产品外观，设计时综合考虑产品与环境结合时的整体效果以及用户的视觉感受。产品箱体为方形立式，边角形态圆润，防止磕碰。造型简单大方，形态表现风格稳定，颜色以洁净白色为主，饰以蓝色按钮，配色和谐不突兀，凸显安全洁净，给老人积极的心理暗示。箱体材质为综合性能良好的热塑性塑料ABS，有强度高、轻便、表面光滑、易清洁处理等优点。产品内部棘条、齿条、杆件、开关控制件采用减摩耐磨性好的POM聚甲醛材料。产品辅助马桶使用效果图如图10。
6 结论
基于系统论设计的原则，设计出针对中国家庭的老年人如厕助力创新产品。结合相关文献以及市场现状调研，通过对老年人如厕过程中各因素之间的关系进行分析，研究其各构成单元的技术效应和相互制约条件，调试其功能间的关系，从而增强完成装置产品布置的整体性。发现问题并提出设计点，以此引导设计的形成。新的设计方案优化了老年人的用户体验，安全保护措施，还充分考虑到了产品对于环境的适应性。此助力产品后续工作将继续对结构、维护、使用过程做进一步优化，以真正符合国内普通家庭对于经济实用的老年人如厕助力产品的需求。
本文系长江大学2019年大学生创新创业训练计划项目基金资助（项目编号：2019148）。
参考文献
[1]李唐宁，杨烨.人社部年内完成延迟退休方案——专家建议引入弹性机制[N].经济参考报，2015-3-11.
[2]李佳晓.基于系统论的工业设计原则探析[J].工业设计， 2019（03）：98-99.
[3]张抱一，胡玲玲.老年人家庭卫浴产品通用设计方法[J].厦门理工学院学报.2015-8-30.
[4]孙虎，周洁，雷颜瑞.基于人机环境系统的喷流式挖藕机改良设计[J].包装工程，2019，40（22）：130-135.
[5]孔苓燕，谢庆森.浅谈系统设计在产品设计中的应用[J].设计，2013（06）：184-185.
[6]郑林欣，张帅.基于老年人生理衰退的产品设计[J].包装工程，2007（10）：188-189.
[7]罗京艳.面向老年用户的家居类福祉产品设计研究[J].包装工程，2014，35（10）：42-45.
[8]简召全.工业设计方法学[M].北京：北京理工大学出版社，2011，1：58.
[9]石英.人因工程学[M].北京：清华大学出版社， 2011：35.
作者简介
边佳思/1999年生/女/湖北武汉人/本科/研究方向为工业设计（湖北剂州434000）
韩志伟/1999年生/男/湖北荆州人/本科/研究方向为工业设计（湖北荆州434000）
胡文杰/1999年生/男/湖北武汉人/本科/研究方向为工业设计（湖北荆州434000）
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