基于Jack仿真系統(tǒng)的大學(xué)宿舍儲(chǔ)物設(shè)施改良研究

黎維 羅詩(shī)琦 劉少宇

摘? 要：為了改善宿舍儲(chǔ)物設(shè)施使用環(huán)境，提高大學(xué)生收納的易操作性，文章以人機(jī)工程仿真軟件Jack為工具，建立了更符合大學(xué)生身體數(shù)據(jù)的虛擬人體模型和宿舍儲(chǔ)物設(shè)施人機(jī)工程仿真模型，分析了大學(xué)生的臂展可達(dá)性、腰椎舒適性和拿取物品難易程度，辨別現(xiàn)有宿舍儲(chǔ)物設(shè)施設(shè)計(jì)中的缺陷。通過(guò)生理學(xué)、人體測(cè)量學(xué)、心理學(xué)、生物力學(xué)與設(shè)施的物理特征和結(jié)構(gòu)相結(jié)合，從板件分布、構(gòu)件添加、材質(zhì)處理等方面對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)物設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化改良設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：Jack虛擬仿真技術(shù)；儲(chǔ)物設(shè)施；改良設(shè)計(jì)；人機(jī)工程

中圖分類號(hào)：TP391.9；TS664 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2023）04-0148-05

Research on the Improvement of College Dormitory Storage Facilities Based on

Jack Simulation System

LI Wei， LUO Shiqi， LIU Shaoyu

（Sichuan Agricultural University， Chengdu? 611134， China）

Abstract： In order to improve the use environment of dormitory storage facilities and improve the operability of college students' storage， a virtual human body model and a Man-Machine Engineering simulation model of dormitory storage facilities that are more in line with college students' body data are attempted to be established by using the Man-Machine Engineering simulation software Jack. On this basis， the reach ability of college students' arms， lumbar comfort and the difficulty of taking things are analyzed， and the defects in the design of existing dormitory storage facilities are identified. Through the combination of physiology， anthropometry， psychology， biomechanics and the physical characteristics and structure of the facilities， the existing storage facilities are optimized and improved in terms of plate distribution， component addition and material treatment.

Keywords： Jack virtual simulation technology; storage facility; improved design; Man-Machine Engineering

0? 引? 言

隨著人們對(duì)儲(chǔ)物空間的要求越來(lái)越高，拿取方便又能最大程度起收納作用的儲(chǔ)物設(shè)施成為設(shè)計(jì)合理性的關(guān)鍵之一。針對(duì)某大學(xué)宿舍中設(shè)計(jì)不合理的儲(chǔ)物設(shè)施，通過(guò)調(diào)研問(wèn)卷、場(chǎng)景重現(xiàn)等方法，發(fā)現(xiàn)其不能滿足基本儲(chǔ)物需求，且日常拿取難度超過(guò)人體本身行為負(fù)荷，因此需要從人因工程學(xué)的維度對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)物設(shè)施進(jìn)行改良，以實(shí)現(xiàn)宿舍儲(chǔ)物空間的優(yōu)化利用。人因工程學(xué)是研究人和機(jī)器、環(huán)境之間互相作用，使設(shè)計(jì)的機(jī)器和環(huán)境系統(tǒng)合適人的生理、心理等特征，以達(dá)到在生產(chǎn)中提高效率、安全、健康和舒適的目的，使人機(jī)系統(tǒng)滿足人的特性并實(shí)現(xiàn)安全高效目標(biāo)的一門(mén)交叉性應(yīng)用學(xué)科[1]。其主要方法大致分類為調(diào)查法、觀測(cè)法、實(shí)驗(yàn)法、心理測(cè)量法、心理測(cè)驗(yàn)法、圖示模型法，文章主要選用觀測(cè)法和實(shí)驗(yàn)法對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估，我國(guó)的人因工程學(xué)相關(guān)研究始于20世紀(jì)50年代，比國(guó)外晚了近20年，在儲(chǔ)物設(shè)施方面，我國(guó)具有悠久的整理收納體系和文化，時(shí)至今日，仍有相當(dāng)一部分的構(gòu)件可以用于現(xiàn)代儲(chǔ)物設(shè)施中。目前比較流行的人因工程學(xué)量化方法是由德國(guó)西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的Jack人因評(píng)估工具[2]，通過(guò)使用Jack能夠分析人體作業(yè)過(guò)程中工作對(duì)人的影響，包括對(duì)量化人體的生理狀況，文中采用Jack動(dòng)態(tài)模擬和類比方法，對(duì)人體不同姿勢(shì)下拿取物品的關(guān)鍵生理部位進(jìn)行人機(jī)工程設(shè)計(jì)與輕量化設(shè)計(jì)，使儲(chǔ)物設(shè)施的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有限空間規(guī)劃更加合理，提高人體拿取及收納物品的安全性和易操作性。

1? Jack虛擬仿真技術(shù)概述

Jack軟件是人因工程的思想，集三維仿真、數(shù)字人體建模、人因工效分析為一體，通過(guò)創(chuàng)建虛擬數(shù)字人和導(dǎo)入外部三維模型，建立仿真環(huán)境并指定數(shù)字人模擬任務(wù)進(jìn)行研究分析，從而高效低成本的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出更安全，更符合人體工程學(xué)的產(chǎn)品[3]。Jack能夠根據(jù)需求選擇不同類型的人體模型，自定義人體的大小和形狀，還可以控制人體模型執(zhí)行各種運(yùn)動(dòng)指令。實(shí)際應(yīng)用中，在創(chuàng)建好的仿真環(huán)境內(nèi)，可以調(diào)整模型的大小狀態(tài)和相機(jī)視圖，靈活檢測(cè)人體模型與周?chē)h(huán)境的相適應(yīng)程度，以達(dá)到更逼真的效果，進(jìn)行準(zhǔn)確的工效學(xué)研究[4]。當(dāng)給虛擬人體指派任務(wù)時(shí)，人體的頭頸部、軀干、骨盆、手臂、大腿、腳等部位都可以調(diào)整控制，可進(jìn)行背部受力分析、靜態(tài)強(qiáng)度分析、工作姿勢(shì)分析等研究，創(chuàng)建完一個(gè)場(chǎng)景后，還可以進(jìn)行保存和回放，方便再次調(diào)整實(shí)驗(yàn)。

2? 宿舍儲(chǔ)物設(shè)施設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

隨著生活水平的提高和信息化時(shí)代的到來(lái)，高校大學(xué)生對(duì)宿舍的居住環(huán)境要求也越來(lái)越高，而家具作為大學(xué)生宿舍內(nèi)的基本構(gòu)成部分，對(duì)學(xué)生日常生活作息有著重要的影響。美好的大學(xué)生活與宿舍條件息息相關(guān)，宿舍家具體驗(yàn)的好壞，亦是決定了學(xué)生在校的生活質(zhì)量[5]。

以某高校學(xué)生宿舍為例，宿舍面積設(shè)置整體偏小，有限空間內(nèi)僅能容納基礎(chǔ)的床鋪和桌椅等家具，除此之外的剩余空間利用率較小，忽略了學(xué)生在宿舍活動(dòng)、休息、儲(chǔ)物、學(xué)習(xí)和交往的需求；同時(shí)家具的人性化設(shè)計(jì)和使用功能方面也有不足，較少考慮到獨(dú)立空間的營(yíng)造，忽略了當(dāng)代大學(xué)生的隱私和個(gè)性化要求。在此條件下，本應(yīng)承擔(dān)宿舍主要儲(chǔ)物功能的柜體設(shè)施卻無(wú)法滿足基本需求，據(jù)有限調(diào)查問(wèn)卷數(shù)據(jù)，60%以上的同學(xué)認(rèn)為儲(chǔ)物區(qū)應(yīng)該進(jìn)行改良，在日常生活中，儲(chǔ)物設(shè)施存在空間不足、高度設(shè)置不合理、分區(qū)過(guò)少導(dǎo)致有效利用率低、使用困難等問(wèn)題。基于虛擬仿真軟件Jack的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)學(xué)生宿舍的儲(chǔ)物設(shè)施進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，改善效果良好。

3? Jack虛擬仿真改良宿舍儲(chǔ)物設(shè)施的過(guò)程

3.1? 創(chuàng)建Jack虛擬仿真評(píng)估環(huán)境

通過(guò)實(shí)際測(cè)量后，使用3ds Max軟件建立宿舍儲(chǔ)物設(shè)施的三維模型，其尺寸均為實(shí)際測(cè)量所得。模型建立完成之后，將其導(dǎo)入到Jack軟件中，創(chuàng)建一個(gè)虛擬的環(huán)境進(jìn)行測(cè)驗(yàn)分析。虛擬仿真環(huán)境的建立是否符合現(xiàn)實(shí)要求是宿舍家具使用舒適性測(cè)試的前提，其次是數(shù)字人體模型的調(diào)試和宿舍儲(chǔ)物設(shè)施模型的放置，為了使研究結(jié)果更加通用化、普適性，虛擬仿真環(huán)境中的數(shù)字人模型選取CHINESE數(shù)據(jù)庫(kù)中第50百分位的人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)其進(jìn)行基本的形態(tài)檢查，如發(fā)現(xiàn)比例異常等現(xiàn)象，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確保人體模型可正常進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[6]。文章基于實(shí)驗(yàn)情況，主要操作步驟分為以下三部分，根據(jù)使用者日常行為習(xí)慣，結(jié)合宿舍儲(chǔ)物設(shè)施的實(shí)際使用情況，在建立的虛擬仿真環(huán)境中進(jìn)行人機(jī)舒適性評(píng)估，確定文章以“俯視狀態(tài)”“仰視狀態(tài)”“平視狀態(tài)”三種狀態(tài)為主要工作姿態(tài)，并選擇靜態(tài)強(qiáng)度分析、舒適度分析柱狀圖以及勞動(dòng)姿勢(shì)負(fù)荷狀態(tài)圖對(duì)改良前后的儲(chǔ)物設(shè)施進(jìn)行評(píng)估。

3.2? 分析改良前儲(chǔ)物設(shè)施舒適度

前期通過(guò)觀察使用者與儲(chǔ)物設(shè)施之間的有效行為互動(dòng)并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)記錄和動(dòng)作拆分，指定人體模型3種不同工作姿勢(shì)為主要取物動(dòng)作，而后進(jìn)入Jack，在創(chuàng)建完成的虛擬仿真環(huán)境中調(diào)整數(shù)字人的各關(guān)節(jié)部位，試圖最大限度地逐一還原工作姿勢(shì)，并分別對(duì)其取物動(dòng)作依次進(jìn)行舒適度以及靜態(tài)強(qiáng)度評(píng)估。

動(dòng)作一：拿取第三層的衣物，數(shù)字人雙臂高抬起拿取較高處收納箱衣物等，此姿勢(shì)的靜態(tài)強(qiáng)度評(píng)估，圖中各參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，但舒適度分析顯示僅肘部關(guān)節(jié)在綠色的舒適范圍內(nèi)，手臂、大腿、膝蓋等關(guān)節(jié)都僅為黃色的較舒適范圍值。動(dòng)作分析和詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖1所示。

動(dòng)作二：拿取二層疊放區(qū)物品，雙臂自然下垂肘部彎曲拿取適宜高度的疊放衣物。這個(gè)姿勢(shì)靜態(tài)強(qiáng)度分析圖顯示手腕、肘、肩膀等各關(guān)節(jié)完成百分?jǐn)?shù)都處于100%。舒適度分析數(shù)值部分處于舒適模式范圍內(nèi)，說(shuō)明該動(dòng)作舒適度良好。動(dòng)作分析和詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖2所示。

動(dòng)作三：拿取行李箱等最下層物品，頭部低垂，上半身微向下曲拿取較低處的物品。可以看到數(shù)字人雙臂和肘部部分都保持著良好的舒適度評(píng)級(jí)，其余關(guān)節(jié)舒適度較良好。靜態(tài)強(qiáng)度分析圖參數(shù)顯示臀部百分比不足100%。動(dòng)作分析和詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖3所示。

3.3? 提出宿舍儲(chǔ)物設(shè)施改良設(shè)計(jì)方案

通過(guò)上文對(duì)宿舍儲(chǔ)物設(shè)施的舒適度和靜態(tài)強(qiáng)度的評(píng)估，發(fā)現(xiàn)宿舍儲(chǔ)物柜的設(shè)計(jì)不合理處，運(yùn)用人體工程學(xué)和家具設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)其進(jìn)行改良設(shè)計(jì)。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大學(xué)生這一用戶基數(shù)龐大的使用者來(lái)說(shuō)，與家具適用性的磨合程度間接關(guān)系到大學(xué)生的生活質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，家具設(shè)計(jì)這一項(xiàng)目尤其關(guān)注實(shí)用性、美觀性、綠色化、經(jīng)濟(jì)性等原則，就儲(chǔ)物設(shè)施來(lái)說(shuō)，其共性特征應(yīng)為構(gòu)成要素統(tǒng)一、功能分區(qū)明確，造型設(shè)計(jì)重點(diǎn)集中，柜門(mén)、腳型、拉手的構(gòu)成形式相似，空間形態(tài)的共通性，在這些條件下，結(jié)合設(shè)計(jì)中運(yùn)用的生理心理學(xué)原則、美學(xué)原理，人體工程學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識(shí)，依據(jù)人體形態(tài)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)技能特征，對(duì)家具進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)分析和使用適應(yīng)性測(cè)試，進(jìn)行人性化的改良設(shè)計(jì)[7]。通過(guò)實(shí)物分析，儲(chǔ)物柜共分為四層，頂層高度高約3 100 mm設(shè)置過(guò)高，拿取不便且日常使用率低，滿足度低，對(duì)于第95百分位的人體來(lái)說(shuō)也是相當(dāng)困難的；底層高度僅高約600 mm設(shè)置過(guò)低，日常使用需要人體大幅度彎腰且極易磕碰，滿足度和舒適度同等低，只適用于第5百分位人體；每層空間并未進(jìn)行功能分區(qū)，導(dǎo)致堆疊冗雜，且沒(méi)有適當(dāng)隔斷和掛衣架，衣物和其他物品無(wú)法分門(mén)別類進(jìn)行擺放。

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，對(duì)此進(jìn)行宿舍儲(chǔ)物設(shè)施的改良設(shè)計(jì)，將原有利用率低的最上層空間壓縮減小，作為不常用衣物存放區(qū)，增大符合人體工學(xué)最方便拿取高度的第二層空間大小，最下層也根據(jù)市面普通行李箱尺寸進(jìn)行了高度調(diào)整；增加了多個(gè)功能分區(qū)，如疊放區(qū)、掛上衣區(qū)和掛褲區(qū)、大衣晾掛區(qū)域和雜物共用存放區(qū)等，盡最大可能為第50百分位人體所使用，如圖4所示。

3.4? 分析改良后宿舍儲(chǔ)物設(shè)施舒適度

利用Jack仿真進(jìn)行改良后舒適度分析，將改良設(shè)計(jì)后的儲(chǔ)物設(shè)施3ds Max模型文件導(dǎo)入Jack中，同時(shí)重復(fù)上述動(dòng)作即創(chuàng)建位于第50百分位的虛擬數(shù)字人模型和新的虛擬仿真環(huán)境，進(jìn)行舒適度及靜態(tài)強(qiáng)度評(píng)估實(shí)驗(yàn)。分析結(jié)果如圖。

動(dòng)作一：拿取掛衣區(qū)的衣物，數(shù)字人單手抬起抓握衣物。此姿勢(shì)的舒適度分析顯示范圍基本處于合理值內(nèi)，動(dòng)作瞬間僅會(huì)產(chǎn)生局部不適。靜態(tài)強(qiáng)度評(píng)估圖中各參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，說(shuō)明該動(dòng)作舒適度良好。動(dòng)作分析和詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖5所示。

動(dòng)作二：拿取疊放區(qū)物品，雙臂稍微抬起手部呈抓握姿勢(shì)。靜態(tài)強(qiáng)度分析圖顯示手腕、肘、肩膀等各關(guān)節(jié)完成百分?jǐn)?shù)都處于100%。舒適度分析數(shù)值大部分處于舒適模式范圍內(nèi)，說(shuō)明該動(dòng)作舒適度良好。動(dòng)作分析和詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖6所示。

動(dòng)作三：拿取行李箱等下方物品，頭部低垂，上半身微向下曲?？梢缘贸鰯?shù)字人頭、右上臂、肘部、小腿、腳等部分都保持著良好的舒適度評(píng)級(jí)。靜態(tài)強(qiáng)度分析圖參數(shù)仍基本合理。動(dòng)作分析和詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖7所示。

通過(guò)再次模擬動(dòng)作進(jìn)行舒適度分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)字人在優(yōu)化設(shè)計(jì)后的儲(chǔ)物設(shè)施上以三種不同姿態(tài)拿取物品時(shí)，各項(xiàng)有關(guān)生理結(jié)構(gòu)舒適度及靜態(tài)強(qiáng)度參數(shù)皆在正常浮動(dòng)范圍內(nèi)，能夠符合人體本身行為負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，提升了使用者對(duì)于改良后儲(chǔ)物設(shè)施的適應(yīng)程度。

4? 結(jié)? 論

文章立足于某大學(xué)宿舍儲(chǔ)物設(shè)施的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，以Jack軟件為主要工具，通過(guò)模擬使用者的取物姿勢(shì)和其他工作狀態(tài)，對(duì)存在問(wèn)題的儲(chǔ)物設(shè)施進(jìn)行線上動(dòng)作拆分仿真模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)設(shè)施中存在的人因工程問(wèn)題，從而在原有儲(chǔ)物設(shè)施基礎(chǔ)上展開(kāi)針對(duì)大學(xué)宿舍儲(chǔ)物設(shè)施產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、造型及人性化問(wèn)題的優(yōu)化改良設(shè)計(jì)，探究更為舒適實(shí)用的宿舍家具使用狀態(tài)。經(jīng)改良后的家具設(shè)施初步滿足了用戶需求、細(xì)微調(diào)整了家具材質(zhì)、提高了使用者主觀滿意度，后再次放入Jack軟件中進(jìn)行仿真分析，經(jīng)驗(yàn)證改良方案符合GB/T 12985—91，有效提高了儲(chǔ)物設(shè)施的安全性、實(shí)用性以及客觀滿意度。改良后的儲(chǔ)物設(shè)施更加符合人因工程學(xué)要求和家具設(shè)計(jì)規(guī)范，但受制于現(xiàn)實(shí)因素的緣故，例如生產(chǎn)成本資金和實(shí)際地理環(huán)境等因素，并未投放入市場(chǎng)及學(xué)校使用，以進(jìn)一步驗(yàn)證其線上線下統(tǒng)一舒適度和靜態(tài)強(qiáng)度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的通用性，在后續(xù)的研究中將繼續(xù)通過(guò)人因工程學(xué)及家具設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行更高標(biāo)準(zhǔn)的改良設(shè)計(jì)，為其他宿舍儲(chǔ)物設(shè)施的人因工程改良研究提供有效參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：黎維（2002—），女，漢族，四川成都人，本科在讀，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)；羅詩(shī)琦（2002—），女，漢族，四川成都人，本科在讀，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)；通訊作者：劉少宇（1986—），男，漢族，四川德陽(yáng)人，專碩導(dǎo)師，碩士，研究方向：視覺(jué)傳達(dá)設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、智慧旅游。

收稿日期：2022-09-21

基金項(xiàng)目：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生科研興趣項(xiàng)目（2022420）