■李銀霞，王慧玲，呼慧敏，程偉宏 Li Yinxia & Wang Huiling & Hu Huimin & Cheng Weihong

(1.鄭州大學機械與動力工程學院，河南鄭州 450001；2.中國標準化研究院人類工效實驗室，北京 100191 3.國家市場監(jiān)管重點實驗室（人因與工效學），北京 100820）

廚房與人們生活密切相關，但由于廚房操作臺面高度不合適而導致的腰酸背痛等“痛點”問題卻也一直困擾著人們，隨著疫情反復及人們對健康飲食生活的追求，在家烹飪頻率增加，櫥柜操作臺面的高度匹配性和舒適性更是成為人們關注的重點。當前，櫥柜操作臺面高度主要依據(jù)人體百分位數(shù)據(jù)、理論分析、主觀評價[1-3]或者采用國家標準給出的推薦值[4]確定，是適用于大部分人群的固定高度。隨著人們對櫥柜操作臺舒適性訴求的增加，研究人員開始對櫥柜智能化設計進行研究，可調節(jié)高度的操作臺逐漸走進人們的生活[5-6]，這也將有助于逐步解決“痛點”問題。本研究主要解決櫥柜操作臺面人機尺寸適配性問題，研究結果可為櫥柜智能升降系統(tǒng)的適配性設計及評估提供數(shù)據(jù)參考和方法依據(jù)。

1 .研究方法

1.1 技術路線

本研究針對切菜、炒菜、揉面、洗盤四種典型的操作任務，分別選取八個測試高度進行測試，采用主客觀相結合的方法研究確定最舒適操作臺面高度[7-9]。

采用表面肌電測試、足底壓力測試等兩種客觀實驗方法及主觀評價方法分別評估出最優(yōu)操作臺面高度，并進行相關性分析，計算主觀和客觀評價得出的最優(yōu)操作臺面高度上下四分位數(shù)的平均值，將其作為綜合最優(yōu)操作臺面高度，在此基礎上建立身高、性別與操作臺面高度之間的線性回歸方程，最后進行分析驗證。技術路線如圖1所示。

1.2 實驗設計

1.2.1 實驗流程

使用馬丁尺、體重秤等儀器測量被試者基本信息，被試者熟悉操作任務及注意事項，肌電片粘貼并檢查阻抗及連接狀態(tài)，確認阻抗小于10kΩ、連接無誤，穿戴鞋墊設備并調零，不同操作高度下被試者對切菜、炒菜、洗盤、揉面等四種操作任務測試，每個高度測試結束后記錄客觀實驗數(shù)據(jù)及被試者主觀評分數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理。圖2為四個操作任務實驗現(xiàn)場照片。

1.2.2 實驗要求

切菜操作時，準備土豆若干，去掉頭尾，保留中間部分，以盡量保證每次操作時土豆大小均勻，每個操作臺面高度進行10次切菜操作。

炒菜操作時，將切好的土豆片放入鍋中，每個設定臺面高度翻炒10次。

洗盤操作時，設定盤子傾斜但不離開水槽底，每個設定臺面高度洗盤10次（實驗得出的洗滌池操作臺面高度適用于以下情況：水槽底清潔、不宜拿起的廚具及放置于水槽底部容器中食材的清洗等）。

揉面操作時，面團選擇不易因揉搓時間而改變硬度的黏土代替，以保證黏土的硬度接近面團硬度，每個設定臺面高度揉壓10次，每次按壓深度基本保持一致。

當每個操作任務結束后，被試者需以坐姿狀態(tài)休息至少5分鐘，以消除肌肉疲勞對實驗結果的影響。每次開始新的操作任務前，為保證鞋墊采集數(shù)據(jù)的準確性，需重新校準鞋墊數(shù)據(jù)，并保持執(zhí)行每次操作任務的操作頻率不變，廚具及用具位置相對固定，具體要求見表1。

表1 實驗相關距離尺寸

1.2.3 實驗測試高度

通過對人體數(shù)據(jù)的理論分析、文獻調研、預實驗等方法，針對不同的操作任務，首先設定四個固定操作高度和一個用戶自選最優(yōu)舒適高度，四個固定操作高度分別為：切菜70～100cm，炒菜60～90cm，揉面65～95cm，洗盤63～93cm，步長均為10cm；其次，為彌補被試者最優(yōu)舒適高度選取誤差，在用戶自選最優(yōu)舒適高度附近增設三個高度（實驗表明，有38.33%的被試者最后選取的最舒適高度在增加的三個測試高度范圍中），選取原則見表2，最終每項操作任務下均設置8個操作高度。被試者站立于可調節(jié)操作臺前，操作臺調節(jié)范圍為60～125cm，精度為0.1cm。

■圖1 技術路線圖

表2 測試高度選擇原則

1.3 被試者信息

共招募15名被試者參與實驗，男性7名，女性8名，年齡均在18至35歲范圍內（平均28.9歲，標準差5.4歲），體重區(qū)間47.7～119kg（平均68.3kg，標準差18.1kg）。男性身區(qū)間高161.8～181.5cm，女性身高區(qū)間150.4～175.3cm。15名被試者詳細信息見表3。要求所有被試者無肌肉損傷（包括上肢、頸部、腰部），并均為右利手，每周做飯頻率通常達3次及以上，有一定的面食制作經(jīng)驗。

表3 被試者信息及主觀和客觀評價結果

1.4 客觀實驗

1.4.1 實驗器材

表面肌電測試實驗采用美國NORAXON的 Ultium EMG傳感器系統(tǒng)進行測試，采樣頻率可為2000/4000Hz，結合使用myoMUSCLE模塊采集并分析肌電數(shù)據(jù)。足底壓力測試實驗采用德國Novel公司的 Pedar-x 鞋墊式壓力分布測量系統(tǒng)進行測試，該系統(tǒng)可以精準測量和監(jiān)測足部負荷，結合使用pedar-x online 程序采集數(shù)據(jù)并分析足底壓力等參數(shù)。

圖3為被試者粘貼肌電片位置照片，圖4為被試者穿戴鞋墊設備照片，實驗中使用的廚具示意圖見圖5，廚具信息見表4。

表4 實驗用廚具信息

1.4.2 實驗數(shù)據(jù)采集與處理

在執(zhí)行相關操作任務時，受力部位主要分布在上肢、頸部、腰部、足部等部位。因此，在使用表面肌電采集系統(tǒng)采集肌電信號時，主要采集右側肱橈肌、肱二頭肌、肱三頭肌、斜方肌、豎脊肌處的肌電信號，以此分析肌肉受力情況。同時，使用鞋墊式足底壓力測試系統(tǒng)測量兩足底的峰值壓強。

在非疲勞狀態(tài)下，肌電信號幅值可以表征肌肉的收縮強度[10-11]，幅值高則肌肉興奮性高、放電活動強。對肌電幅值信號進行處理時，首先分析是否有異常峰值振幅；然后截取平穩(wěn)的肌電信號，通過整流、RMS算法進行平滑過渡處理，統(tǒng)計各個高度下不同肌肉的肌電幅值峰值；最后，選取每塊肌肉幅值最低對應的操作高度為最優(yōu)操作臺面高度。足底峰值壓強可以有效判斷足底舒適性[12]，峰值壓強越高，表明足底受力越大。選取峰值壓強最小時的操作高度為最優(yōu)操作臺面高度。

實驗表明，在最低和最高操作臺面高度下操作時，均會出現(xiàn)肌肉幅值最低或足底峰值壓強最低的情況，但在任何同一個高度下，都不能同時滿足每塊肌肉都能達到幅值最低時足底峰值壓強也是最低。因此，對端點處偏離較大的數(shù)據(jù)進行去除處理，并對客觀數(shù)據(jù)進行綜合統(tǒng)計計算。本研究中，去除8個測試操作高度中3個端點處的測試操作高度，并對剩余5個測試操作高度重新統(tǒng)計最優(yōu)操作高度，計算肌電幅值最低對應的5個最優(yōu)操作高度和足底峰值壓強最低對應的1個最優(yōu)操作高度的上下四分位數(shù)，并取上下四分位數(shù)的平均值作為客觀測試的最優(yōu)操作臺面高度[13]?？陀^實驗結果見表3。

1.5 主觀評價

實驗過程中，由主試記錄操作次數(shù)，被試者在測試每個操作臺面高度后，根據(jù)自身感受對該操作臺面高度進行評分，評分采用5分制，設定非常不舒服（1分）、不舒服（2分）、一般（3分）、舒服（4分）、很舒服（5分）。主觀評價實驗結果見表3。

2 . 結果分析

2.1 主觀和客觀評價結果相關性分析

通過對表3中主客觀評價結果進行相關性分析，得到四種操作任務下采用主客觀方法選取最優(yōu)操作臺面高度的相關系數(shù)，具體見表5。從表5可以看出，在選取最優(yōu)操作臺面高度時，女性采用主觀和客觀方法得到的評價結果的相關系數(shù)均大于0.9，男性除了揉面操作外，其余操作下得到的評價結果的相關系數(shù)均大于0.8，這說明無論男性還是女性，在選取操作臺面高度最優(yōu)值時，主觀方法與客觀方法評價結果具有較好的一致性。在揉面操作任務下，男性通過主客觀方法獲得的評價結果相關系數(shù)較低，原因是其中一位被試者主觀選取的最優(yōu)舒適高度與其余被試者選取的最優(yōu)舒適高度相差較多，導致主客觀評價結果相關系數(shù)降低。

采用肌電設備和足底壓力測試設備進行相關實驗測試獲得的實驗數(shù)據(jù)可以校正因主觀評價差異而導致數(shù)據(jù)結果偏差較大的現(xiàn)象，因此，在數(shù)據(jù)處理時應綜合考慮主觀方法與客觀方法選取的結果數(shù)據(jù)，對綜合評價最優(yōu)操作臺面高度值與人體身高尺寸做回歸分析，進一步來確定身體尺寸數(shù)據(jù)與操作臺面高度之間的關系。

2.2 線性回歸分析

圖6至圖9為性別、身高與四項操作任務的最優(yōu)操作臺面高度的關系散點圖，整體上來看，身高與四項操作任務下的操作高度基本是呈線性關系，隨著身高的增加，四項操作高度也隨之增加。因此，可以通過回歸分析來研究身高與最優(yōu)操作臺面高度數(shù)據(jù)間的關系[14-15]。

根據(jù)一元線性回歸的前提條件，分析因變量Y（切菜、炒菜、揉面、洗盤操作臺面高度）是否服從正態(tài)分布，進行正態(tài)檢驗。使用SPSS軟件對因變量四個操作高度進行檢驗，結果發(fā)現(xiàn)四個操作高度均符合正態(tài)分布（Sig.(2-tailed) >0.05）。

從散點圖看出，數(shù)據(jù)所繪制出的圖形呈直線，基于因變量正態(tài)分布檢驗結果，對主客觀評價結果進行Pearson相關分析，分析結果見表6。結果顯示，男性身高與切菜、炒菜、揉面、洗盤操作高度的相關系數(shù)分別為0.868、0.851、0.929、0.893，女性身高與切菜、炒菜、揉面、洗盤操作高度的相關系數(shù)分別為0.890、0.847、0.929、0.939。根據(jù)相關系數(shù)的定義，當|0.7 |

2.3 回歸方程驗證

應用統(tǒng)計學方法對回歸方程進行檢驗，結果表明回歸方程及一次項回歸系數(shù)均通過顯著性檢驗，標準殘差均落在-2～2之間，呈現(xiàn)正態(tài)分布，說明回歸模型選取適當，建立的方程能夠準確反映身高和操作臺面高度的關系。

■圖2 實驗現(xiàn)場照片

■圖3 肌電設備粘貼位置

■圖4 被試者穿戴鞋墊設備照片

■圖5 實驗用廚具示意圖

■圖6 身高與切菜高度散點圖

■圖7 身高與炒菜高度散點圖

■圖8 身高與揉面高度散點圖

■圖9 身高與洗盤高度散點圖

2.4 回歸方程修正

結合實驗條件以及實際操作時功能修正量[17]，對線性回歸方程進行修正。本實驗中，菜板厚度為0.65cm，鍋具高度為9.7cm。當取菜板厚度1.8cm，鍋具高度9.7cm，灶具支架高度6.5cm，鞋高2cm，立姿狀態(tài)修正量1cm，水槽深度為20cm時，根據(jù)中國標準化研究院最新中國成年人人體尺寸數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，對于18至35歲人群，選擇百分位數(shù)為1和百分位數(shù)為99的男性和女性身高數(shù)據(jù)分別計算各操作臺面的高度調節(jié)范圍，取值參考表8。

表8 修正的身高與操作臺面高度回歸方程及操作臺調整范圍

圖10至圖13分別為切菜、炒菜、揉面、洗盤四種操作任務下身高與操作臺面高度關系擬合線，從圖10可以看出，在切菜操作下，男女身高對于最優(yōu)操作臺面高度存在一個界點值，身高界點值約為166cm，身高在166cm以下時，男性最優(yōu)操作臺面高度大于女性相應高度，而在身高166cm以上時，女性最優(yōu)操作臺面高度大于男性相應高度，兩者差值最大為2.6cm；由圖11可知，在炒菜操作時，女性最優(yōu)操作臺面高度大于男性相應高度,兩者差值最大為2.8cm；由圖12可知，在揉面操作下，身高在164cm以下時，男性最優(yōu)操作臺面高度大于女性相應高度，而在身高164cm以上時，女性最優(yōu)操作臺面高度大于男性相應高度，兩者差值最大為3cm；由圖13可以看出，在洗盤時，女性最優(yōu)操作臺面高度大于男性相應高度，兩者差值最大為4.3cm。

2.5 各操作臺面高度間關系

通過分析可知，（1）切菜與炒菜操作臺面高度平均差約為：①女性：13～15cm，②男性：14～16cm；（2）切菜與揉面的操作臺面高度平均差約為：①女性：7～8cm，②男性：8～9cm；（3）洗盤與切菜操作臺面高度平均差約為：①女性：9～10cm，②男性：7～8cm。由此可得出四種操作任務的操作臺面高度整體關系如下：洗盤>切菜>揉面>炒菜。

2.6 操作臺面高度與肘高關系

目前操作高度類的研究多以肘高為基礎參考值來確定舒適操作高度[18-19]，且由人體身體參數(shù)與主觀評價結果間相關系數(shù)r（表6）可知，肘高與四個操作高度具有較強的相關性。根據(jù)本實驗測試數(shù)據(jù)及擬合方程綜合分析可知，在切菜操作時的最優(yōu)操作臺面高度對比女性和男性肘高平均分別約低14cm和16cm，在炒菜操作時的最優(yōu)操作臺面高度對比女性和男性肘高平均分別約低28cm和31cm，揉面操作時最優(yōu)操作臺面高度對比女性和男性肘高平均分別約低22cm和24cm，洗盤時最優(yōu)操作臺面高度對比女性和男性肘高平均分別約低4cm和8cm，與根據(jù)中國標準化研究院2009年人體數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出的關系公式（肘高=0.620*身高-0.23cm）[20]相比，結果基本一致。

2.7 小結

根據(jù)上述結果分析得出以下結論。

（1）采用主客觀方法對櫥柜高度人機適配性評估的結果具有一致性。在進行切菜、炒菜、揉面、洗盤等操作時，隨著身高的增加，最佳舒適操作臺面高度呈線性增加，身高與操作臺面高度關系呈正相關。

（2）在切菜等四項典型操作任務下，最優(yōu) 操作臺面高度受性別及身高的影響。在切菜與揉面操作時，存在一個明顯的身高界點值，在這個身高界點值以下時，男性最優(yōu)操作臺面高度大于女性相應高度，而在此身高界點值以上時，女性最優(yōu)操作臺面高度則高于男性相應高度；在炒菜與洗盤操作下，女性最優(yōu)操作臺面高度均大于男性相應高度。

（3）在不同操作任務下，采用線性回歸分析建立了身高、性別與各操作臺面高度之間線性關系方程，可根據(jù)方程對不同人群適合的櫥柜高度進行預測。

■圖10 身高與切菜高度

■圖11 身高與炒菜高度

■圖12 身高與揉面高度

■圖13 身高與洗盤高度

3 結語

通過對目標用戶的分析及櫥柜功能的解構，確定了實驗被試者及典型操作任務。在八個測試高度中，增加的三個測試高度提高了最優(yōu)舒適高度確定的準確性，在評價結果上，主客觀方法評價具有高度的一致性，并且采取主客觀相結合的評價方法，在一定程度上可以減少主觀不確定性對評價結果的影響。根據(jù)主客觀綜合評價結果建立了有效的線性回歸方程，可為櫥柜智能升降臺面適配性設計研究提供參考。

由于條件限制等原因，僅對18至35歲的人群進行了相關實驗測試，未對其他年齡段的人群以及特殊人群進行相關實驗測試，結果可能存在一定的局限性，還需要進一步的研究。