论文题目：基于坐立转换的如厕辅助产品设计与研究
摘要：老年人身体机能弱化,如厕时因腿部力量不足无法进行正常坐立转换容易发生危险事故,故面向老年人如厕的辅助坐立转换产品设计成为了当下的研究热点。如厕辅助产品中马桶座圈是与人体直接接触的部分,是如厕辅助产品设计的关键环节,目前马桶座圈的设计绝大部分偏向于造型设计而忽略了舒适性与安全性;其次,人体坐立运动轨迹的研究是指导如厕辅助产品设计的重要指南,若如厕辅助产品的升降轨迹不满足人体自然坐立运动规律时会对人体造成二次伤害,而目前很多如厕辅助产品的设计都缺乏对人体坐立运动轨迹的深入研究。针对以上问题,本文设计一款满足老年人需求的如厕辅助坐立产品,以提高老年人如厕的舒适性和安全性,主要研究内容如下:首先,为了设计出舒适且安全的马桶座圈,提出一种将造型设计与有限元分析相结合的综合设计方法,运用感性工学原理归纳出马桶座圈造型的设计要素,初步设计了8种不同的造型方案设计,运用语义差异法对初步设计的8个方案进行美观性感性意象评估,基于用户的主观感受挑选出了4种偏向美观的造型方案设计马桶座圈;其次将4种偏向美观的马桶座圈与标准人体三维模型装配进行有限元分析压力分析,获得人体臀部与马桶座圈之间的接触压力,并在美观数值和压力均值的基础上运用层次分析法进行综合评估,得出了方案5为最优方案,最后通过实验验证了最优方案设计的合理性。其次,为了提高老年人在如厕坐立转换过程中的安全平稳性与舒适性,对人体坐立转换运动进行了深入研究。使用惯性测量单元（IMU）对不同体态健康受试者进行了坐立转换试验,获得了膝、髋关节的变化规律,并将获取的匀速坐立转换运动轨迹和李晋等[27]研究的坐立转换运动轨迹分别与最优设计马桶座圈匹配,进行了0°,10°,20°,30°,40°倾角坐姿状态下的有限元动态压力对比分析,结果表明在同一倾角坐姿下,本文研究的坐立转换运动轨迹的平均压力为均低于李晋等[27]研究的坐立转换运动轨迹的平均压力,表明了本文研究的坐立转换运动轨迹更符合人体自然坐立转换规律。最后,基于最优设计方案的马桶座圈及符合人体自然坐立转换的运动轨迹,依据其环境、人机工学、设计美学、色彩及材质等因素对如厕辅助产品的升降结构与整体外观进行发散设计,并采用模糊评价法挑选出最终符合用户需求的整体方案。实践证明将感性工学、设计美学、有限元和运动轨迹实验等方法引入到如厕辅助产品的设计中是可行的,这对同类产品的设计实践存在一定的积极作用,同时也为相关产品的开发研究提供了科学的设计指导。
关键词：坐立转换;辅助升降;马桶座圈;感性工学;有限元;运动轨迹
学科专业：工业设计工程（专业学位）
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
1.2 辅助坐立产品国内外研究现状
1.2.1 辅助坐立产品国外研究现状
1.2.2 辅助坐立产品国内研究现状
1.3 马桶座圈造型设计研究现状
1.4 现状分析及发展趋势
1.5 本文研究内容和目标
第2章 老年人用户特征及需求分析
2.1 老年人用户特征研究
2.1.1 老年人分类
2.1.2 老年人生理特征分析
2.1.3 老年人心理特征分析
2.2 用户需求调研
2.2.1 需求调研阶段
2.2.2 调研结果分析
2.3 老年人产品设计原则
2.4 本章小结
第3章 基于感性工学的马桶座圈造型设计
3.1 感性工学设计
3.1.1 感性工学的观念
3.1.2 马桶座圈的感性设计流程构建
3.2 马桶座圈的感性评估与数据分析
3.2.1 感性词汇的搜集与筛选
3.2.2 感性意象词汇重要程度评价实验
3.2.3 实验样本的搜集与筛选
3.2.4 感性词汇所对应的造型设计要素
3.2.5 马桶座圈造型设计的美学准则
3.3 马桶座圈造型方案设计和美观性评估
3.3.1 马桶座圈的方案设计
3.3.2 马桶座圈造型设计的美观性评估
3.4 本章小结
第4章 马桶座圈有限元分析与综合评估
4.1 马桶座圈有限元静力学分析
4.1.1 人体生物力学有限元模型的建立
4.1.2 马桶座圈的有限元分析设置
4.1.3 有限元计算结果分析
4.2 综合评估与实验验证
4.2.1 层次分析法综合评估
4.2.2 实验验证
4.3 本章小结
第5章 坐立转换最优运动轨迹研究
5.1 人体坐立运动轨迹的研究现状
5.2 人体下肢坐立转换运动过程分析
5.2.1 人体下肢坐立转换的运动学模型
5.2.2 人体下肢坐立转换的动力学模型
5.3 人体下肢坐立转换运动轨迹实验研究
5.3.1 实验设备的简介
5.3.2 实验方法
5.4 实验过程
5.4.1 实验结果分析
5.5 最优运动轨迹评估
5.5.1 运动轨迹的数据对比
5.5.2 有限元分析设置
5.5.3 有限元压力结果分析与对比
5.6 本章小结
第6章 基于试验的如厕辅助坐立产品综合设计
6.1 如厕辅助坐立产品结构设计
6.2 造型、色彩、材质分析
6.3 如厕辅助坐立装置造型设计
6.3.1 概念草图设计
6.3.2 三维模型建模
6.3.3 产品效果图渲染
6.4 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
致谢
附录1:老年人如厕体验及需求调查
附录2:马桶座圈实验样本感性意象词汇组调查
附录3:马桶座圈造型设计美观性评估调查
附录4:人体下肢坐立运动轨迹髋、膝关节数据