正交实验设计方法在助行杖设计评价中的应用

冯涛，林建德，黄佳锐

(福建工程学院 设计学院·海峡工学院，福建 福州 350118)

目前市面上助行杖有很多种类，但是极少考虑到农村老年群体的特殊使用环境和行为习惯。根据调查[1]，需要使用助行杖的农村老年群体中，70%的人使用的是简单加工的手杖，27%的人直接使用未经修饰的木棍。由于农村老年群体大多曾经从事劳动密集型的农业生产，在体力和健康等方面相对城市老年群体存在更为严重的退行性问题，因此设计一款质量可靠且在功能上满足农村老年群体使用习惯的助行杖是有必要的。

现有的助行杖设计多注重产品的造型、色彩、材料、人机和用户情感体验等方面。史耀军等[2]从用户体验出发，侧重研究产品的造型色彩设计；李军华等[3]从情感设计出发，扩展产品的功能；而杨熊婷[4]则以智能化和情绪关怀为主进行理论分析。然而，现有的助行杖产品设计较少关注农村老年群体的实际需求。

正交实验设计通常用于材料配比和技术性能测评等，1978年由Paul Green[5]等引入市场研究领域之后也开始应用于其他领域。任英丽[6]等将其用于APP界面设计研究，李文华[7]将其用于玩具价格定价策略，戴晓波[8]等将其用于家具产品的造型设计,吴俭涛[9]将其用于健身车的造型设计评价。可见，正交实验设计在工业设计领域的应用以外观设计为主，评价方式以定性评价为主。综上，本研究从功能性设计出发，采取定量评价的正交实验设计方法，探究正交实验设计在助行杖设计中的应用，研究农村老年群体对助行杖的实际需求。

1 正交实验在助行杖设计中的应用

在助行杖设计中，除了用功能属性和形态属性来描述其产品定义，还需考虑目标群体的心理和生理特征及使用环境的适应性。因此，需要对正交实验各步骤进行细化改良，使其适用于产品设计领域，设计思路如图1右所示。

图1 正交实验到产品设计的迁移示意图Fig.1 Transfer diagram of orthogonal experiment to product design

1.1 产品评价指标

笔者通过走访周边乡镇的养老院，调查了100位农村老年人，发现67%的人有借助助行杖行走的需求或者潜在需求。为进一步研究用户的实际使用习惯，笔者选取其中4位对助行杖依赖度较高的老人进行访谈并记录其使用助行杖的肢体动作以供研究，具体情况如表1。

表1 助行杖使用动作分析

续表

根据表1的描述可知，老年群体使用助行杖的姿势普遍不规范，需要在设计中能够温和地纠正其使用习惯，同时降低学习成本。助行杖主要有以下几个部分组成：手柄，杖身，脚垫及其他辅助部分。根据调查和分析，本研究选取杖的重心位置和脚垫落地点位置和手柄倾角作为助行杖使用效果的评价指标。

分析表1可知，测试对象在使用助行杖时经常依赖椅子，将其作为提供支撑的物理平台。根据测试对象使用助行杖的姿态分析，将座椅予以保留并作为一个设计要点，并对杖体和椅体进行分离设计，但椅子的加入会改变助行杖的重心位置，进而影响使用感受，本研究选取助行杖的重心位置作为其使用效果的评价指标之一。。

4位测试对象身高相近，但在使用助行杖行走时，脚垫落点位置差异较大，而脚垫落地点的位置与助行杖实际助力效果呈正相关性。落地点与同侧脚跟的距离在一定范围内能有效发挥助行杖的实际助力功能[10]。因此，本研究选取脚垫落地点位置作为助行杖使用效果的评价指标之一。

本研究调查的对象中老年群体所用的助行杖不全都有手柄，手柄倾角也有差异，有手柄的助行杖其助行效果是优于无手柄的，手柄的倾角大小也会影响实际握持的舒适度[11]。因此，手柄倾角也被作为助行杖使用效果的评价指标之一。

1.2 产品属性和属性水平识别

农村老年群体对于拐杖的产品预期是木制的，因此样品选用竹子和栎树的木材(这些都是当地常见且易于获取的材料)作为主要制作原材料。

本研究采用联合分析法[5]，提取目标用户核心需求，确定具体设计因素，查阅相关文献及结合受试老人的实际使用感受，确定了产品的3个主要属性，即手柄倾角、助行杖重心位置和落地点与同侧脚面的距离，距离的控制通过主、辅承重杆之间的高度差来实现；将这3个属性分别划分3个水平，并入一个客观统一的体系来进行定量评价，如图2所示。

图2 因素水平分布示意图Fig.2 Horizontal distribution of factors

手柄倾角可以通过测量确定具体数值，笔者分析现有产品并测量其三视图得出手柄倾角的角度范围为0°～30°，所以先按照三等分区间对其进行划分。重心位置则按照可拆卸座椅的重心(经过计算，可拆卸座椅的重心与助行杖整体的重心大致重合)到底端的距离测算，图2所示的3个重心位置为笔者综合考虑4位测试对象的身高及其使用习惯得到的[12]。而高度差的选取则是参考文献资料[10]的研究结果，每侧两个辅助承重杆与主承重杆底端构成一个平面，当此平面与地面贴合时助行杖稳定效果最好，使用也最省力。测试对象经过多次练习使用之后会形成记忆习惯，便会习惯使助行杖落点与同侧脚面处于最佳距离，达到最省力效果。为了避免规律性排序对实验结果造成干扰，实验将所有因素水平按照抽签方式排序，排序结果见表2。

表2 因素水平表

根据正交实验设计表格选取规则，本组定型实验采用L934正交实验表，同时制作用来实验的样品，按照实验因素划分，将助行杖拆解成如图3所示5类单元，组合后逐一测试。

图3 测试所用组合Fig.3 Sample groups for testing

图3为测试所用组合，其中序号1对应的部分为助行杖顶端，靠斜切角大小来调节手柄倾角；序号2对应的部分为辅助承重柱底端，通过其高度来控制高度差；序号3对应的部分为连接销，方便拆卸零件；序号4对应的部分为座椅配重块(其重量与后续所设计座椅一致)；序号5对应的部分为手柄握柄。

1.3 助行杖正交实验设计

根据L934正交实验表中因素和水平的组合方式，共产生9种组合，对应9个助行杖样本。要对9个助行杖样本进行定量评价，需要有一个统一的标准。鉴于本设计侧重功能性评价，故评价标准设定为其实际助行效果。采用控制变量法，将助行杖作为变量，由测试对象使用不同设计组合的助行杖在固定路面上行走，若所用时间最短，则判定该样本助行效果最佳。

测试规则：在32 m的直线水泥路面上，让测试对象每次使用1个样本，用正常步速行走(测试并未按照序号顺序，而是随机进行，以避免疲劳效应)，测量其走完全程所用时间，两次时间取加权平均作为实验结果，4组测试对象依次测试完成之后，每一项4人所用时间加权平均作为最终结果记录在表3最右列。

测试场地：河南省息县杨店乡北街幸福家园。

天气状况：雨后多云天气，微风，路面稍有潮湿，气温26℃。

通过正交实验方法计算出每个设计要素取不同类别所引起的变化幅度，即极差R，可以得出对步行所用时间影响较大的因素。其计算方式如下：

R=max{K1,K2,...,Kn}-min{K1,K2,...,Kn}

(1)

其中，n为某一因素所有水平总数；Ki(i取值1到n之间的整数)表示任一列上水平号为i时所对应的实验结果之和，其结果记录在表3最下方一行。由表3可知，3个因素的影响权重分别为：落点距离>手柄倾角>重心位置。当手柄倾角为20°，重心位置为65 cm，落点距离为4.0 cm时走完全程所用时间最少，也就是最优组合为A2B1C2，在表格中体现为第4号实验，所以不用再次进行实验。

表3 正交实验结果记录

1.4 结果置信度检验

虽然极差分析法具有简单直观、计算量小等优点，但是不能体现误差大小，不能精确计算各因素对结果影响的重要程度，因此还需要进一步做方差分析来弥补其不足。

方差分析法步骤如下：

将正交实验用Ln(rm)表示，则因素水平数为r，正交表列数为m，总实验次数为n，实验结果记为yi(i=1,2,…,n)，因素依次用字母A、B、C…表示，e表示误差。

(2)

(3)

其中，j表示将因素A安排在正交表的第j(j=1,2,…,m)列上，实验误差的离差平方和SSe=∑SS空列。

dfj=r-1

(4)

dfe=∑df空列

(5)

(6)

(7)

采用F检验对实验结果的置信度进行检测，结果如表4所示。

表4 方差分析表

查表[13]可知Fα=0.1(2，2)=9，经过F检验，对于给定显著性水平α=0.10，因素A,C对实验结果有显著影响，因素B对实验结果没有显著影响。

2 方案优化设计

根据方差分析和F检验结果，可以确定A2B1C2为最优组合的结论是正确的。已经根据方案申请了实用新型专利[14]，其三视图及效果图如图4所示，杖身与凳子分离可以有效协助老年人完成起坐的动作，杖身侧边的收纳桶方便携带收起后的凳子，使用示意图如图5所示。

图4 助行杖改进方案三视图及效果图Fig.4 Three views and renderings of the improved scheme of walking sticks

图5 使用场景示意Fig.5 Usage scenarios

3 结语

基于正交实验的方法对所收集的产品评价进行因素筛选和水平划分，不但能够提高评价准确性，还能缩减样本数量。本研究在实地调研基础之上，采取定量评价的方式设计出符合用户需求的助行杖，让目标群体能够直观接触到设计模型；基于真实的物理环境进行测试，让设计者也能够收到以时间作为因变量的及时反馈，反过来改进设计元素和评价体系。这种以客观可测的物理量为评价标准的产品定量评价方法，弥补了产品设计评价环节以主观打分等形式使得评价结果难以保持客观性的缺陷，可以为同类产品的定量评价提供参考，也能为其他服务于社会边缘群体需求的产品样品试制提供一种可行性方案。