基于人機(jī)工程學(xué)的臥式洗澡車的設(shè)計與仿真

雷蕾，關(guān)天民，軒亮

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

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基于人機(jī)工程學(xué)的臥式洗澡車的設(shè)計與仿真

雷蕾，關(guān)天民，軒亮

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

以人機(jī)工程學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合我國老年人生理與心理健康狀況，提出了適用于中國老人的臥式洗澡車及其洗凈臺的工作要求，并進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計.同時采用CATIA人機(jī)模塊對樣機(jī)進(jìn)行了模擬仿真，驗證了設(shè)計要求的合理性.

臥式洗澡車；康復(fù)器械；人機(jī)工程；CATIA

0 引言

新世紀(jì)以來，我國進(jìn)入老年人口增長的高峰期，失能老年人數(shù)量大幅增加，空巢化問題也日益突出.與此同時，對于失能老年人的日常護(hù)理問題也更加得到社會的重視.洗澡對于老年人來說不僅是為了衛(wèi)生舒適，同時更能促進(jìn)老年人的新陳代謝、加快血液循環(huán)、放松心情、有利于老年人身心健康.但是對于高齡失能老人來說洗澡卻非常困難，對于護(hù)理者來說也是一項繁重的勞動.老年人用臥式洗澡車能夠讓老年人在整個洗浴過程中都處于躺臥的姿勢，使老年人在洗澡過程中能充分放松.同時減輕了護(hù)理人員的工作負(fù)擔(dān)、勞動強(qiáng)度[1].

1 老年人健康狀況及影響因素

圖1為各年齡組老年人虛弱指數(shù)，圖中數(shù)據(jù)顯示目前我國老年人身體健康狀況主要呈現(xiàn)三種特點.首先，老年人身體的虛弱程度隨著年齡的增長逐漸加重，尤其在75歲以后身體各項機(jī)能加速衰弱，在95歲以后身體虛弱程度不再增長.其次，男性老年人身體狀況普遍比同齡的女性老年人身體狀況要好.第三，我國是農(nóng)業(yè)大國，城鄉(xiāng)生活水平的差距注定使的老年人身體狀況存在差異.而對于老年人的精神狀況，也表現(xiàn)出隨著年齡增長精神狀態(tài)逐漸下滑的趨勢.但是對于不同性別的老年人存在明顯的差距，男性老年人精神狀態(tài)比女性老年人要好的多，男性老年人對待生活更加積極.

(a)身體虛弱指數(shù)

(b)精神虛弱指數(shù)

影響老年人健康狀況的因素不僅僅包括年齡、性別、城鄉(xiāng)差距、經(jīng)濟(jì)收入等客觀條件.還與職業(yè)、性格、生活習(xí)慣、家庭狀況等因素有關(guān).良好的生活環(huán)境、適當(dāng)?shù)纳眢w鍛煉、作息規(guī)律、合理飲食等都有利于提高老年人身體狀況[2].洗浴更能改善老年人的生活質(zhì)量，促進(jìn)老年人的新陳代謝、加快血液循環(huán)、放松心情、利于老年人身心健康.

2 老年人洗浴的局限性

隨著年齡的增長，身體的各項機(jī)能將發(fā)生明顯的變化，器官老化、功能衰退.人過中年后體內(nèi)內(nèi)分泌功能減退，神經(jīng)系統(tǒng)控制能力下降，感覺、視覺等能力減弱，身體協(xié)調(diào)能力下降，肌肉彈性下降，骨密度降低，蛋白質(zhì)合成速度減慢[3].皮膚感覺靈敏度下降會影響對水溫的感覺，易引起燙傷；視覺能力下降易導(dǎo)致磕碰、摔倒造成外傷；身體協(xié)調(diào)能力下降使洗浴困難；內(nèi)分泌功能衰弱使老年人環(huán)境適應(yīng)能力減退；骨密度降低易骨折等，這些身體機(jī)能的變化都是影響老年人洗浴的因素.

針對老年人洗浴的各種影響因素所開發(fā)的老年人用洗澡車，就是以失能老年人和殘疾人士為應(yīng)用對象.他們行動不便或者根本無法行動，在發(fā)生突發(fā)狀況的情況下根本無法自行脫離危險的境況.同時再加上老年人常有的抑郁、焦慮、性格倔強(qiáng)、注意力不集中、生活態(tài)度不積極等性格特點，導(dǎo)致在進(jìn)行老年人用洗澡車的設(shè)計過程中需要多方面考慮到人的因素.尤其是作用對象這一方面，這就要求在實現(xiàn)功能要求和協(xié)調(diào)操作的前提下還要解決在洗浴過程中解決突發(fā)情況，保證老年人安全、舒適、便捷的需求.

3 臥式洗澡車的工作流程

洗澡車采用老年人臥姿入浴，整個過程中老年人都處于躺臥的姿勢，使老年人洗澡過程中能充分放松.洗澡車設(shè)計有擔(dān)架式洗凈臺，老年人始終躺在洗凈臺進(jìn)行洗浴.整個工作流程如下所述：

(1)在更衣室對老年人進(jìn)行更衣，更衣完畢后將老年人放到轉(zhuǎn)運架的洗凈臺上；

(2)通過轉(zhuǎn)運架將老年人從更衣室轉(zhuǎn)移到浴室內(nèi)浴槽旁；

(3)通過導(dǎo)軌將洗凈臺連同老年人轉(zhuǎn)移到浴槽中心上方；

(4)浴槽升起，老年人進(jìn)入浴槽中心，進(jìn)行洗浴、按摩等；

(5)洗浴完畢，浴槽下降，老年人出??；

(6)通過導(dǎo)軌將洗凈臺連同老年人轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)運架上；

(7)通過轉(zhuǎn)運架將老年人推回更衣室，整個洗浴過程完畢.

通過上述洗浴過程分析可以知道，老年人洗澡車需要擁有浴槽升降功能、按摩功能、熱水器、排放水功能、泡浴淋浴功能等幾大方面.

4 洗澡車結(jié)構(gòu)分析及構(gòu)成

通過對上述工作流程的分析可以看出，老年人用洗澡車主要有浴槽、洗凈臺、轉(zhuǎn)運架三大部分.其中浴槽是整個洗澡車的主體部分，老年人的整個洗浴過程都是在浴槽內(nèi)完成的，幾乎全部的附加功能都是以浴槽為載體.洗凈臺需要通過浴槽和轉(zhuǎn)運架的導(dǎo)軌在兩者之間來回轉(zhuǎn)移，浴槽、洗凈臺、轉(zhuǎn)運架相互獨立同時又有屬于同一個系統(tǒng).

4.1 浴槽的設(shè)計

浴槽是老年人洗澡車系統(tǒng)中的主體部分，是老年人洗澡過程中直接接觸的部分，也是洗澡車各功能實現(xiàn)的載體，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，因此浴槽部分的設(shè)計要求也是最嚴(yán)格的.在前述的工作流程中，浴槽所實現(xiàn)的基本功能動作是在老年人轉(zhuǎn)移到浴槽中心上方后，浴槽升起，被護(hù)理人員浸入水中洗浴，可以看出浴槽需帶有升降機(jī)構(gòu).

圖2 立姿作業(yè)高度

整個洗浴過程都是由護(hù)理人員進(jìn)行操作完成的，設(shè)計的過程中不僅要保證護(hù)理人員的作業(yè)空間，還要考慮控制面板、信號指示器的安排設(shè)置，以便護(hù)理人員能夠適宜地獲取信息、進(jìn)行操作.作業(yè)空間的設(shè)計必須依照人體尺度.護(hù)理人員是立姿進(jìn)行護(hù)理操作的，立姿工作可以來回走動，活動空間大，并且在發(fā)生意外事件時能夠及時采取措施.

圖2為立姿作業(yè)區(qū)域[4]，圖2中a的臺面高度為1 100～1 200 mm，靠肘支撐身體平衡，適合精密作業(yè).c的臺面高度為950～1 100 mm，適合節(jié)奏較快，要求靈活的工作.d的臺面高度為750～950 mm，適合工作強(qiáng)度較大的工作.

4.2 洗凈臺的設(shè)計

老年人是躺在洗凈臺上進(jìn)行整個洗浴過程的，也就是說洗凈臺設(shè)計的舒適性很大程度上影響老年人洗浴的質(zhì)量.因此洗凈臺不僅要滿足基本的功能需求，同時更應(yīng)該從老年人舒適性的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計.

結(jié)合人類身體活動關(guān)節(jié)的需求，將洗凈臺背部和膝關(guān)節(jié)部位設(shè)計成角度可調(diào)的結(jié)構(gòu).這樣可以根據(jù)洗浴者不同舒適性需求調(diào)節(jié)至指定角度，使洗浴者充分享受洗澡帶來的輕松、舒適.雖然不同的人，習(xí)慣性的姿勢不同，將背部和膝關(guān)節(jié)部位設(shè)計成無級全角度自鎖更加符合不同人的需求，但是考慮到實用性和可行性決定將背部和膝關(guān)節(jié)部位設(shè)計成某幾個角度間切換的調(diào)節(jié)方式更加簡單實用.

圖3為洗凈臺躺板基本結(jié)構(gòu)，四塊躺板不僅滿足病人背部與膝關(guān)節(jié)不同角度的需求，同時滿足洗浴過程中的活動和舒適度需求.由于不同人的身體尺寸不同，人體的活動姿勢也因不同人、不同時間、不同情況而不同，因此根據(jù)人體結(jié)構(gòu)和尺度關(guān)系，采用標(biāo)準(zhǔn)的人體外形模型可以形象的找出人體不同關(guān)節(jié)的相對位置，從而計算各躺板的尺寸關(guān)系[9].

圖3 不同姿勢的實現(xiàn)角度

由于老年人在洗浴的過程中一直處于坐立或是半躺的狀態(tài)，這里重點分析不同靠背角度下脊椎所受負(fù)荷的情況.不同靠背角度下體重對腰椎和腰部肌肉的影響不同，不正確的坐姿不但不能減輕腰部的負(fù)荷，反而會加重影響.良好的坐姿下，身體所受壓力合理的分配到各脊椎段上，椎間盤和肌腱承受均勻的靜載荷.當(dāng)利用座椅的靠背采用半躺式坐姿時，身體的部分體重由座椅靠背支撐，同時上身保持直立狀態(tài)，脊椎變形較小，同時減輕了脊椎肌腱和椎間盤的壓力.老年人在洗澡時頭部必須位于水面之上，決定了座椅靠背與座面之間的夾角必須在一定的范圍之內(nèi).如圖4為不同座面與靠背夾角下椎間盤壓力與脊椎附近肌腱負(fù)荷的關(guān)系.

圖4 不同靠背夾角下的椎間盤內(nèi)壓與肌腱負(fù)荷

由圖4可以看出當(dāng)座面與座椅靠背之間的夾角達(dá)到110°以上時，椎間盤壓力與脊椎肌腱負(fù)荷明顯減小.因此，要使老年人脊錐最大化的減輕所受負(fù)荷、達(dá)到放松舒適的狀態(tài)，同時便于老年人洗澡，方便洗浴、呼吸、翻身等.洗凈臺座面與靠背之間的夾角必須在130°左右.

4.3 轉(zhuǎn)運架的設(shè)計

轉(zhuǎn)運架是在更衣室和浴室之間轉(zhuǎn)移老年人用的載體，同時也用以將洗凈臺連同老年人過渡到浴槽中.浴槽是整個洗浴系統(tǒng)的主體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大，每次安裝高度都會有些偏差，并且在浴室中保證水平安裝完成后一般不會進(jìn)行調(diào)整改動，不同的浴室環(huán)境中地面狀況也會有所不同.為了保證在任何地面狀況下轉(zhuǎn)運架與浴槽都能夠順利對接、兩軌道處于同一高度不會產(chǎn)生偏差，就要求轉(zhuǎn)運架能夠進(jìn)行小程度的高度調(diào)整.

5 工作概況仿真

在完成洗澡車的設(shè)計工作之后，結(jié)合前面所描述的中國老年人人體特性，根據(jù)特定百分位的人體結(jié)構(gòu)尺寸，利用CATIA建立人體模型[7].將人體模型與應(yīng)用設(shè)備相結(jié)合，能夠直觀的分析產(chǎn)品的舒適性、合理性和安全性.

為了保證所設(shè)計的洗澡車應(yīng)用的普遍性，選取第95百分位的男性人體尺寸作為被護(hù)理人員人體模型的基礎(chǔ).在該基礎(chǔ)上根據(jù)老年人身體結(jié)構(gòu)的變化對身高、肩寬、四肢長度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整.而護(hù)理人員則選用第5百分位的人體尺寸作為人體模型的基準(zhǔn).這樣可以直觀的反映出洗澡車的工作狀況是否滿足多數(shù)人的需求.

5.1 洗凈臺的不同工作角度

在洗浴過程，老年人始終處于洗凈臺上，為了滿足老年人不同躺臥姿勢的需求，為洗凈臺設(shè)置了多個仰臥角度.半臥姿勢是入浴的姿勢，老年人洗浴、按摩都是在這個姿勢下完成的.平躺的姿勢可以滿足老年人浴后休息的要求.

如圖5所示，圖中為選取第95百分位的人體尺寸所創(chuàng)建的人體模型，將人體模型導(dǎo)入洗凈臺座面.從圖中可以看出第95百分位的人在洗凈臺上仍留有足夠的空間，人體在兩個靠背角度下均可以在洗凈臺上自由活動.從而證明洗凈臺的設(shè)計滿足作業(yè)空間的合格性.

圖5 洗凈臺不同的工作角度

5.2 浴槽工作高度

浴槽是保證老年人能夠順利洗浴的主要部件，浴槽、洗凈臺、升降架之間的配合決定著洗澡車能否順利工作.如圖6所示為浴槽上升前后的效果圖.在圖中可以看出，浴槽上升前后的效果完全符合設(shè)計要求，能夠保證老年人正常洗浴.

圖6 浴槽上升前后效果圖

5.3 入浴過程動作仿真

在完成了洗澡車的設(shè)計工作之后，根據(jù)洗澡車的工作流程，利用CATIA軟件人機(jī)工程仿真模塊對洗澡車的入浴過程進(jìn)行了仿真，完成入浴、出浴工程的動作模擬，仿真過程為：①通過轉(zhuǎn)運架將老年人從更衣室轉(zhuǎn)移到浴室內(nèi)浴槽旁；②通過導(dǎo)軌將洗凈臺連同老年人轉(zhuǎn)移到浴槽中心上方；③鎖定洗凈臺，按動上升按鈕，浴槽開始上升；④浴槽完成上升，老年人進(jìn)入浴槽，進(jìn)行洗浴按摩，仿真效果如圖7所示.

(a) (b)

(c) (d)

通過上述對轉(zhuǎn)運架、洗凈臺及浴槽工作狀況的分析，可以看出洗澡車各方面的設(shè)計符合人機(jī)工程理念的設(shè)計要求，能夠完成預(yù)期的工作狀態(tài)，滿足不同身體狀況的老年人對洗浴的需求.同時能夠使護(hù)理人員在一個輕松、便捷的環(huán)境下進(jìn)行工作，保證了工作的合理性和安全性.

6 結(jié)論

本文基于人機(jī)工程學(xué)結(jié)合我國老年人現(xiàn)實狀況，給出洗澡車各部分設(shè)計具體要求,依據(jù)我國人體基本尺寸及老年人身體的特殊性，對作為洗澡車設(shè)計基礎(chǔ)的人體尺寸進(jìn)行了詳細(xì)的分析、說明.結(jié)合人機(jī)工程學(xué)設(shè)計理念，根據(jù)洗澡車的設(shè)計要求，完成了對臥式洗澡車各部分的設(shè)計.利用CATIA軟件，導(dǎo)入特定百分位的人體模型，對洗澡車各部分的工作狀態(tài)進(jìn)行了仿真，證明洗澡車各部分的設(shè)計達(dá)到了預(yù)定的工作要求，能夠滿足大多數(shù)老年人的洗浴需求.同時保證護(hù)理人員能夠在舒適，便捷的環(huán)境下進(jìn)行工作，驗證了設(shè)計的有效性.

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Design and Simulation of Horizontal Bath Apparatus based on Ergonomics

LEI Lei,GUAN Tianmin,XUAN Liang

(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Based on ergonomics,horizontal bath apparatus and wash desk requirements for the China old man are proposed combined with China elderly physiological and psychological health.Finish the corresponding design is completed,and the rationality of the design requirements is verified by using CATIA user module to simulate the prototype.

horizontal bath apparatus;rehabilitation devices;ergonomics;CATIA

1673- 9590(2016)02- 0057- 04

2015- 05- 19

遼寧省科技計劃資助項目(2013408005)

雷蕾(1976-)女，副教授，博士，主要從事新型擺線輪傳動的研究E-mail:leileidalian@163.com.

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