人體工效學(xué)原理在智能化多態(tài)平衡測定儀設(shè)計中的應(yīng)用*

趙展，徐秀林，胡秀枋

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

智能化多態(tài)平衡測定儀是集人體平衡功能的測定、訓(xùn)練為一體的康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，它的設(shè)計與人體的各項生理參數(shù)及人機尺寸密切相關(guān)，對其操作、使用屬于復(fù)雜的機、電和計算機軟件綜合作業(yè)，它與醫(yī)患人員及周邊的治療環(huán)境共同形成了一個典型的人機系統(tǒng)。大量研究表明，利用人體工效學(xué)的基本原理可以提高工效、減少工作疲勞和誤操作，增加舒適感和安全性等[1-5]。國內(nèi)從人體工效學(xué)角度研究人體平衡功能的康復(fù)醫(yī)療設(shè)備報道較少。本研究依據(jù)國家標準“中國成年人人體尺寸(GB10000—1988)”中提供的成年人人體尺寸的基本數(shù)據(jù)建立的三維人體檢測模型[6]，應(yīng)用人體工效學(xué)的基本原理對該智能化多態(tài)平衡測定儀人機系統(tǒng)進行了定性或定量的判斷分析與優(yōu)化設(shè)計。

2 多態(tài)平衡測定儀的設(shè)計與分析

根據(jù)臨床上對肌肉功能、平衡功能的測定、訓(xùn)練的治療要求，本研究從人體測量、姿態(tài)舒適度、生物力學(xué)、心理、作業(yè)空間等角度對該儀器在使用過程中遇到的人體工效學(xué)方面的問題，如床的長、寬、高，患者舒適度、顯示器、安全性等方面，進行了較為全面的定性或定量的分析，設(shè)計了虛擬樣機并進行了實物的加工制作，其三維虛擬樣機及實物圖見圖1。圖1(a)為該測定儀機械結(jié)構(gòu)的三維虛擬仿真圖，圖1(b)為該測定儀的樣機實物圖。該系統(tǒng)具有評定、訓(xùn)練等多項功能，可以實現(xiàn)不同身高的患者在減重平衡模式下主動態(tài)雙腿同步屈伸訓(xùn)練和被動態(tài)雙腿同步屈伸訓(xùn)練、被動態(tài)雙腿交替屈伸訓(xùn)練、平衡功能的測量/評定、并在虛擬環(huán)境中進行趣味化平衡訓(xùn)練等。

(a)

(b)

2.1 基于人體測量的床體設(shè)計與分析

2.1.1床體長度、寬度的設(shè)計 由國標“在產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用人體尺寸百分位數(shù)的通則要求(GB12985-1991)”選用百分位數(shù)為95%，參考國標GB10000-1998選擇該百分位數(shù)對應(yīng)的人體模板基本參數(shù)設(shè)計了床體的長度、寬度，并用此參數(shù)建立人體模型對該設(shè)備進行虛擬分析。圖2示出了身高為1775 mm的人體躺在床上進行訓(xùn)練時的虛擬場景(近年來隨著中國人體質(zhì)的增強，中國成年人的身高總體呈增長趨勢)，從圖中可以看出床的長、寬符合絕大多數(shù)人的身高及體寬的生理要求。該床體的支撐地架設(shè)計成了前寬后窄的樣式是為了增加腳部訓(xùn)練的穩(wěn)定性并方便治療師靠近床體。

圖2 身高1775 mm虛擬人在訓(xùn)練床上訓(xùn)練狀態(tài)圖

圖3 身高1500 mm的虛擬人站到訓(xùn)練床邊時的狀態(tài)

2.1.2床架高度的設(shè)計 亞洲人臀高與身高比值為0.4667[7]，所以當床高設(shè)計為640 mm時，對于身高在1371 mm以上的患者坐上去不會感覺困難。參考男女身高尺寸的百分位數(shù)選取通則，選用身高1500 mm的虛擬人模擬人體站立床邊的情形，見圖3。從圖中看出該床可以讓身高1500 mm的患者輕松的坐上去。經(jīng)分析和患者實際驗證認為當患者腿、腳需要擺放到床面上時，需要越過高度為240 mm的障礙(兩邊腿部訓(xùn)練裝置及把手)，這對于下肢肌無力的患者來說略有困難，使得他們上下床不夠方便。本研究通過圖4所示的方式上下訓(xùn)練床，其結(jié)構(gòu)為：將床體設(shè)計成繞底座可轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)并豎立床體，先讓患者站到腳底板上，用繃帶固定患者上半身后，之后通過床板傾斜機構(gòu)使患者躺在床上，再使患者與地面成0～90°范圍內(nèi)的任意角度，或反之操作使患者下床。

圖4 患者從床的前面上下床

圖5 適應(yīng)不同腿長患者的腿部長度調(diào)節(jié)機構(gòu)

2.2 考慮患者舒適度的設(shè)計

依據(jù)國標上成人肢體的主要活動范圍及舒適姿態(tài)的調(diào)節(jié)范圍等，選用百分位數(shù)50%，設(shè)定虛擬人的各項生理參數(shù)和舒適角度范圍，對關(guān)鍵的訓(xùn)練姿態(tài)，特別是極限位置的姿態(tài)，進行舒適度的分析與評價。結(jié)合患者的需求對該智能化多態(tài)平衡測定儀的患者舒適度進行了設(shè)計，結(jié)果如下。

2.2.1患者腿部訓(xùn)練裝置 該裝置采用具有一定的仿生特性的擺動靈活的單軸膝關(guān)節(jié)作為腿部關(guān)節(jié)[8]，其大小腿支架長度可以依據(jù)不同身高患者的不同腿長進行自由調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)腿長機構(gòu)見圖5，通過調(diào)節(jié)小腿旋鈕、大腿旋鈕及髖部離腳的距離來實現(xiàn)。

用正常人做受試者經(jīng)測試后發(fā)現(xiàn)，訓(xùn)練時間超過5 min后感覺腿部疲勞，為了使患者不至于因長時間的訓(xùn)練產(chǎn)生腿部疲勞，訓(xùn)練時腿部要綁上綁帶，使腿與支架固聯(lián)一體。當床體旋轉(zhuǎn)至與地面成90°、患者做主動同步屈伸(下蹲站起)訓(xùn)練時，此時腳離床板距離不能太近，設(shè)計為200 mm。

另外，當腳板運動由于過載等原因超過其限位位置后，設(shè)計步進電機斷電以鎖定腿部訓(xùn)練裝置，但復(fù)位腳板時必需施加一定的反向外力。

2.2.2床板設(shè)計 設(shè)計的床板需滿足患者被動、主動兩種訓(xùn)練方式的要求。在被動訓(xùn)練時床板須固定，人躺在不動的床板上，電機驅(qū)動腳部運動以進行腿部屈伸訓(xùn)練；在主動訓(xùn)練時床板須隨著人體一起運動，人和床板之間相對靜止，人體驅(qū)動床板一起進行下蹲站起的屈伸訓(xùn)練。為了在兩種訓(xùn)練方式之間快速切換，采用快速鎖定裝置將滑動床板固定于床架上，圖6所示為實現(xiàn)床板滑動與固定切換的鎖緊裝置。

主動訓(xùn)練時由于滑動床板的重量沿床面的分力全部加載到患者身上，對于同一個患者，在床架傾斜角度不同時，所施加在患者身上的負載大小也在變化。對于老年患者或重癥肌無力患者在訓(xùn)練時會感覺負荷過重，有不適生理現(xiàn)象出現(xiàn)，如疲勞、出汗等。改進方法是設(shè)計擬人化的滑動床板，即在患者肩部以上的床板切割成人體的形狀，以減輕重量、減少慣量，見圖7；另外采用配重機構(gòu)對滑動床板施加對稱的反向拉力，其示意圖見圖8。這樣當患者進行主動態(tài)雙腿同步屈曲訓(xùn)練時，多加載到患者背部的力為：

(G1-G2)sin(α)-(f1·G1+f2·G2)cos(α) -2·f3·[G2sin(α)+f2·G2cos(α)]

(1)

當患者進行主動態(tài)同步伸展訓(xùn)練時，多加載到患者背部的力為：

-(G1-G2)sin(α)-(f1·G1+f2·G2)cos(α)- 2·f3·[G2sin(α)-f2·G2cos(α)]

(2)

其中G1、G2分別為可動床板及滑塊重量，α為床體傾斜角，f1、f2、f3分別為滑動床板、配重滑塊、配重滑輪的滾動摩擦系數(shù)，當力方向與人體運動方向一致時定義為正。

在不考慮靜摩擦、慣量及加速度的情況下，假設(shè)G1=G2=G，f1=f2=f3=0.05。由于arctan(0.05)≈0，忽略G2靜止狀態(tài)，對比改進前后腿部屈曲、伸展運動時施加到人體(背部)的作用力，分別如圖9(a)、(b)所示。圖9(a)為改進前(用虛線表示)、后(用實線表示)人體腿部屈曲時床板的作用力，圖9(b)為改進前(用虛線表示)、后(用實線表示)人體腿部伸展時床板對人體的作用力。顯然，改進后床板對人體的作用力的變化范圍約減少到了原來的1/10。

圖6 床板滑動與固定的切換機構(gòu)

圖7 減輕重量的床板

圖8 對床板施加配重的示意圖

2.2.3床把手設(shè)計 根據(jù)人體工效學(xué)理論，人在手部抓握直徑為18～50 mm范圍內(nèi)的物體時感覺比較舒適[9]，床把手設(shè)計成直徑為30 mm且有一定拔模角度的圓柱體，能滿足舒適的要求。

2.2.4腳板設(shè)計 設(shè)計成有彈性的雙層板結(jié)構(gòu)，外形如人的足部形狀的腳踏板，見圖5，因為彈簧的彈性作用，使患者踩上去可直觀感受到足底壓力狀況。但因為腿部與踝關(guān)節(jié)之間用軸承連接，在腿部屈伸訓(xùn)練時，腿與足的夾角會隨著人體腿部的屈伸角度的變化而不斷變化，當角度變化過大時，患者腳后跟很難接觸到腳板(圖10為模擬患者被動雙腿同步屈曲時姿態(tài)圖，圖11為應(yīng)用人體模型對該姿態(tài)進行舒適度評價的結(jié)果。)。通過觀察患者的實際訓(xùn)練過程，同樣發(fā)現(xiàn)其腿部屈曲到一定角度后，只有前腳掌踏著腳板，腳后跟已經(jīng)離開腳板。對腳板的改進設(shè)計見圖12，訓(xùn)練時的轉(zhuǎn)動中心被移到了腳底板下面，腿部與腳板之間的角度(即踝關(guān)節(jié))被鎖定但可以在一定的角度范圍內(nèi)進行調(diào)整，這樣的設(shè)計經(jīng)驗證符合人的舒適度要求。

圖9 受試者蹲下站起過程中加載配重前后人體背部受力圖

Fig9Theforcediagramofthesubjectintheprocessofdownandupbeforeandafterloading

(a)the force diagram of the subject in the process of flexion(down) (b)the force diagram of the subject in the process of stretch (up)

圖10 被動態(tài)同步屈曲時的姿態(tài)圖

圖11 圖10姿態(tài)下的舒適度評價結(jié)果

2.3 顯示裝置設(shè)計

眼睛和大腦聯(lián)系緊密，眼睛運動暗示著大腦如何收集或篩選信息[10]。為了使患者不易產(chǎn)生觀看疲勞，患者使用的顯示器——患者顯示器安裝在特別設(shè)計的水平位置、豎直高度、傾斜角度均可調(diào)節(jié)的機構(gòu)之上。采用虛擬仿真技術(shù)驗證了該裝置的有效性，見圖13，圖中虛擬患者在0～90°任意傾角進行站立平衡訓(xùn)練時，調(diào)整該機構(gòu)后使患者顯示器處在患者視距380～760 mm范圍內(nèi)、與患者傾角在10°左右的最佳視野范圍內(nèi)的視窗。

圖12 對腳板的改進設(shè)計圖

圖13 患者觀察顯示器的視覺效果

另外，為了保證患者得到趣味訓(xùn)練的效果，采用了動畫、曲線等直觀的表達方式，避免了枯燥的數(shù)據(jù)。圖14所示為下蹲站起訓(xùn)練時的重心隨時間變化的曲線圖。由于距離相同情況下，人眼對左上角的觀察效率優(yōu)于右上角，右下角最差，所以對于感興趣的內(nèi)容最好放在左邊[9]。比如對于需要輸入數(shù)據(jù)及了解具體測試數(shù)據(jù)的治療師來說，其人機控制界面設(shè)計成圖14(a)所示；對于只想直觀看到大致結(jié)果的患者來說，其人機觀察界面設(shè)計成圖14(b)所示。

(a)

(b)

(a)適用于治療師的界面；(b)適用于患者的界面

Fig14Thehuman-computerinterface

(a)The human-computer interface suitable for therapists；(b)The human-computer interface suitable for patients

2.4 患者安全

患者安全是一項全球性的醫(yī)療問題[11]，無論醫(yī)療器械有效性設(shè)計的有多好，都必須保證臨床治療上的安全[12]。作為評估、訓(xùn)練方面的康復(fù)醫(yī)療器械產(chǎn)品，該儀器在安全方面設(shè)計了多重保護，在防靜電、防患者跌下床板、針對患者的手部、腿部、腳底的防擠壓、防拉伸過量等方面均采取了安全措施。

(1)為了防止患者手部無處放置或亂活動，特別在床架的兩側(cè)安裝了把手(見圖15)，患者訓(xùn)練時兩只手抓握手柄，保證了患者手及手臂的安全性。

(2)做減重訓(xùn)練時，設(shè)計了一種安全帶將患者上半身束縛，患者只能緊貼床板。通過滾動摩擦的可動塊連接，床板被限定在其導(dǎo)軌上做限定長度的滑動，這防止患者在床板上的側(cè)滾及床體傾角過大時的前傾等。

圖15 增加患者安全性的把手

圖16 有安全防護措施的腳板

(3)對于患者腿部訓(xùn)練裝置，為了防止其行程過限，拉傷人體，特別采用了四重保護措施。第一是采用軟件加光電傳感器來控制腿部屈伸的運動范圍；第二采用微動開關(guān)來控制步進電機的電源通斷，當腿部運動超過限位位置時會觸動微動開關(guān)而使步進電動機斷電；第三是采用機械結(jié)構(gòu)限制機械行程，這是在上述兩種保護都失效的情況下限制腿部的繼續(xù)運動；在上述三重保護基礎(chǔ)上又在患者手部及治療控制臺各配備了急停開關(guān)，當出現(xiàn)緊急情況時按下急停開關(guān)將強制整個測定儀系統(tǒng)斷電。

另外，腳板表面采用防滑設(shè)計，并在腳跟部位安裝了護襠，防止腳部打滑或者踩空，見圖16。整個裝置采用了良好的電氣接地系統(tǒng)并限制進入床體的電壓大小，以防靜電或觸電。

2.5 患者手腳協(xié)調(diào)裝置

在床體上配備了用于訓(xùn)練患者手腳協(xié)調(diào)的游戲控制手柄和小鍵盤，其左右位置、前后位置、上下高度、左右傾角、前后傾角均可調(diào)節(jié)，滿足人機工程的要求。

2.6 儀器的控制操作

給康復(fù)治療師(電腦控制操作人員)配備了符合人體工效學(xué)原理的治療控制操作臺及電腦等相關(guān)設(shè)備。訓(xùn)練強度的控制及訓(xùn)練效果的測定等均可用電腦鍵盤、鼠標操作來實現(xiàn)。對床體傾斜度的調(diào)節(jié)是采用線控器控制實現(xiàn)的。

3 治療環(huán)境的分析

溫度、濕度、照明、色彩、振動、噪聲、氣流等都是影響患者最終治療效果的重要因素，設(shè)計符合人體工效學(xué)原理的康復(fù)評定、訓(xùn)練治療環(huán)境，不僅是對患者身心健康和人性的尊重，也是發(fā)揮和實現(xiàn)該系統(tǒng)的全部效能，實現(xiàn)康復(fù)目的的要求所在。

3.1 治療空間及環(huán)境色彩

隨著人的審美能力、審美素質(zhì)不斷提高，不僅要保證治療環(huán)境足夠的光線亮度，而且應(yīng)以患者為本的思想，尋求滿足其生理、心理特點的色彩設(shè)計。墻面、天花板和地板是作業(yè)空間主要的色彩設(shè)計區(qū)域[13]，對該作業(yè)空間及智能化多態(tài)平衡測定儀的色彩設(shè)計以樸素、簡潔、明快，使人心情放松的溫馨的淺色為主。床架采用柔和的米白色，床板采用天藍色，墻面采用淺白色，照明采用柔和、不刺眼的日光燈，以使患者心情放松，幫助他們緩解病痛、治愈身心疾病[14]。

該測定儀器對空間的要求至少需要4m2以上，更大的空間更有利于進行評定和訓(xùn)練。電氣線路走線采用全封裝設(shè)計，讓患者心理上感覺更像一臺奇妙、舒適的床，而不是生硬、冰冷的一臺設(shè)備。

3.1 環(huán)境衛(wèi)生學(xué)

對衛(wèi)生方面要求是保證一人一清潔、消毒，并進行定期的保養(yǎng)、維護。每次使用前需將整機擦拭干凈，再對把手、腳踏板、頭等部位進行必要的清潔消毒，使用后進行防塵處理。應(yīng)保持地面干凈衛(wèi)生、防滑，室溫的溫濕度及通風(fēng)也應(yīng)符合要求。

4結(jié)束語

本研究應(yīng)用人體工效學(xué)的設(shè)計方法為理論指導(dǎo)，對智能化多態(tài)平衡測定儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計、人機接口、治療環(huán)境等進行了設(shè)計和評價，并獲得了較為滿意的結(jié)果。目前該儀器仍存在不足之處需要進一步完善，比如部分零部件缺乏曲線美，棱角太過分明，訓(xùn)練時有85 dB左右的傳動噪聲(加潤滑油潤滑可以減低噪聲)，這些將有待于后續(xù)設(shè)計中進一步改進。總之，應(yīng)用人體工效學(xué)基本原理，結(jié)合虛擬樣機技術(shù)進行軟件分析與仿真，能有效提高設(shè)計的安全、可靠和高效率，增加患者舒適感，符合患者生理、心里特征等，大力開展人體工效學(xué)應(yīng)用研究意義重大。