醫(yī)用輪椅的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

張莉　馬洪明　姚佳

摘要：近些年來，隨著社會人口老齡化程度越來越大，人們的身體狀況不容樂觀。心腦血管疾病和意外事故頻繁地發(fā)生導(dǎo)致肢體殘疾患者的數(shù)量急劇增加，因而輪椅的出現(xiàn)為眾多患者提供了巨大的方便。輪椅是病人康復(fù)的階段性工具，可輔助患者病人參與身體鍛煉和社交互動，滿足其身心健康的需要。本文主要針對方便看護(hù)者輔助殘疾患者更便捷的上下輪椅，以及輪椅折疊性和舒適性的設(shè)計(jì)。輪椅是殘疾患者的第二身體，設(shè)計(jì)舒適的人機(jī)工學(xué)椅背和椅座，靈活趣味的交互系統(tǒng)，輪椅安全性的把握等至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：殘疾患者；健康；交互系統(tǒng)

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識IR：A

文章編號：1003-0069（2017）07-0116-02

引言

在現(xiàn)代醫(yī)療水平和醫(yī)療器械伴隨著科技高速發(fā)展的過程中，輪椅的工業(yè)設(shè)計(jì)對輪椅提出了新的功能需求和目的。而現(xiàn)在大多數(shù)的輪椅缺乏創(chuàng)新設(shè)計(jì)元素，只是簡單的生搬硬套，利用鋼架結(jié)構(gòu)與塑料基本材料的結(jié)合進(jìn)行折疊。而很多方面不僅不符合人機(jī)工學(xué)，也不符合殘疾人、老年人的正常使用習(xí)慣及需求。普通輪椅的主要結(jié)構(gòu)有輪椅架、車輪、剎車裝置及座靠。機(jī)器思維的智能化和普及化發(fā)展為輪椅的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究提供新的思路，如果從人的生物性和工業(yè)設(shè)計(jì)的角度對現(xiàn)有輪椅提出新的設(shè)計(jì)需求與創(chuàng)新，從造型色彩、人機(jī)工學(xué)、材質(zhì)分析、安全性能對輪椅的結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而設(shè)計(jì)出符合用戶心理的產(chǎn)品，才能讓輪椅真正成為殘疾人的第二身體，陪伴在其左右。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

輪椅的種類依照傳動原理劃分大概為手動式和（半）自動輪椅，依照使用功能劃分大概為可躺式的高背輪椅、競技輪椅、爬梯輪椅、輔助輪椅、醫(yī)用輪椅等。本文主要研究醫(yī)用輪椅。

（一）國外研究現(xiàn)狀：20世紀(jì)30年代初，美國的一位井下礦工在一次突發(fā)的礦難事故中受傷，導(dǎo)致下體癱瘓不能行走。然而在朋友的協(xié)助下，其發(fā)明了一種便攜輪椅方便運(yùn)動和行走，并且輪椅可以手動折疊放置以便節(jié)省空間。到了80年代輪椅的工業(yè)設(shè)計(jì)剛剛發(fā)展，歐美國家逐漸開始致力于康復(fù)設(shè)備和健身器械的研發(fā)和應(yīng)用。到20世紀(jì)末期以后，系統(tǒng)化的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備和助行裝置研究設(shè)計(jì)才進(jìn)入全面發(fā)展的時(shí)期。國際上關(guān)于康復(fù)輪椅設(shè)計(jì)的研究逐漸增多。德國開發(fā)出新一代下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)Gait Trainer，秉承的德國設(shè)計(jì)的優(yōu)良品質(zhì)，不僅在造型的嚴(yán)謹(jǐn)漂亮具有強(qiáng)烈的科技感和現(xiàn)代設(shè)計(jì)元素，而且滿足的輪椅設(shè)計(jì)的人機(jī)工學(xué)理念，讓患者乘坐輪椅的時(shí)候身心都會愉悅。日本研制殘疾人輔助輪椅裝置——木制輪椅，從機(jī)械角度對人行走過程中的步態(tài)進(jìn)行分析，對不同行走狀態(tài)時(shí)的受力大小、方向、受力點(diǎn)分析，設(shè)計(jì)出符合人機(jī)工學(xué)的輪椅幫助病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練和正?；顒樱ㄈ鐖D1）所示。

（二）國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近十年來我國肢體殘疾在整個(gè)殘疾人構(gòu)成比例迅速增長。這些殘疾患者對輪椅的需求是終身的。2014年度我國已經(jīng)出現(xiàn)數(shù)以百計(jì)的普通輪椅生產(chǎn)企業(yè)?；グ钶喴巫鳛辇堫^企業(yè)，其旗下的輪椅設(shè)計(jì)產(chǎn)品非常注重工業(yè)設(shè)計(jì)和人機(jī)交互的應(yīng)用。以舒適性為目的為使用者提供更加方便更加安全更加人性化的服務(wù)。2014年年產(chǎn)量為243萬臺左右，同比增長20%m。國內(nèi)大概有60個(gè)輪椅生產(chǎn)和制造企業(yè)，新型智能輪椅設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)量占比五分之一之高，然而工業(yè)設(shè)計(jì)和用戶體驗(yàn)優(yōu)良的產(chǎn)品數(shù)量僅僅不到十分之一。因而國內(nèi)市場有待利用，具有多功能型和高質(zhì)量的輪椅設(shè)備仍需要大量開發(fā)。中國的醫(yī)療康復(fù)器械的生長率保持20%至30%，市場增長趨勢緩慢。目前全國數(shù)以萬計(jì)的醫(yī)院環(huán)境中醫(yī)療康復(fù)設(shè)備和殘疾人健身器材的索求數(shù)目巨大，因而醫(yī)用輪椅在醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)院器械中仍舊處在很重要的位置，（如表1）所示。半自動化輪椅作為一種以醫(yī)學(xué)理論為依據(jù)，以用戶需求為目標(biāo)的醫(yī)療器械設(shè)計(jì)使殘疾人獲得更強(qiáng)的獨(dú)立生活能力和生活質(zhì)量。并且它也可以作為健康老年人的體育運(yùn)動訓(xùn)練器材。

二、產(chǎn)品分析

（一）擬解決問題：據(jù)調(diào)查研究，現(xiàn)階段市場上的輪椅大多功能單一，體積龐大笨重導(dǎo)致使用起來很不方便。輪椅的扶手是殘疾患者坐上輪椅的極大障礙。造型過于機(jī)械化，管材暴漏外面影響美觀，缺乏新意。色彩單一多金屬原色，機(jī)身顏色少有變化。外觀設(shè)計(jì)不合理，占用空間大。穩(wěn)定性安全性不高，使用過程中必須有看護(hù)人員陪護(hù)。產(chǎn)品使用比較費(fèi)力，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。操作過程中存在安全隱患，椅背不符合人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，操作方式固定，手推式極易疲勞，極為不便。部分輪椅雖然結(jié)構(gòu)有所創(chuàng)新，卻依舊缺少實(shí)用性。

（二）產(chǎn)品定位：人群定位：醫(yī)用輪椅，滿足使用者短時(shí)間使用輪椅移動位置和與家人陪同下在醫(yī)院公園或者其他場所散步休息功能。促進(jìn)使用者和看護(hù)家人的交流。

造型定位：產(chǎn)品造型方面大膽運(yùn)用曲面弧面設(shè)計(jì)使產(chǎn)品更加簡潔、圓潤；對外觀進(jìn)行幾何分形，局部凹陷、切削等增加產(chǎn)品的表面的節(jié)奏感和韻律美感，同時(shí)賦予產(chǎn)品設(shè)計(jì)融入科技元素；加入標(biāo)志性、幾何型符號語言進(jìn)行修飾，豐富產(chǎn)品設(shè)計(jì)語言。清澈的色彩為環(huán)境及用戶渲染出干凈的感覺，以灰色來調(diào)節(jié)產(chǎn)品的視覺平衡，局部部件用以高亮色彩用以指示功能。

功能定位：在滿足使用者舒適性的基礎(chǔ)上滿足使用者的安全性和看護(hù)者的方便性。

（三）研究方法：用戶體驗(yàn)：輪椅設(shè)計(jì)針對醫(yī)院中需要助行或代步的人群，因此在設(shè)計(jì)的過程中需要參考和了解符合用戶的最自然的使用方式和使用者心理，并且對于不同傷害程度的人和不同年齡階段的人群對于輪椅的依賴程度大有不同。

用戶調(diào)研：對醫(yī)院以及生活周邊殘疾人進(jìn)行詢問記錄，了解特殊人群的生活方式。了解患者真正的需求和心理。有針對性的整合用戶需求，并且重復(fù)整合以分析發(fā)現(xiàn)最致命的問題。

頭腦風(fēng)暴與TRIZ理論分析：以頭腦風(fēng)暴的形式進(jìn)行調(diào)研問題的匯總。缺點(diǎn)列舉發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)痛點(diǎn)問題以及設(shè)計(jì)中存在的不足進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，明確設(shè)計(jì)定位與設(shè)計(jì)人群，應(yīng)用創(chuàng)新發(fā)明原理和設(shè)計(jì)法則尋找設(shè)計(jì)的突破口。

人物素描與情景假設(shè)：對使用者（殘疾患者）進(jìn)行行為假定情景，進(jìn)而分析出最符合用戶使用場景的設(shè)計(jì)方向。

草圖分析與模型：依據(jù)設(shè)計(jì)程序（草圖分析、三維建模渲染、草模制作、比例模型手板）進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合產(chǎn)品語義，設(shè)計(jì)美學(xué)，情感設(shè)計(jì)等方法進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)。

三、醫(yī)用輪椅的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（一）造型與色彩

1.造型設(shè)計(jì)：造型設(shè)計(jì)要求產(chǎn)品在人與環(huán)境之間的關(guān)系更加協(xié)調(diào)，功能是設(shè)計(jì)的目的，環(huán)境是產(chǎn)品存在的場，由此構(gòu)成系統(tǒng)整體與要素細(xì)分在哲學(xué)上的對立統(tǒng)一關(guān)系。輪椅的造型設(shè)計(jì)對于目前輪椅設(shè)計(jì)的改善十分重要。目前的輪椅造型大都采用金屬管材和塑料橡膠搭配，機(jī)械感很強(qiáng)導(dǎo)致十分復(fù)雜繁瑣。輪椅設(shè)計(jì)的簡約化式造型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，曲面化設(shè)計(jì)是輪椅設(shè)計(jì)的核心。

2.色彩設(shè)計(jì)：自然的色彩對比間接影響人們的審美意識、情緒變化和工作效率。本輪椅色彩設(shè)計(jì)是使用以下形式：差色匹配，互補(bǔ)色、對比等，（如圖2）所示。

（二）結(jié)構(gòu)與功能

1.結(jié)構(gòu)：座位深度設(shè)計(jì)：座位深度需要加深4cm，靠背可以變形到后傾8°，應(yīng)用三角形的穩(wěn)定性使得乘坐者更舒適和健康。

椅背設(shè)計(jì)：背椅設(shè)計(jì)嚙合人體背部曲線，不易使人產(chǎn)生腰酸疲勞等不適感，保證坐姿狀態(tài)下的近乎正常的腰曲弧線自行車的承載主要靠車身的主干車身、腳踏板以及扶手頭部承載。

尺寸選擇：座寬座寬按我國正常成人男女人體主要尺寸按所示的GB10000-88標(biāo)準(zhǔn)，座寬設(shè)計(jì)為430 mm。

腳踏板設(shè)計(jì)：雙向輪椅乘坐方式讓輪椅前后共用一個(gè)腳踏板，腳踏板通過一個(gè)360°可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸控制。

控制區(qū)把手設(shè)計(jì)：把手上面設(shè)置四個(gè)檔位，分別是剎車、加速、椅座向前傾斜和復(fù)位?？醋o(hù)者通過對把手的控制來幫助殘疾患者行走。而患者自己蚵以按扶手上面的按鍵來控制輪椅的行走狀態(tài)。

輪子設(shè)計(jì)：背靠時(shí)，大輪胎承載主要的重量，采用充氣輪胎。小輪在大輪之前。而非背靠的時(shí)候正好相反。

2.功能：兩種使用方式：分別為暫時(shí)使用方式和長時(shí)使用方式。通過調(diào)節(jié)扶手座椅高度和大小，達(dá)到不同的使用狀態(tài)，來滿足病人不同時(shí)間不同心理的要求，這樣能更科學(xué)合理地幫助病人行走以及在醫(yī)院里做一些檢查項(xiàng)目。部分殘疾患者在醫(yī)院的初期身體虛弱，做檢查或者上廁所的時(shí)候需要輪椅，看護(hù)者或者護(hù)士就可以利用這款輪椅更方便地協(xié)助患者完成這些事情。然而患者想出去散散心便可用正常的輪椅乘坐方式坐上輪椅。扶手、椅背、椅座的聯(lián)動間距調(diào)節(jié)：聯(lián)動機(jī)構(gòu)協(xié)和殘疾患者的身體尺寸進(jìn)行適應(yīng)調(diào)節(jié)。可以適合各種胖瘦的人來使用。扶手椅背的伸縮以及旋轉(zhuǎn)式椅座都為患者提供了很好的用戶體驗(yàn)，（如圖3）所示。

（三）材料與工藝：材料感覺特性的恰當(dāng)利用可以豐富產(chǎn)品的情感體驗(yàn)?？紤]到輪椅的使用壽命長短，主體材質(zhì)采用塑料和鋁合金材質(zhì)。椅座的材料需要自己選擇。為避免殘疾患者因?yàn)榫米鴫函?，設(shè)計(jì)選用ROTO墊，患者坐上后受壓面變成大量的受壓點(diǎn)，不斷地變換受壓點(diǎn)，避免經(jīng)常壓迫同一部位造成壓瘡。輪子天然橡膠即可?？紤]到輪椅的量產(chǎn)化以及曲面相對復(fù)雜，對于其成型工藝采用注塑成型。

（四）人機(jī)關(guān)系：輪椅和人的交互關(guān)系是人機(jī)關(guān)系良好的前提。當(dāng)人在使用輪椅或者坐上以及要下輪椅的時(shí)候，輪椅自身會對使用者產(chǎn)生反饋，進(jìn)而提醒看護(hù)者注意。并且輪椅可以像機(jī)器人一樣照顧殘疾患者的行走需求。通過加強(qiáng)筋的作用在增加把手強(qiáng)度的同時(shí)分散轉(zhuǎn)彎或誤操作中產(chǎn)生的扭力。把手可拆卸和調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同的適用人群，不同的使用人群可以根據(jù)自己的需要來調(diào)節(jié)把手的高度。

結(jié)論

此次設(shè)計(jì)是為了滿足殘疾患者以及看護(hù)者的需要。基于工業(yè)設(shè)計(jì)角度的輪椅創(chuàng)新設(shè)計(jì)更貼切地為特殊人群設(shè)計(jì)考慮。本設(shè)計(jì)用最舒適最方便的方式，讓殘疾患者更好地進(jìn)入完成行走移動的目的，調(diào)和殘疾患者的身心健康。在幫助行動不便的殘疾患者的同時(shí)，能減少周圍看護(hù)人、護(hù)士家人的護(hù)理壓力。從人機(jī)工學(xué)、造型、材料以及形態(tài)語言等多學(xué)科深入優(yōu)化方案，充分滿足病人陽行動不便的人的生理和心理需要。