人機工程學在老年人輪掎設計中的應用研究

仝幗英

摘要：我國即將迎來老齡化社會，那些由于行動不便而必須使用輪椅的老人也會越來越多，但對于長時間坐在輪椅上的老人來說，很容易會產生疲勞感和不適感。本文先對人機工程學進行了簡單的介紹，進而對基于人機工程學下老年人輪椅的舒適性進行了研究，并對基于人機工程學下老年人輪椅的輕量化進行了分析，希望本文的研究成果能夠為老年人輪椅的改造及創新提供技術方面的支持。

關鍵詞：人機工程學；老年人輪椅；輕量化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.198

1人機工程學

1.1人機工程學的定義

人機工程學是一門由人體科學、勞動學、管理學以及工程學交叉形成的邊緣型學科。它研究的內容主要是人體處在某個工作環境時的身體機能運行情況和各個器官工作情況等要素；研究人體、機器、環境三者之間的相互影響情況；研究人們在工作、生活與娛樂時面對效率、健康、安全和舒適度等狀況如何系統性地考慮的新型學科。

1.2人機工程學在老年人輪椅中的應用

有關調查表明，老年人長時間坐在輪椅上會產生不舒適的感覺，這是因為普通輪椅其相應的坐墊與靠背并沒有同人機工程學的設計原理結合起來，這自然無法讓老年人坐在輪椅上時產生舒適感。坐墊與靠背這兩個部分是影響老年人坐在輪椅上的舒適感的最關鍵的因素，應盡量讓老年人的脊柱處在一個符合生理需求的體位，并維持在正常生理需求的曲度范圍內。

2基于人機工程學下對老年人輪椅舒適性的研究

2.1老年人輪椅舒適性坐墊曲面研究

當前，大多數輪椅的坐墊都是由不算太硬的布墊制作的，這種材質與老年人的生理結構有一定的矛盾，所以老年人坐在這樣的輪椅上時很容易感覺到疲勞。但如果老年人直接坐在輪椅自帶的坐墊上，坐骨結節就會承受過大的壓力，這個壓力往往要超出毛細血管端所能承受壓力的范圍，導致缺血以及壓瘡的出現。若想克服這一問題，我們可以向所設計的輪椅座面上參照老年人的坐態和體壓及其相應的分布特點，設計一層不太軟也不太硬的坐墊，來確保輪椅的舒適度。

2.2老年人輪椅舒適性靠背研究

輪椅的靠背曲面會對老年人的舒適性和健康產生直接的影響，但靠背曲面如何提高舒適度這一問題會涉及到是很多不同類型的學科及知識，并且需要對這些學科和相關知識加以綜合地應用，存在著超出想象的難度。老年人由于年紀的增大，身體的機能和狀態也都出現了一系列的變化，骨組織的重量也越來越輕。從有關資料可知，男性骨質大約每10年減少4%，女性骨質大約每10年減少8%，所以骨質疏松癥在高齡老人和分娩次數較多的老年婦女中較為常見，在設計老年人輪椅的靠背曲面時，必須充分考慮這些因素對老年人舒適度的影響。

以對老年人的輪椅背靠曲面進行建模來分析，在本文中，計算機的輔助設計工作是憑借PRO/E平臺來實現的。這個模型的基礎理論是自由曲面建模理論，并結合了實物模型技術和表層模型技術，用曲線形狀的網格和點位分散的網格來定義模型的形狀。這個定義措施制造出的曲面形狀的模型可以憑借改變定義的曲線形狀、改變原先的參數的數值、改變原有幾何圖形所對應的數學特征等策略來完成對模型的掌控、改造、輸入等操作步驟，并根據上面的結果來算出靠背的曲面形狀的大的模型的曲率和對應的實際尺寸。

模型的形狀特征、曲率、和實際尺寸都符合要求的輪椅靠背，能夠有效地讓人體省去很多沒有意義的肌肉工作。由于老年人使用輪椅的時候往往會向后靠，讓自己的身體處在一個更加放松的姿態，所以在研制老年人輪椅的靠背時應該以肩靠的形態為主。但是，老年人坐在輪椅上時不可能總向后傾，當他們累的時候也會對自己的坐姿加以調整。

3基于人機工程學下對老年人輪椅輕量化的分析

3.1坐墊結構的有限元分析

想要利用人機工程學理論來實現老年人輪椅的輕量化，就必須對坐墊結構和輪椅結構分別進行有限元分析。在現代化的有限元的分析策略中，很多有限元的建立模型都是根據幾何圖形的知識作為基礎理論并加以升級而建造出來的，只有一小部分的有限元的建立模型是直接使用有限元所在的分散網格中進行模擬操作而加工形成的，如果事先就有大量的準去無誤的數據的話，可以使用第二種制造模型的措施，但其操作量要比第一種方法大很多。

3.2輪椅結構的有限元分析

和建立坐墊的曲面形狀的模型的辦法相同，建立輪椅的形態及其結構的數學模型也要使用PRO/E才能完成，并向其中導入I-DEAS軟件來對其采取分析和驗證有限元的操作。在I-DEAS中建立輪椅的車身和對應的骨架模型之前，必須先對原本比較復雜的模型進行一定程度的簡化，這樣能夠建模所需的時間得到大幅度地減少，并使主要問題更加突出。在對輪椅結構的有限元進行建模時，具體的簡化方法和步驟如下：

（1）向PRO/E的內部導入輪椅在裝配時的實際結構特點的過程極其復雜，但是一些結構的特點只是想要符合結構在使用時被標記在上面的很多無關緊要的要求而制作的，并不是按照對輪椅裝配結構自身強度的要求而制作的，如兩側建造出來的擋板，用腳踏在上面的木板和起到連接作用的部件等。

（2）螺孔與螺釘之間的連接部位需要利用實體化的連接措施來完成簡化等操作。

（3）螺紋和露眼的孔等特殊結構，需要按照截面的實際性狀和其具有的特點完全一致的基礎上，將這些部件的結構加以簡化，結構特點只是小程度地影響截面特性的部分可以把它們全都扔掉。

4總結

綜上所述，老年人輪椅在構造及設計上與普通輪椅存在較大的差別，尤其是在輪椅的舒適度和輕量化上更為明顯。筆者通過對輪椅的結構以及老年人的特點進行綜合分析，巧妙地將人機工程學應用到了輪椅的研究設計當中，這樣才能使老年人輪椅擁有舒適性、輕量化等特征，更加適合老年人使用。我們可以相信，對老年人輪椅的研究在未來必將成為輪椅設計制造領域中的一個重要方向。