基于CATIA V5人機(jī)工程學(xué)分析方法在康復(fù)器械中的應(yīng)用研究

冀濤

摘 要 基于人機(jī)工程學(xué)理論，利用CATIA V5為平臺(tái)，以康復(fù)器械為對(duì)象，根據(jù)傷殘患者對(duì)康復(fù)器械的需求，構(gòu)建三維人機(jī)模型，模擬人使用康復(fù)器械的過程，并且對(duì)舒適性等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，從而方便改進(jìn)產(chǎn)品的缺陷和不足。

關(guān)鍵詞 人機(jī)工程；康復(fù)器械；仿真模型

前言

近幾年來康復(fù)器械行業(yè)飛速發(fā)展，平均增速在25%到30%之間，遠(yuǎn)高于國民經(jīng)濟(jì)平均增長(zhǎng)水平，我國龐大的人口基數(shù)決定了對(duì)康復(fù)器械的巨大需求。以輔助器械為代表的殘疾人服務(wù)產(chǎn)業(yè)兼具經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有廣闊的發(fā)展前景。康復(fù)器械的設(shè)計(jì)與人體的各項(xiàng)生理參數(shù)及人機(jī)尺寸密切相關(guān)，本文中基于人機(jī)工程學(xué)理論，依據(jù)人體數(shù)據(jù)庫建立人體模型，利用軟件模擬人機(jī)過程，以數(shù)據(jù)為支撐分析人機(jī)環(huán)境，為康復(fù)器械優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，設(shè)計(jì)效率大幅提高，縮短開發(fā)周期，把康復(fù)產(chǎn)品真正的從理論到設(shè)計(jì)，制造一體化。

1 CATIA的人機(jī)工程模塊

1.1 標(biāo)準(zhǔn)人體模型的構(gòu)造

CATIA V5的HBR模塊是在虛擬環(huán)境中建立和管理標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化“虛擬”人體模型，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期階段進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)交互分析。HBR提供的工具包括：人體模型生成，性別和身高百分比定義，人機(jī)工程學(xué)產(chǎn)品生成，人機(jī)工程學(xué)控制技術(shù)，動(dòng)作生成及高級(jí)視覺仿真等。

CATIA V5提供的人體數(shù)據(jù)庫中包括美國人，法國人，韓國人，可以調(diào)用全身模型；提供的參考點(diǎn)包括：眼睛參考點(diǎn)，左腳參考點(diǎn)，右腳參考點(diǎn)，胯部參考點(diǎn)，最低腳參考點(diǎn)，默認(rèn)參考點(diǎn)。本文是根據(jù)中國男性的人體具體尺寸自行建立的人體模型，人體數(shù)據(jù)采用第50百分位[1]。

1.2 人體測(cè)量編輯

CATIA V5的HME模塊提供了6種預(yù)設(shè)姿勢(shì)包括：立姿，側(cè)平舉，坐姿，跪姿，前平舉，延伸平舉。可以對(duì)人體模型預(yù)先設(shè)定1種姿勢(shì)，然后在此姿勢(shì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。HME模塊允許設(shè)計(jì)人員通過人體測(cè)量學(xué)工具生成自定義的人體模型，模塊可以對(duì)人體模型工作空間進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)人體和產(chǎn)品的吻合度。

1.3 人體的行為分析

HAA模塊用于對(duì)處于虛擬環(huán)境中的人機(jī)互動(dòng)進(jìn)行分析。在對(duì)人工作過程中的動(dòng)作進(jìn)行設(shè)定和存儲(chǔ)后，可以做出運(yùn)動(dòng)仿真，并且能夠利用模塊中的評(píng)價(jià)系統(tǒng)功能進(jìn)行快速人機(jī)工程評(píng)價(jià)。

1.4 人體的姿態(tài)分析

HPA姿態(tài)分析分析模塊所包含功能有5種：姿態(tài)編輯，自由度的選擇和編輯，角度界限編輯，首選角度，姿態(tài)評(píng)估優(yōu)化。可以對(duì)人體各種姿態(tài)進(jìn)行檢查分析，然后和舒適性數(shù)據(jù)庫內(nèi)的舒適性指標(biāo)進(jìn)行比較，給出評(píng)估數(shù)據(jù)，從而針對(duì)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行姿態(tài)優(yōu)化。

2 人機(jī)模型分析研究

康復(fù)器械的主要功能是幫助人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練和康復(fù)評(píng)估，其與人的關(guān)系緊密，所以在康復(fù)器械的設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮到人機(jī)工程學(xué)問題。本文以（踏步機(jī)的設(shè)計(jì)）為例，說明并分析人機(jī)工程學(xué)在康復(fù)器械設(shè)計(jì)中的具體過程及應(yīng)用。

人機(jī)系統(tǒng)主要由人和機(jī)兩個(gè)主要因素所構(gòu)成，利用CATIA V5的人機(jī)工程模塊，調(diào)用人體數(shù)據(jù)庫，根據(jù)操作器械的姿勢(shì)特定，建立人機(jī)工作環(huán)境，然后進(jìn)行人機(jī)工程分析，使康復(fù)器械最大程度上舒適性，有效性，安全性和方便性[2]。

2.1 產(chǎn)品模型建立

考慮到人體四肢對(duì)康復(fù)訓(xùn)練的要求，本文以踏步機(jī)產(chǎn)品為例，運(yùn)用虛擬設(shè)計(jì)方法在CATIA V5中生成產(chǎn)品模型。

2.2 人體模型建立

人體模型的建立是以GB/T 10000—1988為人體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。所選產(chǎn)品主要用戶年齡分布是23—65歲，所以按照男性50歲，百分位50%為例。

2.3 人機(jī)模型分析

將生成的人體模型和產(chǎn)品模型放在一個(gè)環(huán)境中進(jìn)行裝配，然后調(diào)用人機(jī)工程分析模塊進(jìn)行分析。首先進(jìn)行人體各部位強(qiáng)度分析，綠色表示所受強(qiáng)度較小，黃色一般，紅色表示所受強(qiáng)度較大。

人體模型手部位置，進(jìn)入Human Builder模塊，使人體手部動(dòng)作姿勢(shì)呈抓握方式配合產(chǎn)品手柄部分尺寸。

進(jìn)入Human Activity Analysis模塊，調(diào)用Reach Envelope命令進(jìn)行上肢活動(dòng)域分析。

在CATIA V5的人機(jī)工程模塊的首選角度的控制中，白色表示最大角度范圍，此范圍內(nèi)人體關(guān)節(jié)得到充分鍛煉但人體舒適度相對(duì)降低，紅色表示最小角度范圍人體關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍小沒有得到充分鍛煉，綠色為最佳角度范圍。

通過分析大腿，小腿，前臂，小臂，手部和腰部動(dòng)作及自由度，得出人在使用踏步機(jī)時(shí)的舒適度平均值。各關(guān)節(jié)自由度分別為大腿的兩個(gè)自由度，小腿的1個(gè)自由度，前臂的3個(gè)自由度，小臂的兩個(gè)自由度和腰部的兩個(gè)自由度[3]。

3 結(jié)束語

本文利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的虛擬人機(jī)開發(fā)功能，以CATIA V5中的人機(jī)工程模塊為平臺(tái)，對(duì)康復(fù)器械的開發(fā)進(jìn)行人機(jī)工程測(cè)試，以踏步機(jī)為例討論了康復(fù)器械設(shè)計(jì)中人機(jī)功能的具體應(yīng)用，康復(fù)器械的訓(xùn)練和人體密切相關(guān)，在設(shè)計(jì)初期快速有效的分析出人機(jī)特性，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中的人機(jī)功能方面的不足，并加以改進(jìn)。本文對(duì)人使用以踏步機(jī)為例的康復(fù)器械訓(xùn)練過程進(jìn)行了仿真模擬，分析了其在各種使用狀態(tài)下的具體數(shù)據(jù)，并且從舒適度和運(yùn)動(dòng)功能角度對(duì)人體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。在進(jìn)行人機(jī)工程仿真分析后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品人機(jī)功能方面的不足，提出合理化的改進(jìn)建議。使康復(fù)器械領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)有了更直觀可靠的人機(jī)工程評(píng)價(jià)方法，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加符合人機(jī)工程功能要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 李震，張金海，劉繼柱，等.人機(jī)工程在醫(yī)療器械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)療器械信息，2012，18（8）：1-5.

[2] 趙恒，趙軍輝.人機(jī)工程在醫(yī)療器械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].醫(yī)療裝備，2016，29（24）：38-39.

[3] 曹辰，錢晉武，馮治國，等.下肢步態(tài)矯形器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造，2008，46（8）：32-35.