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

冀濤

摘 要 基于人機工程學(xué)理論，利用CATIA V5為平臺，以康復(fù)器械為對象，根據(jù)傷殘患者對康復(fù)器械的需求，構(gòu)建三維人機模型，模擬人使用康復(fù)器械的過程，并且對舒適性等指標(biāo)進行測試，從而方便改進產(chǎn)品的缺陷和不足。

關(guān)鍵詞 人機工程；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，遠高于國民經(jīng)濟平均增長水平，我國龐大的人口基數(shù)決定了對康復(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)濟效益和社會效益，具有廣闊的發(fā)展前景。康復(fù)器械的設(shè)計與人體的各項生理參數(shù)及人機尺寸密切相關(guān)，本文中基于人機工程學(xué)理論，依據(jù)人體數(shù)據(jù)庫建立人體模型，利用軟件模擬人機過程，以數(shù)據(jù)為支撐分析人機環(huán)境，為康復(fù)器械優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，設(shè)計效率大幅提高，縮短開發(fā)周期，把康復(fù)產(chǎn)品真正的從理論到設(shè)計，制造一體化。

1 CATIA的人機工程模塊

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)計的初期階段進行人機工程學(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，人機工程學(xué)產(chǎn)品生成，人機工程學(xué)控制技術(shù)，動作生成及高級視覺仿真等。

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；提供的參考點包括：眼睛參考點，左腳參考點，右腳參考點，胯部參考點，最低腳參考點，默認參考點。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 人體測量編輯

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

1.3 人體的行為分析

HAA模塊用于對處于虛擬環(huán)境中的人機互動進行分析。在對人工作過程中的動作進行設(shè)定和存儲后，可以做出運動仿真，并且能夠利用模塊中的評價系統(tǒng)功能進行快速人機工程評價。

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)評估優(yōu)化。可以對人體各種姿態(tài)進行檢查分析，然后和舒適性數(shù)據(jù)庫內(nèi)的舒適性指標(biāo)進行比較，給出評估數(shù)據(jù)，從而針對實際應(yīng)用進行姿態(tài)優(yōu)化。

2 人機模型分析研究

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

人機系統(tǒng)主要由人和機兩個主要因素所構(gòu)成，利用CATIA V5的人機工程模塊，調(diào)用人體數(shù)據(jù)庫，根據(jù)操作器械的姿勢特定，建立人機工作環(huán)境，然后進行人機工程分析，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

考慮到人體四肢對康復(fù)訓(xùn)練的要求，本文以踏步機產(chǎn)品為例，運用虛擬設(shè)計方法在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 人機模型分析

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

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

進入Human Activity Analysis模塊，調(diào)用Reach Envelope命令進行上肢活動域分析。

在CATIA V5的人機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降低，紅色表示最小角度范圍人體關(guān)節(jié)活動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，手部和腰部動作及自由度，得出人在使用踏步機時的舒適度平均值。各關(guān)節(jié)自由度分別為大腿的兩個自由度，小腿的1個自由度，前臂的3個自由度，小臂的兩個自由度和腰部的兩個自由度[3]。

3 結(jié)束語

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

參考文獻

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

[2] 趙恒，趙軍輝.人機工程在醫(yī)療器械設(shè)計中的應(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)矯形器的機構(gòu)設(shè)計[J].機械制造，2008，46（8）：32-35.