老年人輕便手動(dòng)輪椅人機(jī)仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

魏愷祺， 伏嘉裕， 宗 威

（中國礦業(yè)大學(xué) 建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院， 江蘇 徐州221116）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高和醫(yī)療衛(wèi)生條件的改善，我國的人口年齡結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化[1]。WHO 報(bào)告指出，在全球老齡化背景下， 中國人口老齡化進(jìn)程正在加速，60歲以上老年人占全國人口的比例將由2010 年的12.4%（1.68 億）上升至2040 年的28%（4.02 億）[2]。 聯(lián)合國1956年在 《人口老齡化及其社會(huì)經(jīng)濟(jì)后果》 中確定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)國家或地區(qū)六十五歲及以上老年人口占總?cè)丝诔霭俜种撸痛磉@個(gè)國家或地區(qū)進(jìn)入了老齡化。中國目前正在加速進(jìn)入重度老齡化社會(huì)。 但與宏觀經(jīng)濟(jì)水平提高相反，國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，中國居民消費(fèi)水平隨著收入水平的增加而提高，但消費(fèi)增速低于收入增速，人均消費(fèi)支出占人均可支配收入的比重由2013 年的72.2%降至2017 年的70.54%[1]。 面對(duì)費(fèi)用高昂的住院治療及緊張的醫(yī)療資源，先天性行動(dòng)生理障礙人群，膝關(guān)節(jié)退行性損傷人群（由衰老引起的生理機(jī)能退化）及短期或長期意外致腿部殘人群傾向于選擇價(jià)格親民的家用醫(yī)療產(chǎn)品及服務(wù)。 與發(fā)達(dá)國家相比，我國健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠不足[3]，數(shù)據(jù)表明，2013 年我國康復(fù)醫(yī)療市場僅為200 億元，相較于美國市場占比3%，潛在康復(fù)產(chǎn)業(yè)市場需求巨大。

手動(dòng)輪椅是本次設(shè)計(jì)研究關(guān)注的主要問題， 它是在資源較少的環(huán)境中，輔助行動(dòng)困難的人進(jìn)行移動(dòng)的設(shè)備，可以在他人的幫助下推動(dòng)。 目前市面上有一些電動(dòng)輪椅是采用控制盒來操縱， 不再需要乘坐者徒手轉(zhuǎn)動(dòng)輪椅來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，但輪椅本身作為一種人乘坐的代步工具，和使用者關(guān)系密切，在設(shè)計(jì)中與人機(jī)工程學(xué)也是息息相關(guān)的，且目前電動(dòng)輪椅的價(jià)格相對(duì)高昂， 國內(nèi)還有大量低收入人群難以負(fù)擔(dān)。 因此本次選取市面上現(xiàn)有的一款輕便型的手動(dòng)輪椅作為設(shè)計(jì)研究的對(duì)象。

1 基于Jack 軟件的現(xiàn)有輕便手動(dòng)輪椅仿真分析

Jack 是Siemens 公司旗下的一款人機(jī)工程學(xué)軟件，最早由賓夕法尼亞大學(xué)人體建模和仿真中心研發(fā)，在工程、服務(wù)業(yè)、制造業(yè)以及軍事領(lǐng)域等都被廣泛應(yīng)用[4]。 它主要包括靜態(tài)、動(dòng)態(tài)仿真、數(shù)字人體建模、人機(jī)工程分析等功能。 Jack 軟件中內(nèi)置了不同國家不同性別各個(gè)百分位的人體尺寸數(shù)據(jù)，還能夠?qū)隫is、VRML2.0、IGES 等多種格式的三維模型， 并應(yīng)用軟件內(nèi)的相關(guān)分析模塊對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行一系列人機(jī)工程仿真分析[5]。

1.1 仿真環(huán)境創(chuàng)建

（1）現(xiàn)有輕便手動(dòng)輪椅三維模型創(chuàng)建。本次設(shè)計(jì)研究的對(duì)象是市面上現(xiàn)有的一款輕便型手動(dòng)輪椅， 該輪椅面向的是肢體運(yùn)動(dòng)困難， 不具備自行驅(qū)動(dòng)輪椅能力的老年人用戶。 輪椅可乘坐一人， 并需由一位操縱人員進(jìn)行推動(dòng)，輪椅整體造型結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 輪椅整體造型結(jié)構(gòu)

（2） 基于Jack 軟件的三維人體模型創(chuàng)建。 根據(jù)本次研究需要，本文中成年人人體尺寸部分依據(jù)《中國成年人人體尺寸GB/T10000-1988》[6]。 目前暫無中國老年人人體尺寸數(shù)據(jù)的官方標(biāo)準(zhǔn)， 因此老年人人體尺寸部分本文依據(jù)2005 年清華大學(xué)工業(yè)工程專業(yè)和P&G 公司在 “中國老年人行為仿真” 研究中得到的老年人人體尺寸數(shù)據(jù)[7]。乘坐人員和操縱人員分別選取身高體重為第95 百分位的中國老年男性和第50 百分位的中國成年男性作為研究對(duì)象。 在Jack 軟件中的人體創(chuàng)建模塊，采用內(nèi)置的中國成年人人體數(shù)據(jù)和精確人體定義分別創(chuàng)建出第95 百分位的中國老年男性和第50 百分位的中國成年男性的數(shù)字人體模型， 見圖2。

圖2 數(shù)字人體模型創(chuàng)建

（3）手動(dòng)輪椅模型導(dǎo)入。 為了減小模型大小，在保證關(guān)鍵點(diǎn)位的前提下將輪椅模型進(jìn)行精簡， 在Rhino 中導(dǎo)出stl 格式模型，并將精簡后的stl 格式輪椅模型導(dǎo)入Jack 軟件中， 將創(chuàng)建的兩個(gè)人體模型分別進(jìn)行調(diào)整，并與輪椅配合，見圖3。

1.2 輪椅乘坐人員人機(jī)仿真分析

圖3 人體模型與輪椅配合

（1）下背部受力分析。 Jack 中的下背部受力分析（Lower Back Analysis）能得到指定得到的條件下人體脊椎受力對(duì)下背部的影響，從而判斷數(shù)字人進(jìn)行的該項(xiàng)動(dòng)作任務(wù)的下背部受力情況是否能符合NIOSH （ The National Institute for Occupational Safety and Health，美國職業(yè)安全衛(wèi)生研究所）提供的標(biāo)準(zhǔn)。 除此以外，還可判斷該項(xiàng)作業(yè)是否會(huì)增加人的受傷幾率。 分析結(jié)果，見圖4。 從分析結(jié)果來看，在該姿勢下乘坐人員的脊椎受力僅為458 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于3400 N 的標(biāo)準(zhǔn)值，受傷的風(fēng)險(xiǎn)也很小。 所受的力矩也非常小，幾乎沒有肌肉緊張程度。

（2）舒適度評(píng)價(jià)。 使用Jack 軟件OPT（Occupant Packaging Toolkit）模塊中的舒適度 評(píng) 價(jià)（Comfort Assessment）功能，選擇 Dreyfuss2D數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源，分別對(duì)頭部屈曲、 上臂屈曲、肘關(guān)節(jié)部位、腕部屈曲、 大腿小腿部位、膝關(guān)節(jié)部位等進(jìn)行舒適度評(píng)價(jià)。由圖5 中可知，乘坐人員的膝關(guān)節(jié)部位以及大腿和小腿的舒適性不能夠得到滿足，其他部位均處在舒適度范圍內(nèi)。調(diào)整數(shù)字人后可知膝關(guān)節(jié)部位和腿部的舒適度不足是踏板的位置不合適造成的。

圖4 下背部受力分析窗口

圖5 舒適度評(píng)價(jià)窗口

1.3 輪椅操縱人員人機(jī)仿真分析

（1）工作姿勢分析。 工作姿勢分析（Ovako Working Posture Analysis）是評(píng)價(jià)背部、手臂、腿部等在工作狀態(tài)下不舒適程度的一種工具。 評(píng)價(jià)這一姿勢對(duì)操作者造成損害或損傷的概率大小。 工作姿勢分析結(jié)果，見圖6。 由分析結(jié)果來看，該姿勢下肌肉的負(fù)載在合理范圍內(nèi)，不需要采取優(yōu)化改進(jìn)措施。

圖6 工作姿勢分析窗口

（2） 新 陳 代 謝分析。 新陳代謝分析（Metabolic Energy Expenditure） 可以計(jì)算出某一項(xiàng)作業(yè)任務(wù)所耗費(fèi)的能量多少。 分析作業(yè)任務(wù)的能量消耗并確認(rèn)該值是否超過美國職業(yè)安全衛(wèi)生研究所規(guī)定的最大值。 每項(xiàng)任務(wù)的代謝能量消耗包括動(dòng)作代謝能量和姿勢能量消耗。 新陳代謝分析結(jié)果，見圖7，從分析結(jié)果中可知，該項(xiàng)任務(wù)消耗的能量為6.715cal/min，比8.245cal/min的上限要低，這說明此項(xiàng)作業(yè)任務(wù)并不會(huì)造成肌肉的過度疲勞和損傷。

圖7 新陳代謝分析窗口

2 輕便折疊輪椅優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)現(xiàn)有輕便折疊輪椅的人機(jī)仿真分析之后，發(fā)現(xiàn)人機(jī)問題主要集中在踏板處，因此對(duì)踏板做出優(yōu)化設(shè)計(jì)。 原有扶手、坐墊和靠背的設(shè)計(jì)不能很好地貼合人體生理曲線，對(duì)舒適度也有一定影響，因此也對(duì)這些部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 踏板優(yōu)化設(shè)計(jì)

踏板位置過于靠上靠后，對(duì)于第95 百分位的老年人乘坐者來說舒適度欠佳，為了滿足乘坐人員舒適度的需求， 將踏板原有的固定設(shè)計(jì)改成可調(diào)式設(shè)計(jì)，見圖8。

圖8 踏板優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2 扶手優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖9 扶手優(yōu)化設(shè)計(jì)

扶手部分原本為鋼管型材包覆軟質(zhì)橡膠，不能很好地貼合腕部的曲線， 影響舒適度。 且原有的扶手長度偏短，起不到支撐上臂的作用因此將原有的設(shè)計(jì)修改，見圖9。

2.3 靠背及坐墊優(yōu)化設(shè)計(jì)

原有靠背和坐墊均為平面，舒適度較差。 靠背側(cè)面的曲線應(yīng)當(dāng)與人體腰椎曲線保持一致，能讓乘坐人員保持脊柱的正常生理曲度，因此將靠背與坐墊的設(shè)計(jì)修改，見圖10。

圖10 靠背及坐墊優(yōu)化設(shè)計(jì)

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)后輪椅人機(jī)仿真驗(yàn)證

由于是在原有輪椅基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 部分部件如把手處等已滿足人機(jī)工程學(xué)的部分并沒有重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此只對(duì)乘坐人員進(jìn)行舒適度分析、下背部受力分析和靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)后方案的可行性。

3.1 輪椅模型導(dǎo)入與配合

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的輕便折疊輪椅模型見圖11。為了便于進(jìn)行人機(jī)仿真，在保證關(guān)鍵點(diǎn)位置不變的前提下將模型進(jìn)行簡化， 在Rhino 軟件中將模型導(dǎo)出為stl 格式，并導(dǎo)入人機(jī)工程仿真軟件Jack 中，并對(duì)之前創(chuàng)建的第95 百分位中國老年人人體模型和第50 百分位中國成年人人體模型進(jìn)行姿勢調(diào)整， 與導(dǎo)入的輪椅模型配合見圖11。

3.2 下背部受力分析

圖11 人體模型與優(yōu)化設(shè)計(jì)后輪椅配合

分析結(jié)果，見圖12，該項(xiàng)作業(yè)脊椎受力僅為464N，遠(yuǎn)低于美國職業(yè)安全衛(wèi)生研究所規(guī)定的上限3400 N， 受傷風(fēng)險(xiǎn)小，所受的力矩也較小，肌肉緊張程度較低。

圖12 下背部受力分析窗口

3.3 舒適度分析

分析結(jié)果見圖13，頭部屈曲、上臂屈曲、肘關(guān)節(jié)部位、腕部屈曲、大腿小腿部位、膝關(guān)節(jié)部位的舒適性均能得到保證。

圖13 舒適度評(píng)價(jià)

4 結(jié)束語

在我國當(dāng)前老齡化問題逐漸凸顯的大背景下， 適老產(chǎn)品的設(shè)計(jì)越來越受到重視。 本文針對(duì)該款輕便手動(dòng)輪椅人機(jī)工程學(xué)研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)是一次有意義的探索。本次設(shè)計(jì)研究采用人機(jī)仿真軟件Jack 軟件對(duì)輕便手動(dòng)輪椅進(jìn)行了人機(jī)工程學(xué)仿真分析， 對(duì)原有輕便手動(dòng)輪椅中不符合人機(jī)工程學(xué)的地方進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。 經(jīng)過Jack 軟件的驗(yàn)證，確認(rèn)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的輪椅提高了乘坐人員的舒適性和安全性。 后續(xù)進(jìn)一步的研究將會(huì)采用動(dòng)作捕捉技術(shù)結(jié)合人體生物力學(xué)仿真， 對(duì)某款輪椅的使用者手動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪椅的過程進(jìn)行仿真分析， 在生物力學(xué)仿真軟件中采集肌群力量數(shù)據(jù)，從而對(duì)輪椅的車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出更符合人體工程學(xué)的輪椅結(jié)構(gòu)。