基于Jack的老年電動代步車人機工程設計與優化

朱桐，宋端樹，張善超，白道靖，劉立

基于Jack的老年電動代步車人機工程設計與優化

朱桐，宋端樹*，張善超，白道靖，劉立

（江蘇師范大學，江蘇 徐州 221116）

滿足行動不便的老年用戶群體復雜的出行需求，提高電動代步車類工具使用過程中的舒適度。在傳統老年電動代步車的基礎上附加輔助站立結構，創新設計出一款坐、立兩用的新型電動代步車，并借助Jack仿真軟件，對老年用戶坐姿駕駛和輔助站立支撐狀態下的舒適度、可達域、可視域，以及上車過程中L4/L5下背部的受力情況進行分析，以驗證關鍵人機交互結構、尺寸設計的合理性及舒適性。通過驗證和調整，對電動代步車的初期設計方案進行改進，優化后的方案為老年電動代步工具的設計提供了參考，可以為滿足老年用戶復雜的出行需求、提高電動代步車類工具使用過程中的舒適度和安全性提供幫助。

工業設計；人機工程學；老年代步車；Jack

電動代步工具的普及和發展，為下肢活動不便的老年人提供了方便，成為確保老年用戶自主出行的有效手段。研究表明，電動代步車對老年人的活動度、社會參與度和生活質量均有顯著影響。國內外對電動代步車的研究局限于外觀造型[1-3]、使用需求[4-6]和技術可實現性[7]方面的研究，缺乏對人機合理性的研究。此外，老年群體久坐后易發生難以站立的情況，代步類工具中的輔助站立結構能夠促使老人進行間接的站立活動，從而緩解此類癥狀[8-9]，然而，現有的代步車大多為坐姿駕駛模式，沒有兼顧到用戶坐、立兩用的復雜需求。綜合上述問題，結合老年用戶的特征，設計出一款坐姿駕駛和輔助站立功能相結合的電動代步車，并借助Jack仿真軟件對該款電動車的主要交互結構進行人機合理性的驗證，以提高功能集成后該設計的合理性、安全性和舒適性。

1 Jack的人機仿真驗證流程

Jack是一款集三維仿真、虛擬人體建模、人因工效分析等主要功能于一體的仿真軟件[10]。用戶能夠自行導入三維模型來構建虛擬的仿真環境，對具有生物力學特性的虛擬人分配任務，并通過分析其行為來獲得所需信息。范沁紅等[11]利用Jack的碰撞檢測分析工具，驗證了虛擬人的背部與座椅靠背的貼合度；Liu等[12]通過分析Jack軟件中采集的仿真行為數據，得出人機操作過程中人體負荷的變化規律和趨勢預測；張文彥等[13]通過Jack的運動仿真功能對比分析出不同坐姿位置的舒適度；王年文等[14]借助Jack軟件分析座椅使用時對腰椎的受力情況，分析得出座椅的相對舒適角度區間。本文主要通過Jack對老年用戶使用電動代步車的行為進行仿真，評估其使用過程中的舒適度、可達域、可視域等方面，以驗證文中所設計的電動代步車結構的合理性和舒適性，并對存在的人因問題進行改正和方案優化。文中所涉及的仿真與驗證流程如圖1所示。

圖1 Jack仿真及驗證流程

2 設計方案

2.1 電動代步車的適老化設計

通過調研分析老年人群的日常生活習慣，了解老年人的基本生理特點和心理特點，以及影響老年電動代步車設計的相關因素。相關研究表明，老年用戶在生理方面出現身體尺寸變化、感官退化、肢體僵硬老化、活動能力變差等現象。與此同時，其在心理方面由于處理信息的能力與效率降低，容易出現自卑、焦慮和孤獨等負面情緒。因此，在設計時可以從舒適性、安全性、易用性、輕便性、靈活性等設計原則出發，在保證電動代步車基本功能的同時，使其設計更加適老化。本文老年用戶特征所對應的設計原則、設計要素及后續評估要素，如表1所示。

2.2 電動代步車的設計方案

根據市場上現有老年代步工具的基本結構和功能的調研，結合表1中用戶特征及設計因素分析進行電動代步車再設計。所設計的電動代步車結構可概括為操控部分、驅動部分和傳動部分。操控部分主要由操縱把手、膝板、胸托、座椅、扶手和安全帶等組成，如圖2所示；驅動部分包括操縱把手的升降及轉向控制、座椅抬升控制和車輪控制等功能；傳動部分由離合器、變速器、主減速器和差速器等部件組成，電動代步車由上述三部分共同協作以實現正常行駛。

該電動代步車以坐姿駕駛和輔助站立支撐兩種狀態為主，通過電動控制操作把手和座椅自主抬升，以實現上述兩種主要狀態的自由切換。此外，面對下肢存在功能障礙的老年用戶的特殊需求，此款電動代步車兩側設有扶手、可前后水平位移的椅面及可旋轉調節角度的靠背，以實現用戶自主地完成在日常坐具與代步車之間的遷移。本文主要依據表1中的評估要素，在Jack軟件中對所設計的電動代步車操控部分的關鍵結構，進行人機工效方面的驗證。

3 人機工程仿真分析

3.1 虛擬人模型建立

在Jack軟件的虛擬人尺寸數據庫里中國人的尺寸是1989年18～60歲男性和18～55歲女性成年人體尺寸信息，不符合本文研究老年用戶的尺寸需求。目前，我國在老年人體尺寸方面的研究不夠完善，尚未建立一個能夠滿足適老化設計需求的人體尺寸數據庫。所以本文在驗證時，所需的虛擬人尺寸數據參考了胡海滔[15]研究的中國老年用戶身體尺寸。為驗證該代步車可以最大程度地適應不同身高體型的老年用戶，在Jack中所創建的被測虛擬人選取65～69歲年齡組中第95百分位男性老年用戶人體尺寸作為設計上限，第5百分位女性老年用戶人體尺寸作為設計下限，如圖3所示。

表1 老年用戶特征及相應的設計與評估要素

Tab.1 Characteristics of elderly users and corresponding design and evaluation elements

圖2 電動代步車的基本結構

圖3 P5女和P95男虛擬人模型建立

3.2 舒適度分析

3.2.1 駕駛姿勢舒適度分析

圖4 電動代步車結構的相關參數定義

表2 P5女和P95男與坐姿相關的身體尺寸

Tab.2 Body dimensions related to sitting posture for P5female and P95male mm

圖5 坐姿舒適度分析圖

3.2.2 上車過程動態仿真分析

該代步車的創新設計部分包括座椅椅面可平移及靠背可翻轉，使下肢功能障礙的用戶可借助兩側扶手實現從日常坐具遷移至代步車上，因此，保證這一過程中的舒適性和安全性尤為重要。上車過程描述：上車前，用戶可通過按動座椅底部相應的按鈕，將靠背向外側旋轉150°至座椅底部支撐柱相平行的位置，座椅椅面兩端向下折疊，座椅椅面可以根據需求向后平移，完成該系列準備后用戶從代步車后側進行遷移。在用戶完成遷移上車并調整好坐姿之后，可按動座椅下方的按鍵，靠背、椅面可恢復原來位置。最后，手動調節胸托至舒適位置并鎖定，連接靠背安全帶。為使產品更適用于老年用戶日常居家生活情景，本文選取用戶從床轉移到電動代步車上的過程來研究，借助Jack中的動畫制作工具Animation進行動態仿真，并利用下背部受力分析工具（Lower Back Analysis）分析下背部L4/L5的受力情況，以驗證遷移過程中的舒適性。

圖6 P95男在站立支撐狀態下靜態強度分析圖

在驗證前搭建好完整的仿真環境，在Jack中導入電動代步車的3D模型、標準單人床2 000 mm× 1 500 mm×610 mm的3D模型，與被測虛擬人模型進行匹配。在Animation動畫制作窗口依次添加虛擬人從床上轉移到代步車上的過程動作，以完成該流程的動態仿真設計。以P95老年男性用戶為例，將用戶從床上轉移到代步車上的過程簡化為四個階段，分別為：階段1，坐姿前伸雙手分別觸及兩側扶手；階段2，雙手支撐扶手起身；階段3，支撐扶手身體前移；階段4，雙手支撐扶手緩慢坐下。如圖7a～d所示。

圖7 P95男從床上轉移到代步車的過程

在仿真動畫制作完成后，分別對這四個階段進行受力分析，可將受力情況簡化，如圖8所示，并滿足式（1）～（2）。

圖8 P95男上車姿勢靜力學分析圖

圖9 P95男在階段2時的L4/L5受力情況

表3 雙手受力為被試者體重的1/4時各階段的L4/L5受力情況

Tab.3 L4/L5 stress situation at each stage when the stress on both hands is 1/4 of the subject's body weight

3.3 可達域分析

3.4 可視域分析

圖10 虛擬人上肢可達域分析圖

圖11 P5女可視域分析圖

4 方案設計優化

4.1 方案優化概述

上述分析結合人機工程學的相關規定與推薦值[18]，對該款電動代步車的初期設計方案進行人機優化，以確保不同身高體態的老年用戶能夠輕松地實現對該款代步車的操控，改進前后的對比尺寸如表4所示，優化后的方案如圖12所示。

表4 方案優化前后的尺寸對照

Tab.4 Comparison of dimensions before and after scheme optimization

圖12 優化后的方案效果圖

1）視野性能的改進。操縱界面布局重新優化并將其寬度擴大至20 mm；固定護罩形狀優化并將其高度修改為517 mm，避免身高較矮、視線較低的用戶忽視前端視野盲區障礙物。在固定護罩的形式上，考慮到用戶上下車的便利性，防止過程中造成不必要的磕碰，方案刪減掉固定護罩和踏板間的三角形連接裝飾物。

2）兩側扶手的改進。經過前文驗證兩側扶手的固定高度設置為740 mm時，對不同用戶的適應性最佳，因此優化后的方案選用該高度，且仍采用后側上下車的方式。此外，依據人機工學抓握要求，將半徑修改為48 mm，且附加一定面積的防滑橡膠材質，以便于用戶在使用的過程中既省力又安全。

3）座椅靠背的改進。在駕駛過程中，舒適的駕駛坐姿座椅靠背的角度在100°～110°，將靠背默認角度調整為100°，并可進行靈活調節；根據人體背部骨骼及肌肉特征，并為更好地貼合用戶身型將座椅靠背結構前移54 mm。安全性方面，安全帶設置在座椅靠背的兩側，可伸縮調節，與胸托兩側的卡扣相連接，卡扣與卡槽處內置磁吸結構，方便用戶在使用時可自主定位連接位置。

4）操作把手與座椅的水平間距改進。座椅與操縱把手之間的舒適距離通常為250～350 mm，座椅設置為可前后調節結構，前后可水平位移量為100 mm，兩側留有充分的容腳空間；此外，原固定件膝板設計為前后可水平位移的結構，位移量設置為200 mm。

4.2 優化后的方案驗證

對優化后的電動代步車的結構再次通過Jack進行人機仿真，驗證結果總結如表5所示。結果表明：優化后的電動代步車的舒適度、可達性、可視性在一定程度上都得到改善。

表5 優化方案驗證結果

Tab.5 Validation result of optimized scheme

5 結語

通過分析老年用戶特性和使用需求，在傳統電動代步車的基礎上添加了輔助站立支撐等適老化結構。借助Jack軟件驗證了設計過程中所參考的尺寸范圍的合理性，并依據驗證結果，對電動代步車進行人機方面的優化。有效提高了老年電動代步車的安全性和舒適性，為今后設計人員驗證和評估此類產品提供了參考。在驗證中虛擬人物尺寸所參考的老年用戶數據庫具有一定的局限性，后續研究中將選取更具代表性的尺寸數據，以進一步優化電動代步車的人機適配性。

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Structural Design and Layout Optimization of Electric Scooter Based on Jack

ZHU Tong, SONG Duanshu*, ZHANG Shanchao, BAI Daojing, LIU Li

(Jiangsu Normal University, Jiangsu Xuzhou 221116, China)

The work aims to meet the complex travel needs of elderly users with limited mobility and improve the comfort of electric scooter tools during use. On the basis of traditional electric scooters for the elderly, an auxiliary standing structure was added to innovate in the design of a new type of electric scooter that could be used for both sitting and standing. With the help of Jack simulation software, the comfort, accessibility, and visibility of elderly users in sitting and auxiliary standing support states, as well as the stress on the lower back of L4/L5 during the boarding process, were analyzed to verify the rationality and comfort of key human-machine interaction structures and size designs. Through verification and adjustment, the initial design scheme of electric scooters has been improved. The optimized scheme provides a reference for the design of electric scooters for the elderly, which can meet the complex travel needs of elderly users and improve the comfort and safety of electric scooter tools during use.

industrial design; ergonomics; elderly scooter; Jack

TB472

A

1001-3563(2024)04-0107-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.04.011

2023-09-08

江蘇師范大學研究生科研與實踐創新計劃項目(2022XKT0361)；江蘇省重點研發計劃（社會發展）項目（BE2016651）；徐州市重點研發計劃（社會發展）項目（KC22281）