基于AHP和ANSYS的養老院共享輪椅設計與研究

摘要：文章旨在研究養老院的輪椅設施使用現狀，并提出養老院共享輪椅的方案，鼓勵老人們走出房間，與其他老人交流和建立社交關系，提高養老生活質量。運用層次分析法得到具體需求權重，進行養老院共享輪椅設計，通過ANSYS有限元分析驗證該輪椅的結構安全性。完成養老院共享輪椅的模型及系統設計。集成AHP層次分析法和ANSYS分析的輪椅創新設計流程，分析求解得到該輪椅主要承重結構可靠，確保老人使用安全，實現養老院內健康安心養老。

關鍵詞：養老院；共享輪椅；AHP層次分析法；ANSYS分析；養老

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2024）12-0128-04

Abstract：The purpose of this paper is to study the current situation of wheelchair facilities in nursing homes，and put forward a plan to share wheelchairs in nursing homes，so as to encourage the elderly to go out of the room，communicate with other elderly people and establish social relations，and improve the quality of life for the elderly. Using analytic hierarchy process to get the specific demand weight，the nursing home shared wheelchair design，through ANSYS finite element analysis to verify the structural safety of the wheelchair. Completed the model and system design of the nursing home shared wheelchair. The innovative design process of the wheelchair integrates AHP and ANSYS analysis，and the analysis and solution obtain that the main load-bearing structure of the wheelchair is reliable，ensuring the safety of the elderly，and realizing the health and peace of mind in the nursing home.

Keywords：Nursing home；Shared wheelchairs；AHP analytic hierarchy process；ANSYS analysis；Provide for the aged

引言

隨著人口老齡化現象的加劇，養老院的數量不斷增加，而養老服務也成為日益緊迫的問題。2023年《關于推進基本養老服務體系建設的意見》中提出了“推進基本養老服務體系建設的重要任務，旨在實施積極應對人口老齡化的國家戰略，實現基本公共服務的均等化”。因此，也需加強對基本養老服務體系建設的重視，讓老年人能夠享受到更好的養老服務。

共享理念是指人們方便地分享和利用各種資源和服務，以提供更多選擇、降低成本，并促進社會互助和合作。這種模式逐漸滲透到人們生活的各個方面，從出行到辦公，從住宿到娛樂等。隨著老齡化趨勢的加劇，共享模式與老年人群體之間必然會產生交集，老年人也逐漸成為共享模式中不可或缺的一部分[1]。在養老院中，老年人常常需要使用輪椅來幫助他們更好地出行和照顧自己。因此，將輪椅與共享理念相結合，可以極大程度滿足養老院內老人對輪椅的使用需求，并不斷優化養老服務體系的建設。目前，養老院中共享輪椅的設計研究相對較少，針對性的輪椅設計也有待進一步完善。文章基于養老院用戶需求進行挖掘，提出了可行的共享輪椅設計方案，并進行了方案評估，以確保使用過程中的安全問題，從而提升了養老院老人的生活幸福指數。

一、共享輪椅及養老院輪椅研究現狀

（一）共享輪椅研究現狀

近年來，共享輪椅也逐漸成為醫院和公園等公共場所的常見設施。這種趨勢的發展為老年人和行動不便的人群提供了更多的便利和支持。在醫院中，共享輪椅的存在降低使用者的時間、精神和體力成本，提高使用者的讓渡價值[2]。在公園中，也可以幫助長時間走動的游客緩解疲勞，在社區里，也能為行動不便的老人提供共享輪椅服務。但當下對于養老院的共享輪椅使用設計研究較少。

通過“共享輪椅”“養老院”“養老”等關鍵詞在多個數據庫進行檢索。發現高敏[3]將場景理論帶到醫院共享輪椅設計中，并模擬場景進行了方案評估。于靖靖[4]針對行動不便的用戶進行調研并設計了公共場所使用的共享輪椅設計。李洋等[5]利用人機工程學理論及方法，以共享服務為目標，解決老人短途出行問題。可以發現，目前國內學者在共享輪椅具體使用流程以及結構可靠驗證存在空白。

（二）武漢部分養老院內輪椅現狀

據悉，目前武漢養老機構大約有一百多所，也主要分布在各區中心的社區街道，針對武漢市社會福利院、武鋼南山老年公寓等不同層次養老院進行調研，如表1所示。

從上述幾個養老院案例的分析中，筆者發現：1）不同類型的養老院提供給老人的養老環境有較大差別，同時其能夠為老人提供的服務也十分有限。2）養老院里輪椅數量有限，能使用到輪椅的老人不多。3）院內現有輪椅主要分為手推式輪椅和電動輪椅等。其輪椅材料多采用塑料和鋼材，整體重量較重，不夠輕便。4）養老院內現有的輪椅結構功能比較單一，缺乏可調節的扶手，座椅高度，座椅角度等功能，不夠人性化。5）部分輪椅安全性較低，缺乏安全帶，制動器等安全設備，容易發生一些不必要的事故。6）養老院內缺乏對老年人的心理關懷，略顯孤獨與消極[6]。有的輪椅缺乏人工進行維護和保養，也會導致輪椅的使用壽命會減少。

總體看來，共享輪椅的引入不僅能夠減少養老院管理成本，同時也為老人生活融入新的活動。結合各養老院特點進行新型共享輪椅設計，達到養老院新型養老模式。

二、基于AHP養老院共享輪椅需求權重分析

（一）AHP層次分析法

AHP層次分析法是一種用于多準則決策的定量分析方法。確立決策目標再構建層次結構，將決策目標分解為具體的準則和子準則。對于每個準則層次，創建出一個判斷矩陣，用于比較準則之間的相對重要性。通過對判斷矩陣進行公式計算，得到每個層次準則的權重向量后進行一致性檢驗，如果CR小于某個預定義的閾值（通常為0.1），則可認為判斷矩陣是一致的。根據各個準則的權重向量，對決策選項進行綜合評估和權衡，選擇最優的決策選項。文章采用AHP層次分析對老人在共享輪椅使用需求上進行比較分析，根據需求權重進行排序，以獲得最佳設計需求，為設計實踐提供客觀指導。

（二）構建養老院共享輪椅需求評價層次指標

在篩選并整合各用戶需求后對共享輪椅的需求進行層級分析。初步確定一級需求層為共享輪椅需求；其對應的一級準則層可分為五類，即安全性、舒適性、可用性、經濟性、可持續性。如圖1所示。在安全性上，保證設計和使用共享輪椅時的安全性能，包括結構安全性、制動系統可靠性和碰撞措施保護性。在舒適性上，在使用共享輪椅中能夠給用戶帶來的舒適感和便利性，包括座椅舒適性、尺寸匹配性和靠背可調性。在可用性上，共享輪椅服務能夠達到一定的效果，包括預約取還便捷性和使用界面友好性。在經濟性上，輪椅的成本效益和經濟可行性能夠為各類型用戶所接受，包括成本效益、租用費用和運營成本。在可持續性上，即共享輪椅服務對環境、社會和經濟方面的長期影響，促進可持續的出行方式，包括能源效益、材料效果友好性和回收利用等。

（三）和積法構建需求判斷矩陣并求解

1.構建判斷矩陣。本研究共發放26份問卷，邀請養老院專家6名，養老院常住老人15名，養老院護工5名。根據AHP層次分析法設計了各層次需求的調查問卷，按照兩兩對比給出更重要需求的分值。

2.求得需求權重。利用給出分值形成矩陣，計算最大特征根，對矩陣進行一次性檢驗。首先計算矩陣每行乘積m次方，從而得到一個m維向量。

通過上述公式計算得到特征向量分別1.165，1.016，1.012，0.959，0.848，如表2所示，結合特征向量計算出最大特征根5.234，利用最大特征根值計算得到CI值為0.059。對應RI值為1.120，通過計算CR=0.052<0.1，因此本次研究判斷矩陣滿足一致性檢驗。從表中得到需求重要程度為：安全性>舒適性>可用性>經濟性>可持續性。其中結構安全性是輪椅設計中最需要考慮到的因素之一，同時也需要根據用戶的指標層需求權重進行準則層更為合理的設計。

根據上述表3～7分析，各方案層指標CR值均小于0.1，說明評價結果可靠。在設計實踐中應重點關注以下幾個方面：1）確保輪椅整體結構的安全性，以保障老人在使用過程中不發生意外情況。讓老人在輪椅上能夠感到安全和穩定，享受舒適的體驗。2）設計可調節式的靠背以滿足院內老人使用輪椅的不同狀態。老年人的身體狀況和偏好可能不同，靠背的傾斜度應可適當調節，以提供個性化的支撐和舒適性。3）系統界面應簡潔易懂，方便老人操作。老年人可能不熟悉復雜的技術設備，輪椅的使用界面應設計簡單直觀，按鈕和控制器的布局應易于理解和操作，避免老人因操作困難而失去使用信心。4）在成本方面應控制在合理范圍內，輪椅的費用不宜過高。養老院需要購買多個輪椅，因此成本控制對于實施共享輪椅方案的可行性至關重要。同時，需要考慮輪椅的耐用性和維護成本，以確保經濟效益和可持續性。5）優先選擇環保友好的材料，并考慮共享輪椅的后續回收和再利用。可使用可循環利用的材料，減少對自然資源的消耗，讓輪椅在使用壽命結束后能進行再回收和處理，以降低對環境的影響。

三、養老院共享輪椅設計方案

基于前文對AHP權重分析結果，筆者對養老院的共享輪椅的外觀、結構、功能和使用流程等方面，綜合考慮各指標進行創新設計。以下是具體的設計方案。

（一）共享輪椅外觀設計

在養老院里，共享輪椅的外觀設計同樣具有重要意義。一個好的外觀設計能夠提供老年人更好的使用體驗，促進他們的社交參與和生活質量。該輪椅采用了灰色、橙色和黑色的整體配色方案。旨在幫助老年人更容易發現和識別輪椅的存在，對于視力較差的老年人尤為重要，能夠減少他們在養老院里尋找輪椅時的困擾。如圖2所示，灰色和黑色主要應用于車身和座椅等大面積區域，提供穩定和低調的基調。橙色作為強調色，用于一些關鍵位置的標識和裝飾，如控制按鈕、安全帶或座椅邊緣，從而突出重要的功能區域和操作部件。整體外觀設計注重圓潤化，減少直角和尖銳邊角的使用，降低碰撞和刮擦的風險。此外，輪框采用輕量化、高強度和耐腐蝕的鋁合金材質，從而提高共享輪椅的安全性能和耐久性，滿足院內老年人在推行和操控輪椅時的需求。

（二）舒適穩定的輪椅結構

輪椅作為院內老人的代步工具，結構設計要考慮到能否為老人帶來安全便捷的使用體驗[7]。

1.靠背設計：考慮到老年人常采用后仰坐姿以減輕生理負擔的特點。通過老人向背部施加向后的力，該輪椅可以實現靠背角度的調節，使其與背部緊密貼合，避免形成滯空[8]，從而提供更舒適的使用體驗。靠背采用具有優異彈性的聚氨酯泡沫軟墊，能夠有效適應老年人的身體曲線，減輕背部壓力，有效減少不適和疲勞感。

2.扶手設計：為滿足院內老人的身形和需求，該輪椅經過設計成可調式樣，便于老人在使用過程中根據個體差異調節至最佳的扶手位置。此外，輪椅內置紅外線感應燈、電池和電動機等裝置，以滿足輪椅運行和充電等功能需求。

3.控制手柄設計：老年人認知和運動能力在逐漸衰退，操作按鈕設計更具備清晰可辨識性，便于老年人對于功能理解的需求。此外，按鈕布置于老年人容易觸及和操作的位置，確保其能夠輕松掌握并靈活操作。按鈕功能涵蓋前進、后退、暫停和緊急停止等，其按壓力度和反饋感能滿足老年人對觸覺反饋的需要，有助于老年人更精確地操作和控制輪椅。

4.腳踏板設計：腳踏板位于輪椅前方，并具備水平翻折功能，旨在為老年人提供腳部放置和支撐的便利。設計考慮到老年人需求，允許大腿與小腿在90°至120°的彎曲范圍內調整，以適應不同的坐姿狀態，如圖3所示。使得老年人能夠在使用輪椅時獲得更舒適的姿勢支持，從而提升其使用輪椅體驗。

（三）易于老人操作的使用步驟

共享輪椅主要為養老院內有出行需求老人提供便利，同時也可以進行院內觀光，避免老人長時間行走導致過度勞累。如圖4所示，具體使用步驟如下。

1.提前預約：老人可以在應用程序中根據自己的需求選擇預約時間以及院內路線，如圖5所示，通過界面上提供的信息進行決策。界面設計上可操作區域清晰可辨，顏色對比度較為適中，整體布局較為簡潔，以促進院內老年人的操作效率和易用性。

2.輪椅取用：在指定的時間內，老年人需要前往養老院內距離最近的輪椅站點取用輪椅。通過設備可以查看可用輪椅的電量，確保是否能夠滿足行程距離，并選擇電量充足的輪椅進行使用。

3.使用輪椅：預約成功并選擇適合的輪椅后，老人開始使用共享輪椅，在養老院內進行觀光、社交和休閑活動。在行駛過程中，如果老人遇到任何意外情況，他們可以按下緊急按鈕，以提醒護工或養老院的相關人員，以便及時解決問題并提供幫助。

4.輪椅歸還：當老人使用完共享輪椅后，也需要將輪椅歸還到指定的地點。護工或管理員收集輪椅并將其放回站點，以進行充電或維護等工作，從而確保輪椅的可用性和良好的狀態。

通過共享輪椅的使用，能極大程度滿足老人在院內的出行需求，并參與更多社交和休閑活動，從而提升他們的生活質量。為院內老人提供了更多的選擇權和自主權，從而更好地享受養老院的生活和環境。

四、共享輪椅承重結構評估

（一）ANSYS有限元分析

ANSYS是一款用于進行結構分析的工程仿真軟件。通過創建三維幾何模型，將模型定義合適材料屬性，選擇合適的網格密度，在模型上加載部分條件，模擬實際使用情況，計算結構中的應力分布，以評估結構的強度和可靠性[9]。文章將設計實踐的輪椅模型導入ANSYS中，進行相關結構分析，幫助驗證共享輪椅結構，評估其性能。

（二）有限元分析與檢驗

1.模型導入。在進行輪椅的受力分析之前，對模型進行了有針對性的簡化，剔除了扶手、控制桿、靠背、輪胎以及座椅等次要部件，僅保留了主要的結構組成部分。通過簡化模型，能更加專注地研究輪椅的基本結構在承受重力時的情況，從而進行準確地分析。

2.材料的定義。考慮到共享輪椅在戶外環境中需要具備足夠的強度和耐久性，選擇了6061-T651鋁合金作為導入材料。該材料在ANSYS中的參數值如表8所示。能夠承受較大的負荷和應力，保證輪椅在使用過程中的結構穩定性和可靠性，適合用于模擬輪椅的承重結構。

3.結構網格劃分。對實體模型進行網格劃分，設置網格大小為10mm，以保證求解結果的精確性。劃分后的網格包括44592個節點和23110個實體單位。

4.施加載荷。為了模擬輪椅在實際運行過程中的情況，在輪椅的承重A、B處各施加500N的載荷，并在C、D處設置固定支撐，如圖6所示。從而模擬輪椅在使用過程中承受的實際力和支撐情況。

5.求解。經過靜力學分析后，求得輪椅的等效應力和等效應變圖，如圖7所示。可以觀察到在輪椅的銜接處出現了應力集中的區域，特別是在一些結構強度較高的地方，數值達到0.0014mm。在車架銜接處和杠桿處的兩端，出現了最大的等效應力，其數值約為77.305MPa。

在本次仿真分析中，使用鋁合金6061-T651的最大屈服強度為276MPa。與該屈服強度相比，可以看出，輪椅結構的最大等效應力遠小于鋁合金的屈服強度。因此，可得出結論，該輪椅結構設計能夠滿足輪椅所需的強度和剛度要求[10]，有效保障老年人在使用輪椅時的安全和舒適性。

結語

文章以共享理念為出發點，聚焦于養老院老人的輪椅使用情況，并分析了現有不同類型養老院及其輪椅設施，設計出了更方便養老院老人共享的出行工具。通過AHP層次分析法，深入了解養老院老人、護工和管理人員對于共享輪椅的需求，并確定了需求各準則層的權重，設計出在養老院環境下使用的智能共享輪椅。為了確保共享輪椅的結構可行性和安全性，采用ANSYS有限元分析方法對輪椅主要結構部件進行了強度分析。通過模型求解得到該結構強度能夠滿足使用需求。盡管前期進行了需求性探索和相關數據分析，但由于各養老院老年人的身體狀況差異較大和表達能力退化等因素，調研老年用戶的意見和需求仍然有限。為了更全面地研究共享輪椅不同老年人的實際需求，將會采用多種調研方法完善養老院共享輪椅的設計研究。

參考文獻

[1]崔佳琪. 基于用戶行為的適老型共享出行工具設計研究[D].沈陽理工大學，2023.000747.

[2]肖智星.顧客讓渡價值視角下的醫院共享輪椅創新研究[J].現代經濟信息，2019（17）：26-27.

[3]高敏. 基于場景的共享輪椅設計研究[D].山東建筑大學，2023.

[4]于靖靖. 基于共享模式下的行動不便者輔助輪椅產品的設計研究[D].華北電力大學，2022.

[5]李洋，劉國闖，劉蘇等.基于AHP-QFD的共享老年代步車人機工程設計[J].包裝工程，2023（18）：007.

[6]張琰琰，高志彤，唐文.基于老年人情感需求的養老院空間改造設計研究——以武漢市養老院空間改造設計為例[J].設計，2023，36（15）：46-49.

[7]莊璇，楊子倩.智能輪椅的發展與設計原則[J].設計，2022，35（07）：110-112.

[8]劉慧瑩.基于人機工程學的老年智能輪椅設計研究[J].設計，2022，35（19）：119-121.

[9]胡文秀，劉永旭，吳豪豪等.基于Ansys Workbench的手動輪椅車提升機構仿真分析[J].佳木斯大學學報（自然科學版），2022，40（05）：78-80+135.

[10]張軍，張建祥，余志強等.基于ANSYS的可旋轉智能多功能護理床結構分析[J].齊齊哈爾大學學報（自然科學版），2023，39（04）：34-40.