基于數(shù)字人機技術(shù)的老年肢體殘障者輪椅可用性研究

張靜　王秋惠

摘要：

文章運用數(shù)字人機技術(shù)（ANYBODY軟件）將人體模型和輪椅模型相結(jié)合進(jìn)行模擬仿真實驗并進(jìn)行逆向動力學(xué)分析，分別改變輪椅大輪與手推輪之間的距離（0.05m、0 07m和0.09m）進(jìn)行實驗，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)選取人體軀干肌肉最大活躍度和手臂肱二頭肌肌肉力兩項數(shù)據(jù)，比較改變距離時兩者的變化。結(jié)果證明在手與大輪不摩擦的前提下大輪與手推輪之間的距離較小時（0.05m），乘坐人能夠更加舒適和省力。

關(guān)鍵詞：

數(shù)字人機技術(shù) 輪椅 仿真 可用性

引言

早在1999年，我國就提前進(jìn)入老齡化社會，2015年以后我國將進(jìn)入人口老齡化迅速發(fā)展的時期，預(yù)測顯示，到2020年，我國60歲及以上老年人口比重超過17%，人口總量達(dá)到2.48億。與此同時，由于老年人普遍存在高血壓、高血脂、高血糖等體征表現(xiàn)，容易遭遇跌倒、骨折、關(guān)節(jié)脫臼等危險，可能會導(dǎo)致下肢肌力衰退甚至癱瘓。當(dāng)老年人存在這些疾病時往往需要輪椅為老年人代步以此提高老年人的流動性和獨立性。因此現(xiàn)在社會對輪椅的需求也不斷增加，人們對輪椅的品質(zhì)和舒適性有了更高的要求。以輪椅為代表的助殘設(shè)備對患者身心的康復(fù)、生活品質(zhì)的提高具有重要意義，并在生活中占據(jù)重要的位置。

市面上現(xiàn)有的輪椅分為手動輪椅和電動輪椅，占較大比重的為手動輪椅。手動輪椅由輪椅架、車輪、剎車裝置及座靠四部分組成。而車輪部分又由輪胎、輪轂、大輪和手推輪四部分組成。本文通過數(shù)字人機技術(shù)（ANYBODY軟件）對輪椅的車輪部件進(jìn)行重點分析，分析大輪與手推輪之間的距離與老年人運行輪椅時手臂產(chǎn)生的肌肉變化是否有一定的聯(lián)系，以確定大輪與手推輪之間的最佳距離，使老年人在乘坐輪椅時得到最舒適的體驗。

ANYBODY軟件是一款人體建模仿真軟件，其關(guān)鍵技術(shù)在于應(yīng)用逆向動力學(xué)方法求解人體運動，并獲取人體運動中各個肌肉的力學(xué)和運動學(xué)參數(shù)。數(shù)字人體模型的構(gòu)造是一個系統(tǒng)工程，涉及人體測量學(xué)、生物力學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、計算機圖形學(xué)、計算幾何以及專業(yè)科學(xué)等多學(xué)科、多領(lǐng)域的理論和技術(shù)。ANYBODY程序能夠計算人體模型各肌肉和關(guān)節(jié)的受力、變形、肌腱的彈性能、反抗肌肉運動和其他對于工作中的人體的特性，并且有系統(tǒng)的人體模型庫，這些模型庫中的人體模型都是在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜梭w解剖學(xué)的基礎(chǔ)上建立的，經(jīng)過了實際的人體測驗，對其進(jìn)行逆向動力學(xué)分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)真實可靠。ANYBODY軟件是高效的，基于產(chǎn)品優(yōu)化的一款軟件，相對于迄今存在的任何其他軟件技術(shù)來說可以處理更龐大的和更復(fù)雜的人體模型。

1.運用數(shù)字人機技術(shù)軟件進(jìn)行人體建模

首先導(dǎo)入模型庫中基本人體站立姿勢的模型，然后對其各個關(guān)節(jié)的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以符合人們在使用輪椅時的普遍姿勢。由于本文主要分析肢體殘障的乘坐者在坐姿狀態(tài)下手臂的運動，因此去掉人體模型中腰部以下的部位使分析過程更加便捷和迅速。首先對模擬實驗的數(shù)值進(jìn)行定義，輪椅的基本尺寸和乘坐者的初始姿勢具體設(shè)置如下：座椅高度為0.17m，大輪半徑為0.30m，手推輪半徑0.27m，大輪到手推輪的距離為0.05m，向前推進(jìn)的速度為1m/s，輪椅的重量為2.SKG；乘坐者端坐在輪椅上，背部傾斜10°，雙肘彎曲與豎直地面呈87°夾角，雙手放在輪椅的手推輪上。如圖1模擬乘坐者的初始姿勢。

2.模擬過程及結(jié)果

對模擬輪椅的大輪與手推輪之間的距離進(jìn)行調(diào)整，距離分別為0.05m，0.07m和0.09m，然后根據(jù)改變的距離對模擬乘坐者手臂的位置與角度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，模仿乘坐者在運行輪椅時的姿態(tài)。為了對輪椅活動進(jìn)行全面的分析，分析主要集中在兩個方面：一是乘坐者軀干肌肉的最大活躍度；二是手臂肱二頭肌的反應(yīng)力。乘坐者軀干肌肉的最大活躍度體現(xiàn)了全身肌肉的使用程度；而乘坐者在推進(jìn)輪椅時主要進(jìn)行肘部屈伸的運動，此時肱二頭肌承擔(dān)大部分的肌肉活動，有較明顯的肌電變化。這兩點的分析可以從整體和部分上對手臂的肌肉變化有一個較全面的認(rèn)識，使分析的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2.1當(dāng)大輪與手推輪的距離為0.05m時

此時不用對乘坐者的姿勢做任何調(diào)整，在初始姿勢下運行程序后進(jìn)行逆向動力學(xué)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)乘坐者軀干最大活躍度沒有顯著變化，從13%下降到11%。肱二頭肌的肌肉反應(yīng)力從16N下降到2N后回升到6N（如圖2、圖3）。

2.2當(dāng)大輪與手推輪的距離為0.07m時

此時需要對乘坐者的姿勢做調(diào)整，調(diào)整其手臂的角度以適應(yīng)距離的改變，而后進(jìn)行逆向動力學(xué)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)乘坐者軀干最大活躍度沒有顯著變化，從31%下降到18%。肱二頭肌的肌肉反應(yīng)力從17N下降到2N后回升到5N。（如圖2、圖3）

2.3當(dāng)大輪與手推輪的距離為0.09m時

此時需要對乘坐者的姿勢做調(diào)整，調(diào)整其手臂的角度以適應(yīng)距離的改變，而后進(jìn)行逆向動力學(xué)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)乘坐者軀干最大活躍度沒有顯著變化，從34%下降到16%。肱二頭肌的肌肉反應(yīng)力從19N下降到ON后回升到4N（如圖2、圖3）。

3.分析與討論

（1）在人體軀干最大活躍度方面，對大輪與手推輪的距離分別為0.05m、0.07m和0.09m時進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)距離為0.05m時與0.07m和0.09m時的數(shù)據(jù)有顯著的不同；而當(dāng)距離為0.07m和0.09m時區(qū)別不大。數(shù)據(jù)可得當(dāng)大輪與手推輪的距離為0.07m和0.09m時乘坐者在推動輪椅時的軀干最大活躍程度較大，為軀干最大活動程度的31%和34%；而在距離為0.05m的初始姿勢時乘坐者軀干最大活躍程度較小，為13%，兩者有明顯的差距。說明當(dāng)大輪與手推輪的距離越大，乘坐者的軀干最大肌肉活躍性越強，需要更多的力去維持輪椅前進(jìn)的活動（如圖2）。

（2）在手臂肱二頭肌方面，對大輪與手推輪的距離分別為0 05m、0.07m和0.09m時的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在0.05m和0.07m時曲線變化情況基本類似，但是在運動開始時0.07m比0.05m的肌肉力要高。而0.09m時的曲線變化與0.05m和0.07m的不同，運動開始時肌肉力比o.06m和0.07m時的都要高，且出現(xiàn)肌肉力為0的情況，此時肱二頭肌沒有處于激活狀態(tài)。說明在進(jìn)行輪椅推進(jìn)的活動中，當(dāng)大輪與手推輪的距離相差不大時（大于0.05m小于0.07m）肱二頭肌的肌肉反應(yīng)力變化不大，手臂的用力程度基本相同；而在大輪與手推輪的距離增大至0.09m之后，肱二頭肌的肌肉肌肉反應(yīng)力先快速下降至0再穩(wěn)步回升，此時手臂可能會出現(xiàn)用不上力的情況，可能影響乘坐者對輪椅的控制（如圖3）。

4.結(jié)論

通過人體軀干肌肉最大活躍度和手臂肱二頭肌的肌肉力分析得出，在輪椅運行開始時，人體軀干肌肉最大活躍度和手臂肱二頭肌的肌肉力與大輪和手推輪之間的距離表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，也就是隨著距離的增加而增大。而在輪椅運行過程中當(dāng)大輪與手推輪之間的距離不斷增大時，人體的整個軀干的肌肉活躍度隨之不斷提升；而手臂肱二頭肌的肌肉力隨著距離的增大而減小，變化幅度不大，且會出現(xiàn)瞬時數(shù)值為0的狀況，也就是手臂用不上力的狀態(tài)。綜合所有數(shù)據(jù)分析，輪椅大輪和手推輪之間的最佳距離為0.05m。在這個距離下乘坐者的軀干肌肉和手臂肌肉都處于較輕松的狀態(tài)，乘坐者可以更高效更舒適地完成輪椅前進(jìn)的運動。本文的研究對輪椅的設(shè)計具有一定的借鑒作用，為輪椅的手推輪部位的設(shè)計提供了一個比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參照，比較直觀地展示乘坐者使用輪椅時軀干和手臂的力量消耗，給乘坐輪椅者提供更舒適的輪椅體驗。

基金項目：1、天津藝術(shù)科學(xué)規(guī)劃項目“天津老年公共文化設(shè)施發(fā)展模式與構(gòu)建體系研究”（E12046）。2、天津工業(yè)大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計劃項目（15121）endprint