基于SAMMIE的輪椅創(chuàng)新設(shè)計(jì)及人機(jī)工程分析

周雪

摘要：本文以人機(jī)工程學(xué)理論為基礎(chǔ)，對輪椅進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。分析老年人的生理及心理特征，總結(jié)老年人多功能輪椅的設(shè)計(jì)要素，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等相關(guān)理論進(jìn)行輪椅創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并利用人機(jī)分析軟件SAMMIE對其進(jìn)行可達(dá)域、靜態(tài)力的分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理J性。

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué)；老年人；輪椅設(shè)計(jì)；SAMMIE

近年來輪椅行業(yè)保持快速發(fā)展，但是，我國輪椅行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，絕大部分產(chǎn)品為一般輪椅，產(chǎn)品價(jià)格低。高端產(chǎn)品如電動(dòng)輪椅和運(yùn)動(dòng)輪椅研發(fā)投入不足，技術(shù)水平與國外相差很大，主要依靠進(jìn)口。然而東西方人的體型差異很大，面向西方使用人群設(shè)計(jì)的輪椅未必就適合東方人使用，為了設(shè)計(jì)出真正適合中國老年人使用的輪椅，必須對輪椅使用人群的人體尺寸、心理特征、行為模式以及生活習(xí)慣等進(jìn)行分析，為輪椅的尺寸提供參考，設(shè)計(jì)出安全、舒適、適合中國人使用的輪椅。

1SAMMIE在輪椅設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

人機(jī)工程學(xué)是應(yīng)用人體測量學(xué)、生理學(xué)、人體力學(xué)等諸多學(xué)科來研究“人-機(jī)-環(huán)境”三者相互的關(guān)系的學(xué)科。本文中的研究對象主要是老年輪椅使用者，要考慮的人機(jī)工程要素主要包括：老年人人體尺寸、老年人生理及心理特征、人體力學(xué)等。

SAMMIE中錄入了數(shù)十個(gè)國家的成年人人體尺寸數(shù)據(jù)庫，包括中國98年成年人人體尺寸數(shù)據(jù)庫，也可以根據(jù)需要定制人體模型，在人體關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍內(nèi)移動(dòng)人體的肢體和關(guān)節(jié)，模擬各種操作姿勢。它的基本功能主要包括：（1）可達(dá)域分析：在工作場所中使用手或腳可以觸碰到的范圍及物體。（2）合適性分析：用于評估近似人群對一定限制的工作空間的合適性。（3）工作姿勢分析：調(diào)節(jié)人體關(guān)節(jié)的角度模擬人體工作姿勢，并以此來評估人體工作姿勢的可行性、舒適性和身體關(guān)節(jié)的受力等情況。（4）視野分析：根據(jù)人體視野特性模擬人體模型的視野，通過參照頭部和頸部的運(yùn)動(dòng)，仿真人體實(shí)際操作過程中的視野，并以此來對產(chǎn)品的視野性能進(jìn)行評估。

在具體輪椅設(shè)計(jì)活動(dòng)中，人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）為輪椅設(shè)計(jì)提供人體數(shù)據(jù)參考。結(jié)合人體測量學(xué)、人體力學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)等學(xué)科，對老年人體生理特征、機(jī)能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到老年人的肢體可及范圍、人體機(jī)能等特征參數(shù)，為輪椅的尺寸設(shè)計(jì)作參考。

（2）為輪椅設(shè)計(jì)提供造型和結(jié)構(gòu)依據(jù)。人機(jī)工程學(xué)強(qiáng)調(diào)讓機(jī)器適應(yīng)人，而不是人適應(yīng)機(jī)器。比如優(yōu)秀的手持式產(chǎn)品設(shè)計(jì)，要考慮人的手掌、手指尺寸，對不同的手持姿勢進(jìn)行分析對比，找到最貼近人手的自然狀態(tài)、最安全、最省力的一種操作方式；產(chǎn)品的外形要符合手握的姿勢，線條自然流暢。

（3）為輪椅設(shè)計(jì)提供“環(huán)境因素”參考依據(jù)。在設(shè)計(jì)過程中，考慮人在不同使用場景中的適應(yīng)能力和承受限度，分析環(huán)境中的光線、溫度、濕度、振動(dòng)等因素對人體生理和心理的影響，以保證最終設(shè)計(jì)的產(chǎn)品滿足安全、舒適和高效的要求。

2老年人的生理及心理特征分析

人到老年身體形態(tài)和生理機(jī)能都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，充分考慮分析老年人的生理及心理特征，才能設(shè)計(jì)出適用更多老年群體的產(chǎn)品。

2.1生理特征

在生理上，老年人的特征為：

（1）骨骼肌肉系統(tǒng)衰老：老年人肌腱、韌帶萎縮僵硬，肌力降低，容易發(fā)生骨折且關(guān)節(jié)活動(dòng)不利。

（2）感知系統(tǒng)衰老：老年人視覺、聽覺下降，味覺、嗅覺、觸覺敏感度降低，使老年人對傷害性刺激不敏感，因此在日常生活中易發(fā)生意外事故。

（3）思維系統(tǒng)衰老：臨床上發(fā)現(xiàn)，老年人大腦出現(xiàn)腦萎縮，記憶力、注意力逐漸變差，生活效率也隨之下降。

2.2心理特征

（1）離退休綜合征：老年人離退休以后突然從忙忙碌碌轉(zhuǎn)到無所事事，逐漸淡出原來的人際關(guān)系網(wǎng)，社交范圍狹窄，一時(shí)間無所適從。

（2）孤獨(dú)：當(dāng)下國內(nèi)“空巢”現(xiàn)象比較普遍，客觀上造成老年人可以對話的對象少了，使老年人感到缺乏關(guān)愛，孤獨(dú)感油然而生。

（3）固執(zhí)或狹隘自負(fù)：部分老年人習(xí)慣用老眼光看事物，總覺得過去“老一套”好，很難接受新鮮事物。

（4）畏懼死亡：人到老年很少不生病，對疾病、死亡的憂慮、恐懼往往會(huì)對老年人產(chǎn)生超負(fù)荷的心理壓力。

3基于SAMMIE的輪椅創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)原則

根據(jù)以上對于老年人的生理及心理特征分析，總結(jié)概括出老年人輪椅的設(shè)計(jì)原則：

（1）舒適性。輪椅的設(shè)計(jì)應(yīng)符合人機(jī)工程學(xué)，輪椅的尺寸盡可能符合人體的器官尺寸，讓使用者脊柱保持正常的生理曲度，各部分肌肉處于放松狀態(tài)，從而提高舒適性，保證使用者的身體心理健康。

（2）安全性。老人輪椅的設(shè)計(jì)應(yīng)采用輕便、高效型材料，這既能提高老年人輪椅的使用性能，減輕重量，又能保障老人的使用安全。

（3）易用性。輪椅的操作方式簡便易用，不會(huì)讓老年人產(chǎn)生心理畏懼感，同時(shí)應(yīng)弱化其護(hù)理產(chǎn)品的特殊性痕跡，做到人性化、溫暖化。

（4）物美價(jià)廉。老年人輪椅設(shè)計(jì)要嚴(yán)格控制生產(chǎn)成本，簡約大方，只有這樣，電動(dòng)老人康復(fù)輪椅才能夠迅速普及，融入人們的家庭生活，造福老年人。

3.2提出方案

根據(jù)老年人的人因分析以及老年人輪椅的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)出符合人機(jī)工程學(xué)的老年人輪椅，該輪椅的靠背和支撐腳角度能夠調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同使用者的身體尺寸。見圖1、圖2。

3.3SAMMIE人機(jī)分析

（1）構(gòu)建人體模型。以《中國成年人人體尺寸GB/T10000-1988》和《在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用人體尺寸百分位數(shù)的通則GB/T12985-91》為標(biāo)準(zhǔn)，選取P5男性、P5女性、P95男性、P95女性，建立4個(gè)人體模型，由于老年人普遍存在身高降低，肢體功能減弱的情況，需要對人體模型的尺寸進(jìn)行一定的修正。由于研究輪椅設(shè)計(jì)，所以主要考慮坐姿下的人體尺寸，具體參數(shù)如圖3：

（2）導(dǎo)入輪椅模型，將建立的輪椅模型導(dǎo)入SAMMIE中，為了方便分析，需要將輪椅模型簡化，保留關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。將人體模型調(diào)整成坐姿狀態(tài)，結(jié)合彎腰屈膝等動(dòng)作，將人體模型的各部位調(diào)整至合適角度，使其與輪椅匹配，分析坐姿狀態(tài)下的輪椅人機(jī)關(guān)系是否合理。如下圖4，從左到右依次為P5女性、P95女性、P5男性、P95男性的坐姿分析圖。

由上可知，將輪椅靠背與支撐腳做出不同程度的調(diào)整之后，除P95男性的小腿角度，其他角度均能滿足四個(gè)百分位人體模型的舒適活動(dòng)范圍。四組模型的腰部曲線能與輪椅靠背吻合，使腰椎處于放松狀態(tài)。

4結(jié)語

本文分析了老年人的生理及心理特征，結(jié)合特征分析總結(jié)了老年人對輪椅的設(shè)計(jì)需求，基于人因工程原理，進(jìn)行了輪椅創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并利用人機(jī)工程分析軟件SAMMIE對設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析驗(yàn)證，證明該設(shè)計(jì)滿足舒適性的要求。