人機(jī)工程學(xué)在老年人輪掎設(shè)計中的應(yīng)用研究

仝幗英

摘要：我國即將迎來老齡化社會，那些由于行動不便而必須使用輪椅的老人也會越來越多，但對于長時間坐在輪椅上的老人來說，很容易會產(chǎn)生疲勞感和不適感。本文先對人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行了簡單的介紹，進(jìn)而對基于人機(jī)工程學(xué)下老年人輪椅的舒適性進(jìn)行了研究，并對基于人機(jī)工程學(xué)下老年人輪椅的輕量化進(jìn)行了分析，希望本文的研究成果能夠為老年人輪椅的改造及創(chuàng)新提供技術(shù)方面的支持。

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué)；老年人輪椅；輕量化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.198

1人機(jī)工程學(xué)

1.1人機(jī)工程學(xué)的定義

人機(jī)工程學(xué)是一門由人體科學(xué)、勞動學(xué)、管理學(xué)以及工程學(xué)交叉形成的邊緣型學(xué)科。它研究的內(nèi)容主要是人體處在某個工作環(huán)境時的身體機(jī)能運行情況和各個器官工作情況等要素；研究人體、機(jī)器、環(huán)境三者之間的相互影響情況；研究人們在工作、生活與娛樂時面對效率、健康、安全和舒適度等狀況如何系統(tǒng)性地考慮的新型學(xué)科。

1.2人機(jī)工程學(xué)在老年人輪椅中的應(yīng)用

有關(guān)調(diào)查表明，老年人長時間坐在輪椅上會產(chǎn)生不舒適的感覺，這是因為普通輪椅其相應(yīng)的坐墊與靠背并沒有同人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計原理結(jié)合起來，這自然無法讓老年人坐在輪椅上時產(chǎn)生舒適感。坐墊與靠背這兩個部分是影響老年人坐在輪椅上的舒適感的最關(guān)鍵的因素，應(yīng)盡量讓老年人的脊柱處在一個符合生理需求的體位，并維持在正常生理需求的曲度范圍內(nèi)。

2基于人機(jī)工程學(xué)下對老年人輪椅舒適性的研究

2.1老年人輪椅舒適性坐墊曲面研究

當(dāng)前，大多數(shù)輪椅的坐墊都是由不算太硬的布墊制作的，這種材質(zhì)與老年人的生理結(jié)構(gòu)有一定的矛盾，所以老年人坐在這樣的輪椅上時很容易感覺到疲勞。但如果老年人直接坐在輪椅自帶的坐墊上，坐骨結(jié)節(jié)就會承受過大的壓力，這個壓力往往要超出毛細(xì)血管端所能承受壓力的范圍，導(dǎo)致缺血以及壓瘡的出現(xiàn)。若想克服這一問題，我們可以向所設(shè)計的輪椅座面上參照老年人的坐態(tài)和體壓及其相應(yīng)的分布特點，設(shè)計一層不太軟也不太硬的坐墊，來確保輪椅的舒適度。

2.2老年人輪椅舒適性靠背研究

輪椅的靠背曲面會對老年人的舒適性和健康產(chǎn)生直接的影響，但靠背曲面如何提高舒適度這一問題會涉及到是很多不同類型的學(xué)科及知識，并且需要對這些學(xué)科和相關(guān)知識加以綜合地應(yīng)用，存在著超出想象的難度。老年人由于年紀(jì)的增大，身體的機(jī)能和狀態(tài)也都出現(xiàn)了一系列的變化，骨組織的重量也越來越輕。從有關(guān)資料可知，男性骨質(zhì)大約每10年減少4%，女性骨質(zhì)大約每10年減少8%，所以骨質(zhì)疏松癥在高齡老人和分娩次數(shù)較多的老年婦女中較為常見，在設(shè)計老年人輪椅的靠背曲面時，必須充分考慮這些因素對老年人舒適度的影響。

以對老年人的輪椅背靠曲面進(jìn)行建模來分析，在本文中，計算機(jī)的輔助設(shè)計工作是憑借PRO/E平臺來實現(xiàn)的。這個模型的基礎(chǔ)理論是自由曲面建模理論，并結(jié)合了實物模型技術(shù)和表層模型技術(shù)，用曲線形狀的網(wǎng)格和點位分散的網(wǎng)格來定義模型的形狀。這個定義措施制造出的曲面形狀的模型可以憑借改變定義的曲線形狀、改變原先的參數(shù)的數(shù)值、改變原有幾何圖形所對應(yīng)的數(shù)學(xué)特征等策略來完成對模型的掌控、改造、輸入等操作步驟，并根據(jù)上面的結(jié)果來算出靠背的曲面形狀的大的模型的曲率和對應(yīng)的實際尺寸。

模型的形狀特征、曲率、和實際尺寸都符合要求的輪椅靠背，能夠有效地讓人體省去很多沒有意義的肌肉工作。由于老年人使用輪椅的時候往往會向后靠，讓自己的身體處在一個更加放松的姿態(tài)，所以在研制老年人輪椅的靠背時應(yīng)該以肩靠的形態(tài)為主。但是，老年人坐在輪椅上時不可能總向后傾，當(dāng)他們累的時候也會對自己的坐姿加以調(diào)整。

3基于人機(jī)工程學(xué)下對老年人輪椅輕量化的分析

3.1坐墊結(jié)構(gòu)的有限元分析

想要利用人機(jī)工程學(xué)理論來實現(xiàn)老年人輪椅的輕量化，就必須對坐墊結(jié)構(gòu)和輪椅結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行有限元分析。在現(xiàn)代化的有限元的分析策略中，很多有限元的建立模型都是根據(jù)幾何圖形的知識作為基礎(chǔ)理論并加以升級而建造出來的，只有一小部分的有限元的建立模型是直接使用有限元所在的分散網(wǎng)格中進(jìn)行模擬操作而加工形成的，如果事先就有大量的準(zhǔn)去無誤的數(shù)據(jù)的話，可以使用第二種制造模型的措施，但其操作量要比第一種方法大很多。

3.2輪椅結(jié)構(gòu)的有限元分析

和建立坐墊的曲面形狀的模型的辦法相同，建立輪椅的形態(tài)及其結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型也要使用PRO/E才能完成，并向其中導(dǎo)入I-DEAS軟件來對其采取分析和驗證有限元的操作。在I-DEAS中建立輪椅的車身和對應(yīng)的骨架模型之前，必須先對原本比較復(fù)雜的模型進(jìn)行一定程度的簡化，這樣能夠建模所需的時間得到大幅度地減少，并使主要問題更加突出。在對輪椅結(jié)構(gòu)的有限元進(jìn)行建模時，具體的簡化方法和步驟如下：

（1）向PRO/E的內(nèi)部導(dǎo)入輪椅在裝配時的實際結(jié)構(gòu)特點的過程極其復(fù)雜，但是一些結(jié)構(gòu)的特點只是想要符合結(jié)構(gòu)在使用時被標(biāo)記在上面的很多無關(guān)緊要的要求而制作的，并不是按照對輪椅裝配結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度的要求而制作的，如兩側(cè)建造出來的擋板，用腳踏在上面的木板和起到連接作用的部件等。

（2）螺孔與螺釘之間的連接部位需要利用實體化的連接措施來完成簡化等操作。

（3）螺紋和露眼的孔等特殊結(jié)構(gòu)，需要按照截面的實際性狀和其具有的特點完全一致的基礎(chǔ)上，將這些部件的結(jié)構(gòu)加以簡化，結(jié)構(gòu)特點只是小程度地影響截面特性的部分可以把它們?nèi)既拥簟?/p>

4總結(jié)

綜上所述，老年人輪椅在構(gòu)造及設(shè)計上與普通輪椅存在較大的差別，尤其是在輪椅的舒適度和輕量化上更為明顯。筆者通過對輪椅的結(jié)構(gòu)以及老年人的特點進(jìn)行綜合分析，巧妙地將人機(jī)工程學(xué)應(yīng)用到了輪椅的研究設(shè)計當(dāng)中，這樣才能使老年人輪椅擁有舒適性、輕量化等特征，更加適合老年人使用。我們可以相信，對老年人輪椅的研究在未來必將成為輪椅設(shè)計制造領(lǐng)域中的一個重要方向。