基于人機工程學的多功能殘障人輪椅設計與仿真

賴李李，魏鸛蓉，張娜，王璐，鄭卓唯，徐潔莉，黃楚云

(臺州學院 航空工程學院，浙江臺州 318000)

1 引言

輪椅是老年人、殘疾人、重大疾病患者的代步工具，而且還是因偏癱、截癱等原因造成的肢體傷殘者的康復工具，幫助他們利用輪椅參與有關的社會活動或訓練肢體。醫(yī)學研究表明，肢體的康復訓練能夠幫助經(jīng)過藥物治療和手術治療的偏癱后遺癥患者恢復運動機能。鑒于市場上的輪椅功能單一，大部分僅能幫助殘障人士實現(xiàn)行走功能。卻不能進行康復訓練，因此不能真正滿足殘障患者的需求;會增加家庭成員或者醫(yī)護人員的勞動強度［1］;此外，殘障人士由于不能得到及時有效的康復訓練，不能獲得較好的康復效果。致使許多患者失去了最佳的康復訓練期，肌肉得不到很好的鍛煉，進而萎縮直至失去運動功能。因此，急需設計一種功能更加全面的輪椅。最大限度地恢復患者的運動功能和健康狀況，提高其生活品質的同時還能減輕看護人員的強度。

國內外學者對輪椅進行了爬樓功能、轉彎功能、導航功能、避碰功能、控制算法等方面的研究。王占禮［2］，M ichael Hinderer(2017 年)［3］和Giuseppe Quaglia(2017 年)［4］等人研究了具有爬樓梯功能的電動輪椅。Jin - Seop Song(2015年)［5］等人采用機電聯(lián)合仿真的方法對輪椅的轉彎性能做了研究，研究表明，所設計的控制算使輪椅具有更優(yōu)的轉彎性能。李軍強［7］等人對步態(tài)進行了研究，采用主動和被動控制策略控制下肢康復訓練器。陳靈［7］等人就輪椅在狹窄通道的行駛做了研究，提出了路徑曲率優(yōu)化算法，能保證輪椅平滑通過。李愛萍［8］在輪椅的功能設計方面做了研究，分別設計了具有提升功能的上肢機構、具有回收功能的座椅和能夠自由收放腳的腳蹬機構，分別利用Matlab 和ANSYS 軟件進行動態(tài)仿真和零部件強度校核。Vinh The Nguyen(2018 年)［9］考慮了使用者和護理人員的社會舒適性，提出了一種新穎的并排輪椅導航模式，該模式綜合考慮了友好連接因素，使用者、護理人員的最佳行走速度等。Taizo Miyachi(2016年)［10］設計了具有避碰功能的“意識輪椅”，提出具有傳感網(wǎng)絡的“意識輪椅”能夠識別兩米內的危險，發(fā)出警告，并給操作者和護理人員提出合理的建議。趙玉潔［11］為電動輪椅加載了包括總控制模塊、超聲波傳感器探測模塊、智能避碰模塊和能源驅動模塊的智能避碰系統(tǒng)。

從已有的文獻來看，對輪椅進行人因方面的研究并不多。Barry S.Mason(2013 年)［12］等人將使用者和輪椅作為一個整體，運用人機工程學得相關知識，對籃球輪椅進行設計。秦田［13］和高陽［14］采用人機工程學的相關知識對設計輪椅。但是，這些研究都缺乏相應實驗或者仿真驗證。

而輪椅是以人轉動手輪為輸入，與操作者的關系異常密切。因此，在輪椅設計中必然會涉及較多的人機工程學知識。現(xiàn)有市場上的輪椅除了功能較單一之外，設計中也很少將人的因素考慮進來。所以，非常有必要借助人機工程學的方法設計一款符合殘障人士的身心要求的多功能輪椅，且需要進行相關的人機驗證。故本文采用人機工程學的方法設計了具有多種功能的輪椅，并運用JACK 人因仿真軟件進行驗證。

2 輪椅人因分析

2.1 使用人群生理分析

輪椅的使用者主要包括老年人、殘疾人和疾病造成的功能障礙者。在本文中的設計針對的主要是老年人和殘疾人。

2.1.1 老年人生理機能及行為特點

隨著年齡的增長，老年人的生理機能會退化，行為會變得遲緩，如表1 所示。

表1 老年人生理機能及行為特點

從表1 我們可以看出，老年人的生理機能和行為會隨著年齡的增加而退化，在設計輪椅時，需要遵循其生理特點。具體設計時，應注意:(1)造型上避免尖角，盡量使用圓弧，可以減少老年人收到損傷;(2)材質上應盡量有防滑功能，避免老年人摔倒，材質輕量化，老年人使用較小的力就能操作輪椅;(3)操作不能復雜，盡量簡單化，出現(xiàn)故障時，應有提示音提醒。

2.1.2 殘疾人生理機能及行為特點

殘疾人作為一個特殊的群體，他的生理機能與行為與普通人有一定的不同，如表2 所示。

表2 殘疾人生理機能及行為特點

根據(jù)表2 可知，殘疾人的生理機能和行為與所受創(chuàng)傷程度有關。具體在設計時，應特別關注以下內容:(1)操作盡可能簡化，減少殘疾人的活動范圍;(2)功能盡可能全面，滿足殘疾人的正常生活所需;(3)能根據(jù)殘疾人不同的身形對輪椅進行適當?shù)恼{整，增加殘疾人的舒適度。

2.2 使用人群心理分析

2.2.1 老年人的心理特點

(1)老年人的機能退化，反應變得遲緩;

(2)記憶力減退，不容易學習新的東西，且容易遺忘;

(3)容易產(chǎn)生抑郁感孤獨感等不良情緒。

根據(jù)老年人的行為特點，設計時注意操作要去繁就簡。材質色彩應偏暖色系，讓老年人沐浴溫暖。

2.2.2 殘疾人的心理特點

根據(jù)殘疾人的心理特點，在設計時因注意保護殘疾人的隱私，并盡可能讓殘疾人獲得極大的舒適感，以減少殘疾人的心理壓力。材質色彩選擇上同老年人，盡量選擇暖色系，如表3 所示。

表3 殘疾人的心理特點

3 基于人機工程學的輪椅設計

3.1 功能分析

為了解決殘障人士和老年人在日常生活中實現(xiàn)移動、升降、上肢訓練等問題，提高其生活品質，本文總結多功能輪椅的功能設計需要滿足一下要求:

(1)自主移動功能:幫助老年人和殘障人士實現(xiàn)室內移動，這個功能目前比較成熟，一般的輪椅都能夠滿足。

(2)可升降功能。當使用者需要移步到床上或者其他躺椅上時，需要護理人員將輪椅推至床邊，按下控制開關，通過提升機構將輪椅上的人抬至與床相同的高度，護理人員無需費力抱起殘障人士就可輕松地將其移送到床上，勞動強度得以極大地減輕。此外，在無護理人員在旁邊時，殘障人士還能自己取得高處所需的物品。

(3)康復訓練功能。輪椅使用者，往往下肢存在功能障礙，但上肢功能一般無礙?？梢栽O計相應機構進行上肢的訓練，比如上肢康復訓練機(如圖1)。

圖1 上肢提升機

對于下肢部分功能存在障礙，可以通過加強下肢康復訓練，幫助其更快地恢復健康，可設計相應的下肢康復訓練裝置。如圖2 所示:

圖2 下肢康復訓練機

3.2 基于人機工程學的輪椅尺寸設計

輪椅主要由輪椅架、車輪、座椅、制動系統(tǒng)等組成。

(1)輪椅架

圖3 輪椅架

鐵質的輪椅骨架剛度和強度較好，但是重量較重;純鋁管重量較輕，強度和剛度不夠，安全性差。新型材料鋁合金安全性好又輕巧，是極佳的替代材料。文中采用新型鋁合金固定式車架(如圖3)，因為結構比較簡單耐用，方便老年患者正常使用。結構強度大，體重比較重的患者也可以使用。成本比較低，一般家庭都能過購買。

(2)椅輪

椅輪的前部采用萬向輪，靈活性好。輪椅兩側的手輪采用大輪，大輪的外圈裝有手輪，方便患者自行移動輪椅。一般來說，兩側的大輪越大，轉動一圈，移動的距離就越大，也就更容易越過障礙物。但是，太大的輪子會使輪椅所占的空間增大。而且，輪子的高度要適合患者坐著的時候，能夠使患者方便而輕松的轉動手輪。為了使所有的患者都能夠使用，文中設計的大輪直徑為560 mm。

充氣式輪胎和實心輪胎是目前較常使用的輪胎形式。前者的減震效果好，但需要定時打氣。后者不用充氣，推行阻力較小，但減震效果不佳。綜合考慮，選用實心輪胎，對于減震效果不佳，可以通過改善座墊的減震性能。

(3)制動裝置

制動裝置主要實現(xiàn)減速功能，當輪椅停放在陡坡上，使用者操控不住車架，輪椅會在坡上下滑，甚至翻覆傾倒，對使用者構成巨大的威脅，因此，制動裝置對輪椅來說是必不可少的。制動裝置有多種形式，本文采用肘節(jié)式剎車。這種剎車是采用杠桿原理，利用連接桿的連動而實現(xiàn)剎車功能。原理簡單，而且制動效果也較好。

(4)座椅

座椅是輪椅的重要組成部分［15］?；颊咦檬孢m，除了材質的要求外，還需要對座椅的尺寸進行設計。這是因為合理的尺寸能夠使使用者的姿勢舒適，可以避免因姿勢不當而受到傷害。合理的座椅尺寸還可以了分散人體的體壓。因此，對座椅進行設計非常有必要。

人體的坐高、臀寬，臀膝距決定著座椅的高度、寬度和深度，若座椅的尺寸設計的太小，則使用者會有壓迫感;尺寸設計過大的話，肘不能放置于扶手上，還會浪費材料，占據(jù)過大的空間。座椅高度過高，則使用者的腿腳會懸空，腿部受到擠壓，血液流通不暢，易造成使用者腿部麻木。

人體的坐姿尺寸是輪椅尺寸設計的主要參考數(shù)據(jù)，如表4 所示。

表4 坐姿人體尺寸(單位:mm)

(5)坐墊。坐墊與輪椅面的接觸面積最大，最貼近使用者，承受著來自使用者臀部的大部分重量;容易使長時間使用者生褥瘡。因此，坐墊設計往往需要參照使用者的臀部形狀和尺寸大小進行。材質的選擇需要綜合分析與使用者的安全、舒適性密切相關的因素，如抗壓強度、耐磨性能以及透氣效果等。但是坐墊不宜太過柔軟，否則承重后，下壓太大，致使使用者坐得不舒服。

(a)座寬。選用第95 百分位成年女性在坐姿情況下的臀部寬度尺寸［16］，外加衣服的厚度和功能余量。最小功能尺寸=382 +25 ×2 =432，座寬可選用440 mm。

(b)座深。即座面的前確保能使臀部得到全部支撐。最小功能尺寸=401 +25 =426，選用在435 mm 比較合適。

(c)座高。指的是座面到腳踏板的豎直高度，等于人體小腿的長度加上腳的厚度。為了保證不同個體都能處于舒適的狀態(tài)，建議坐高做成可調形式，較小的尺寸按第50 百分位的成人女子設計，較大的尺寸按第95 百分位數(shù)的成年男子設計，故最終可調范圍為:375 ～390 mm。

(6)靠背?？勘硡^(qū)分為角度固定式和可調式兩類，其外形尺寸一般會遵循人體的背部曲線設計，以滿足舒適性為基本原則。

(a)靠背寬度?？勘车膶挾纫约鐚挒樵O計依據(jù)，一般略小于椅面寬度，尺寸不能小于400 mm。文中采用的坐寬為440 mm，因此靠背的寬度也為420 mm。

(b)靠背高度。選用第95 百分位成年男子坐姿時座椅面至腋下的距離作為設計依據(jù)?？勘车母叨炔煌?，作用也不同?？勘掣叨仍礁?，其穩(wěn)定性也越佳，越低則使用者的上半身和上肢的活動范圍會變大［2］。但是，過高的話，也會阻礙使用者。如太高的靠背，使用者回頭看后方的實現(xiàn)會受阻?？勘尺^低的話，使用者的重心容易不穩(wěn)，對重心的控制提出了更高的要求。因此，本文的靠背設計應該適中。除了考慮第95 百分位的男性坐姿頸椎點高701 mm 外，還要考慮成年女子第5 百分位的坐姿頸椎點高579 mm。為了滿足大部分人群的需要，本設計中靠背高度取650 mm。

c)靠背傾角。設置靠背傾角的目的是保證使用者有一個比較正確的姿勢，一般取值為95°-105°(如圖4 所示)。本文中采用100°的靠背傾角。

圖4 靠背傾角

d)靠背側面曲線?？勘车膫让媲€應與人體正常人體腰椎曲線(如圖5 所示)保持一致。即靠背在腰椎處前凸，胸椎處后凸。這樣的設計，能使使用者保持脊柱的正常彎曲。

圖5 正常人體腰椎曲線

綜合以上，設計出如下圖6 所示的座椅三維模型:

圖6 座椅三維造型

(7)扶手。扶手至座椅面的距離為扶手高度。合適的扶手高度能一定程度上增強使用者的舒適性。不使用手時，將手放置于扶手上，能夠減輕疲勞。扶手高度應稍低于坐姿肘高，宜在225 ～250 mm 之間選擇。文中以第95 百分位的成年男子坐姿肘高為設計依據(jù)，為了獲得更好的舒適性，應在此基礎上減去一定的尺寸。本文設計的扶手高度=298 -60 =238 mm，扶手寬度以大于手臂寬度為宜，文中采用的設計尺寸為70 mm。

(8)腿托和腳托。腿托對使用者的小腿和大腿能起到一定的支撐作用，減輕使用者的疲勞。腳托可以防止使用者因腳不著地造成崴腳，還可以減少使用者臀部和大腿受到的壓力，減少臀部或大腿下方生褥瘡的可能性。在文中，腳托還用于支撐下肢訓練機。

3.3 輪椅色彩設計

在設計輪椅時，若將色彩的情感特征應用到輪椅的造型設計中，會使輪椅的情感吸引能力增強。如果將色彩與不同性別、性格特點等其他因素組合在一起，能幫助設計者創(chuàng)造出風格各異的輪椅來滿足不同層次、品味的殘疾人情感方面的需求［17］。市面上設計的輪椅車架材料一般為鋼材、鋁合金、碳合金等，出于成本的考慮，車架一般為材料本色，黑色或者灰色。這種色彩組合很容易引起一種消極、冷淡的感受，會使殘疾人的空虛感和自卑感更加強烈。雖然輪椅上與使用者接觸的部分往往會有硅膠等軟性材料，但由于顏色搭配不合理，不能很好地傳達關愛給患者。應增加色彩搭配的人情味，應在輪椅中適當加入比較鮮亮的顏色，如黃、橙、藍等色彩，增強輪椅的溫暖格調，舒緩殘疾人的孤獨感［3］。此外，為了避免因過多色彩引起煩躁感，在搭配色彩是宜選用一至兩種色彩。

所以在設計輪椅時，根據(jù)零件的不同功能，選擇不同的材質色彩，同時滿足患者的視覺和功能要求。將輪椅扶手色彩設置成木質紋理，座椅的顏色采用橘色，顯得比較溫馨。

3.4 基于人機工程學的輪椅設計

綜合以上的使用者生理和心理分析，輪椅的人機尺寸分析，功能分析，色彩分析等，設計出如圖7、8、9 所示的多功能輪椅。

圖7 輪椅三維模型造型

圖8 輪椅三維模型主視圖

圖9 輪椅三維模型側視圖

4 基于人機工程學的輪椅仿真

本文JACK 軟件對輪椅進行人因仿真。JACK 軟件的界面比較簡潔，操作也相對容易，對外圍設備的輸入也比較支持。它的主要優(yōu)勢是能夠逼真地仿真三維數(shù)字人的行為。此外，三維人體模型形象逼真地模擬現(xiàn)實中的人是其另一優(yōu)勢，特別是手、脊柱、腿、肩等部位的三維模型。采用前向和反向運動學公式，能通過肢體末端的移動或者轉動而確定人體的姿勢。其他的優(yōu)勢還包括對關節(jié)的限制，力量的計算和分析，代謝能量的計算分析等。

4.1 數(shù)字人與仿真環(huán)境創(chuàng)建

在JACK 軟件中，69 個部分和68 個關節(jié)構成了數(shù)字人模型。而且在導入數(shù)字人模型的過程中，還可以編輯模型的各個尺寸值，因此，數(shù)字人的仿真程度比較高［18］。可以通過選擇數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建不同國家，不同性別的數(shù)字人。由于本文的使用者主要是中國人，尺寸設計時主要采用第95百分位的男性，因此，創(chuàng)建第95 百分位的中國數(shù)字人，如圖10 所示。導入所創(chuàng)建的輪椅三維模型，并調整數(shù)字人的姿勢，使其坐于輪椅上，如圖11 所示。從圖中可以看出初步設計出的輪椅存在以下幾個問題，1)扶手高度不足，使用者休息時，夠不到扶手;2)上肢提升機安裝的位置不夠高，會干涉使用者的頭部;3)靠背高度稍微有些不足，肩部得不到較好的支撐。針對以上問題，作出相應的改進之后，并重新導入到JACK 仿真軟件中，如圖12 所示。

圖10 數(shù)字人創(chuàng)建

圖11 改進前仿真環(huán)境創(chuàng)建

圖12 改進后仿真環(huán)境創(chuàng)建

4.2 TAT 工具

TAT 工具是Task Analysis Toolkit 的簡稱，即任務分析工具。它是JACK 軟件特別重要的人因分析方法，它主要包括下背部分析、靜態(tài)強度預測、搬運受力分析、新陳代謝分析、工作姿勢分析等十大人因分析工具。根據(jù)輪椅的使用實際，本文僅進行下背部分析、靜態(tài)強度預測、工作姿勢分析和新陳代謝分析。

4.2.1 下背部分析

下背部分析能獲得一定環(huán)境條件下，人體脊椎受力對下背部的影響。通過仿真，能夠判別該項工作是否符合NIOSH(The National Institute for Occupational Safety and Health，美國職業(yè)安全與衛(wèi)生研究生)標準。此外，還可得出該項作業(yè)是否會增加使用者的受傷幾率。分析結果如圖13、14、15 所示。從分析結果來看，該項作業(yè)脊椎受力僅為522 N，遠低于標準值3 400 N，受傷的風險也較小。所受的力矩也非常小，幾乎沒有肌肉緊張程度。

圖13 下背部受力圖

圖14 下背部力矩圖

圖15 下背部肌肉緊張程度

4.2.2 靜態(tài)強度預測

靜態(tài)強度預測指的是有多少比例的人能長時間地以任務中的姿勢進行工作，是從動力學的角度來評估姿勢的強度是否美國國家安全與健康協(xié)會發(fā)布(National Institute for Occupational Safety and Health，NIOSH)的強度標準。評估結果如圖16 所示。因為我們的研究對象是輪椅使用者，大部分存在著行走障礙，因此膝蓋和腳踝的百分比會低很多。其他部位的幾乎為百分之百，表示幾乎所有的殘障人士能夠以這一姿勢轉動輪椅。

圖16 靜態(tài)強度預測圖

4.2.3 工作姿勢分析

工作姿勢是評價背部、手臂、腿部等在工作狀態(tài)下不舒適程度的一種工具。評價這一姿勢對操作者造成損害或損傷的概率大小。仿真結果如圖17 所示。工作姿勢分析來看，該姿勢非常正常、自然。對肌肉的負載在合理范圍內，沒有必要采取改正措施。

圖17 工作姿勢分析圖

4.2.4 新陳代謝分析

新陳代謝分析能求得做某一項任務所消耗的能量大小。該分析可以分析現(xiàn)有的任務也可以分析新任務的能量消耗，明確該值不超過［NIOSH］的標準值。每項任務的代謝能量消耗包括動作代謝能量和姿勢能量消耗。

Eposturs=Kposturs·Weight·Tposturs

其中，

Kposturs——是姿勢的能耗系數(shù)

Tposturs是姿勢的積累持續(xù)時間

Weight——人體重量

新陳代謝仿真結果如圖18 所示，從圖18 中可知，該項任務的代謝值為0.847 cal/min，遠低于標準值8.245 cal/min，表明該項任務不會造成肌肉疲勞和損傷。

圖18 新陳代謝分析圖

5 討論

從以上對輪椅的任務分析結果來看，使用者使用輪椅時，身體各個部位處于比較舒適的狀態(tài)。

下背部分析表明肌肉不會出現(xiàn)緊張狀態(tài)，說明座椅靠背的設計比較合理，能夠對使用者背部起到很好的支撐作用。靜態(tài)強度預測分析表明，輪椅使用者膝蓋和腳踝的百分比會低很多，這是因為大部分的使用者存在行走障礙，與實際情況相符。工作姿勢分析結果表明使用者的背部、手臂、腿部等處于舒適狀態(tài)，表明座椅靠背寬度設計合理，使用者的背部有較大的活動余地，靠背傾角能提供較好的支撐，靠背曲線符合人體脊柱曲線，能有效防止背部受傷;座椅座面的設計高度合適，腿部有較大的活動空間，久坐也不會乏力。新陳代謝分析結果表明，操作輪椅這項任務的代謝值遠低于標準值，不會造成使用者的肌肉疲勞和損傷。非常適合老年人和殘障人士體力不足的特點。

綜合來看，基于人機工程的設計方法能較好地指導設計。Jack 人因仿真軟件可以根據(jù)實際情況對虛擬的任務場景進行模擬，對設計改進起到較好的反饋作用。

6 總結和展望

隨著社會經(jīng)濟水平的不斷提升，人們越來越關注老年人和殘疾人的健康與安全。人們對于產(chǎn)品的良好情感體驗也有更大的需求。本文基于人機工程學設計了多功能輪椅，解決了殘障者的康復訓練需求，同時確保了輪椅在工作時的舒適性和安全性。(1)針對老年人和殘障人士的生理和心理特點設計的輪椅，使用起來更加舒適安全。(2)輪椅的多功能設計，可將幫助殘障者移送至床上，減輕了護理人員的勞動強度的同時還可以幫助殘障人士進行康復運動。(3)通過JACK 軟件對輪椅進行人因分析，如發(fā)現(xiàn)零部件尺寸設計不合理，可以及時地更改設計，更好地符合使用者的要求。但也存在一些不足，比如，功能不夠全面。沒有爬坡功能、自動避碰功能等。希望今后做一些這方面的功能設計。輪椅針對的研究對象是老年人和殘障人士，未考慮未成年人出現(xiàn)肢體障礙的情況。