基于CATIA V5人機工程學分析方法在康復器械中的應用研究

冀濤

摘 要 基于人機工程學理論，利用CATIA V5為平臺，以康復器械為對象，根據傷殘患者對康復器械的需求，構建三維人機模型，模擬人使用康復器械的過程，并且對舒適性等指標進行測試，從而方便改進產品的缺陷和不足。

關鍵詞 人機工程；康復器械；仿真模型

前言

近幾年來康復器械行業飛速發展，平均增速在25%到30%之間，遠高于國民經濟平均增長水平，我國龐大的人口基數決定了對康復器械的巨大需求。以輔助器械為代表的殘疾人服務產業兼具經濟效益和社會效益，具有廣闊的發展前景。康復器械的設計與人體的各項生理參數及人機尺寸密切相關，本文中基于人機工程學理論，依據人體數據庫建立人體模型，利用軟件模擬人機過程，以數據為支撐分析人機環境，為康復器械優化提供科學依據，設計效率大幅提高，縮短開發周期，把康復產品真正的從理論到設計，制造一體化。

1 CATIA的人機工程模塊

1.1 標準人體模型的構造

CATIA V5的HBR模塊是在虛擬環境中建立和管理標準的數字化“虛擬”人體模型，在產品設計的初期階段進行人機工程學交互分析。HBR提供的工具包括：人體模型生成，性別和身高百分比定義，人機工程學產品生成，人機工程學控制技術，動作生成及高級視覺仿真等。

CATIA V5提供的人體數據庫中包括美國人，法國人，韓國人，可以調用全身模型；提供的參考點包括：眼睛參考點，左腳參考點，右腳參考點，胯部參考點，最低腳參考點，默認參考點。本文是根據中國男性的人體具體尺寸自行建立的人體模型，人體數據采用第50百分位[1]。

1.2 人體測量編輯

CATIA V5的HME模塊提供了6種預設姿勢包括：立姿，側平舉，坐姿，跪姿，前平舉，延伸平舉。可以對人體模型預先設定1種姿勢，然后在此姿勢的基礎上進行修改。HME模塊允許設計人員通過人體測量學工具生成自定義的人體模型，模塊可以對人體模型工作空間進行分析，評價人體和產品的吻合度。

1.3 人體的行為分析

HAA模塊用于對處于虛擬環境中的人機互動進行分析。在對人工作過程中的動作進行設定和存儲后，可以做出運動仿真，并且能夠利用模塊中的評價系統功能進行快速人機工程評價。

1.4 人體的姿態分析

HPA姿態分析分析模塊所包含功能有5種：姿態編輯，自由度的選擇和編輯，角度界限編輯，首選角度，姿態評估優化。可以對人體各種姿態進行檢查分析，然后和舒適性數據庫內的舒適性指標進行比較，給出評估數據，從而針對實際應用進行姿態優化。

2 人機模型分析研究

康復器械的主要功能是幫助人進行康復訓練和康復評估，其與人的關系緊密，所以在康復器械的設計中需要重點考慮到人機工程學問題。本文以（踏步機的設計）為例，說明并分析人機工程學在康復器械設計中的具體過程及應用。

人機系統主要由人和機兩個主要因素所構成，利用CATIA V5的人機工程模塊，調用人體數據庫，根據操作器械的姿勢特定，建立人機工作環境，然后進行人機工程分析，使康復器械最大程度上舒適性，有效性，安全性和方便性[2]。

2.1 產品模型建立

考慮到人體四肢對康復訓練的要求，本文以踏步機產品為例，運用虛擬設計方法在CATIA V5中生成產品模型。

2.2 人體模型建立

人體模型的建立是以GB/T 10000—1988為人體結構設計標準。所選產品主要用戶年齡分布是23—65歲，所以按照男性50歲，百分位50%為例。

2.3 人機模型分析

將生成的人體模型和產品模型放在一個環境中進行裝配，然后調用人機工程分析模塊進行分析。首先進行人體各部位強度分析，綠色表示所受強度較小，黃色一般，紅色表示所受強度較大。

人體模型手部位置，進入Human Builder模塊，使人體手部動作姿勢呈抓握方式配合產品手柄部分尺寸。

進入Human Activity Analysis模塊，調用Reach Envelope命令進行上肢活動域分析。

在CATIA V5的人機工程模塊的首選角度的控制中，白色表示最大角度范圍，此范圍內人體關節得到充分鍛煉但人體舒適度相對降低，紅色表示最小角度范圍人體關節活動范圍小沒有得到充分鍛煉，綠色為最佳角度范圍。

通過分析大腿，小腿，前臂，小臂，手部和腰部動作及自由度，得出人在使用踏步機時的舒適度平均值。各關節自由度分別為大腿的兩個自由度，小腿的1個自由度，前臂的3個自由度，小臂的兩個自由度和腰部的兩個自由度[3]。

3 結束語

本文利用計算機輔助設計中的虛擬人機開發功能，以CATIA V5中的人機工程模塊為平臺，對康復器械的開發進行人機工程測試，以踏步機為例討論了康復器械設計中人機功能的具體應用，康復器械的訓練和人體密切相關，在設計初期快速有效的分析出人機特性，發現產品在設計中的人機功能方面的不足，并加以改進。本文對人使用以踏步機為例的康復器械訓練過程進行了仿真模擬，分析了其在各種使用狀態下的具體數據，并且從舒適度和運動功能角度對人體數據進行分析比較。在進行人機工程仿真分析后，發現產品人機功能方面的不足，提出合理化的改進建議。使康復器械領域的產品設計有了更直觀可靠的人機工程評價方法，使產品設計更加符合人機工程功能要求。

參考文獻

[1] 李震，張金海，劉繼柱，等.人機工程在醫療器械設計中的應用[J].中國醫療器械信息，2012，18（8）：1-5.

[2] 趙恒，趙軍輝.人機工程在醫療器械設計中的應用[J].醫療裝備，2016，29（24）：38-39.

[3] 曹辰，錢晉武，馮治國，等.下肢步態矯形器的機構設計[J].機械制造，2008，46（8）：32-35.