老年人輕便手動輪椅人機仿真分析及優化設計研究

魏愷祺， 伏嘉裕， 宗 威

（中國礦業大學 建筑與設計學院， 江蘇 徐州221116）

0 引言

隨著經濟發展水平的提高和醫療衛生條件的改善，我國的人口年齡結構不斷發生變化[1]。WHO 報告指出，在全球老齡化背景下， 中國人口老齡化進程正在加速，60歲以上老年人占全國人口的比例將由2010 年的12.4%（1.68 億）上升至2040 年的28%（4.02 億）[2]。 聯合國1956年在 《人口老齡化及其社會經濟后果》 中確定了一個標準，一個國家或地區六十五歲及以上老年人口占總人口超出百分之七，就代表這個國家或地區進入了老齡化。中國目前正在加速進入重度老齡化社會。 但與宏觀經濟水平提高相反，國家統計局數據顯示，中國居民消費水平隨著收入水平的增加而提高，但消費增速低于收入增速，人均消費支出占人均可支配收入的比重由2013 年的72.2%降至2017 年的70.54%[1]。 面對費用高昂的住院治療及緊張的醫療資源，先天性行動生理障礙人群，膝關節退行性損傷人群（由衰老引起的生理機能退化）及短期或長期意外致腿部殘人群傾向于選擇價格親民的家用醫療產品及服務。 與發達國家相比，我國健康產業的發展仍然遠遠不夠不足[3]，數據表明，2013 年我國康復醫療市場僅為200 億元，相較于美國市場占比3%，潛在康復產業市場需求巨大。

手動輪椅是本次設計研究關注的主要問題， 它是在資源較少的環境中，輔助行動困難的人進行移動的設備，可以在他人的幫助下推動。 目前市面上有一些電動輪椅是采用控制盒來操縱， 不再需要乘坐者徒手轉動輪椅來實現移動，但輪椅本身作為一種人乘坐的代步工具，和使用者關系密切，在設計中與人機工程學也是息息相關的，且目前電動輪椅的價格相對高昂， 國內還有大量低收入人群難以負擔。 因此本次選取市面上現有的一款輕便型的手動輪椅作為設計研究的對象。

1 基于Jack 軟件的現有輕便手動輪椅仿真分析

Jack 是Siemens 公司旗下的一款人機工程學軟件，最早由賓夕法尼亞大學人體建模和仿真中心研發，在工程、服務業、制造業以及軍事領域等都被廣泛應用[4]。 它主要包括靜態、動態仿真、數字人體建模、人機工程分析等功能。 Jack 軟件中內置了不同國家不同性別各個百分位的人體尺寸數據，還能夠導入Vis、VRML2.0、IGES 等多種格式的三維模型， 并應用軟件內的相關分析模塊對導入的模型進行一系列人機工程仿真分析[5]。

1.1 仿真環境創建

（1）現有輕便手動輪椅三維模型創建。本次設計研究的對象是市面上現有的一款輕便型手動輪椅， 該輪椅面向的是肢體運動困難， 不具備自行驅動輪椅能力的老年人用戶。 輪椅可乘坐一人， 并需由一位操縱人員進行推動，輪椅整體造型結構，見圖1。

圖1 輪椅整體造型結構

（2） 基于Jack 軟件的三維人體模型創建。 根據本次研究需要，本文中成年人人體尺寸部分依據《中國成年人人體尺寸GB/T10000-1988》[6]。 目前暫無中國老年人人體尺寸數據的官方標準， 因此老年人人體尺寸部分本文依據2005 年清華大學工業工程專業和P&G 公司在 “中國老年人行為仿真” 研究中得到的老年人人體尺寸數據[7]。乘坐人員和操縱人員分別選取身高體重為第95 百分位的中國老年男性和第50 百分位的中國成年男性作為研究對象。 在Jack 軟件中的人體創建模塊，采用內置的中國成年人人體數據和精確人體定義分別創建出第95 百分位的中國老年男性和第50 百分位的中國成年男性的數字人體模型， 見圖2。

圖2 數字人體模型創建

（3）手動輪椅模型導入。 為了減小模型大小，在保證關鍵點位的前提下將輪椅模型進行精簡， 在Rhino 中導出stl 格式模型，并將精簡后的stl 格式輪椅模型導入Jack 軟件中， 將創建的兩個人體模型分別進行調整，并與輪椅配合，見圖3。

1.2 輪椅乘坐人員人機仿真分析

圖3 人體模型與輪椅配合

（1）下背部受力分析。 Jack 中的下背部受力分析（Lower Back Analysis）能得到指定得到的條件下人體脊椎受力對下背部的影響，從而判斷數字人進行的該項動作任務的下背部受力情況是否能符合NIOSH （ The National Institute for Occupational Safety and Health，美國職業安全衛生研究所）提供的標準。 除此以外，還可判斷該項作業是否會增加人的受傷幾率。 分析結果，見圖4。 從分析結果來看，在該姿勢下乘坐人員的脊椎受力僅為458 N，遠遠小于3400 N 的標準值，受傷的風險也很小。 所受的力矩也非常小，幾乎沒有肌肉緊張程度。

（2）舒適度評價。 使用Jack 軟件OPT（Occupant Packaging Toolkit）模塊中的舒適度 評 價（Comfort Assessment）功能，選擇 Dreyfuss2D數據作為數據來源，分別對頭部屈曲、 上臂屈曲、肘關節部位、腕部屈曲、 大腿小腿部位、膝關節部位等進行舒適度評價。由圖5 中可知，乘坐人員的膝關節部位以及大腿和小腿的舒適性不能夠得到滿足，其他部位均處在舒適度范圍內。調整數字人后可知膝關節部位和腿部的舒適度不足是踏板的位置不合適造成的。

圖4 下背部受力分析窗口

圖5 舒適度評價窗口

1.3 輪椅操縱人員人機仿真分析

（1）工作姿勢分析。 工作姿勢分析（Ovako Working Posture Analysis）是評價背部、手臂、腿部等在工作狀態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。 工作姿勢分析結果，見圖6。 由分析結果來看，該姿勢下肌肉的負載在合理范圍內，不需要采取優化改進措施。

圖6 工作姿勢分析窗口

（2） 新 陳 代 謝分析。 新陳代謝分析（Metabolic Energy Expenditure） 可以計算出某一項作業任務所耗費的能量多少。 分析作業任務的能量消耗并確認該值是否超過美國職業安全衛生研究所規定的最大值。 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。 新陳代謝分析結果，見圖7，從分析結果中可知，該項任務消耗的能量為6.715cal/min，比8.245cal/min的上限要低，這說明此項作業任務并不會造成肌肉的過度疲勞和損傷。

圖7 新陳代謝分析窗口

2 輕便折疊輪椅優化設計

對現有輕便折疊輪椅的人機仿真分析之后，發現人機問題主要集中在踏板處，因此對踏板做出優化設計。 原有扶手、坐墊和靠背的設計不能很好地貼合人體生理曲線，對舒適度也有一定影響，因此也對這些部分進行優化設計。

2.1 踏板優化設計

踏板位置過于靠上靠后，對于第95 百分位的老年人乘坐者來說舒適度欠佳，為了滿足乘坐人員舒適度的需求， 將踏板原有的固定設計改成可調式設計，見圖8。

圖8 踏板優化設計

2.2 扶手優化設計

圖9 扶手優化設計

扶手部分原本為鋼管型材包覆軟質橡膠，不能很好地貼合腕部的曲線， 影響舒適度。 且原有的扶手長度偏短，起不到支撐上臂的作用因此將原有的設計修改，見圖9。

2.3 靠背及坐墊優化設計

原有靠背和坐墊均為平面，舒適度較差。 靠背側面的曲線應當與人體腰椎曲線保持一致，能讓乘坐人員保持脊柱的正常生理曲度，因此將靠背與坐墊的設計修改，見圖10。

圖10 靠背及坐墊優化設計

3 優化設計后輪椅人機仿真驗證

由于是在原有輪椅基礎上進行優化設計， 部分部件如把手處等已滿足人機工程學的部分并沒有重新進行設計，因此只對乘坐人員進行舒適度分析、下背部受力分析和靜態強度預測，驗證優化設計后方案的可行性。

3.1 輪椅模型導入與配合

優化設計后的輕便折疊輪椅模型見圖11。為了便于進行人機仿真，在保證關鍵點位置不變的前提下將模型進行簡化， 在Rhino 軟件中將模型導出為stl 格式，并導入人機工程仿真軟件Jack 中，并對之前創建的第95 百分位中國老年人人體模型和第50 百分位中國成年人人體模型進行姿勢調整， 與導入的輪椅模型配合見圖11。

3.2 下背部受力分析

圖11 人體模型與優化設計后輪椅配合

分析結果，見圖12，該項作業脊椎受力僅為464N，遠低于美國職業安全衛生研究所規定的上限3400 N， 受傷風險小，所受的力矩也較小，肌肉緊張程度較低。

圖12 下背部受力分析窗口

3.3 舒適度分析

分析結果見圖13，頭部屈曲、上臂屈曲、肘關節部位、腕部屈曲、大腿小腿部位、膝關節部位的舒適性均能得到保證。

圖13 舒適度評價

4 結束語

在我國當前老齡化問題逐漸凸顯的大背景下， 適老產品的設計越來越受到重視。 本文針對該款輕便手動輪椅人機工程學研究和優化設計是一次有意義的探索。本次設計研究采用人機仿真軟件Jack 軟件對輕便手動輪椅進行了人機工程學仿真分析， 對原有輕便手動輪椅中不符合人機工程學的地方進行了優化設計。 經過Jack 軟件的驗證，確認經過優化設計后的輪椅提高了乘坐人員的舒適性和安全性。 后續進一步的研究將會采用動作捕捉技術結合人體生物力學仿真， 對某款輪椅的使用者手動驅動輪椅的過程進行仿真分析， 在生物力學仿真軟件中采集肌群力量數據，從而對輪椅的車架進行優化設計，設計出更符合人體工程學的輪椅結構。