医用轮椅的创新设计研究

张莉　马洪明　姚佳

摘要：近些年来，随着社会人口老龄化程度越来越大，人们的身体状况不容乐观。心脑血管疾病和意外事故频繁地发生导致肢体残疾患者的数量急剧增加，因而轮椅的出现为众多患者提供了巨大的方便。轮椅是病人康复的阶段性工具，可辅助患者病人参与身体锻炼和社交互动，满足其身心健康的需要。本文主要针对方便看护者辅助残疾患者更便捷的上下轮椅，以及轮椅折叠性和舒适性的设计。轮椅是残疾患者的第二身体，设计舒适的人机工学椅背和椅座，灵活趣味的交互系统，轮椅安全性的把握等至关重要。

关键词：残疾患者；健康；交互系统

中图分类号：TB472 文献标识IR：A

文章编号：1003-0069（2017）07-0116-02

引言

在现代医疗水平和医疗器械伴随着科技高速发展的过程中，轮椅的工业设计对轮椅提出了新的功能需求和目的。而现在大多数的轮椅缺乏创新设计元素，只是简单的生搬硬套，利用钢架结构与塑料基本材料的结合进行折叠。而很多方面不仅不符合人机工学，也不符合残疾人、老年人的正常使用习惯及需求。普通轮椅的主要结构有轮椅架、车轮、刹车装置及座靠。机器思维的智能化和普及化发展为轮椅的创新设计研究提供新的思路，如果从人的生物性和工业设计的角度对现有轮椅提出新的设计需求与创新，从造型色彩、人机工学、材质分析、安全性能对轮椅的结构功能进行优化设计，从而设计出符合用户心理的产品，才能让轮椅真正成为残疾人的第二身体，陪伴在其左右。

一、国内外研究现状

轮椅的种类依照传动原理划分大概为手动式和（半）自动轮椅，依照使用功能划分大概为可躺式的高背轮椅、竞技轮椅、爬梯轮椅、辅助轮椅、医用轮椅等。本文主要研究医用轮椅。

（一）国外研究现状：20世纪30年代初，美国的一位井下矿工在一次突发的矿难事故中受伤，导致下体瘫痪不能行走。然而在朋友的协助下，其发明了一种便携轮椅方便运动和行走，并且轮椅可以手动折叠放置以便节省空间。到了80年代轮椅的工业设计刚刚发展，欧美国家逐渐开始致力于康复设备和健身器械的研发和应用。到20世纪末期以后，系统化的康复训练设备和助行装置研究设计才进入全面发展的时期。国际上关于康复轮椅设计的研究逐渐增多。德国开发出新一代下肢康复训练系统Gait Trainer，秉承的德国设计的优良品质，不仅在造型的严谨漂亮具有强烈的科技感和现代设计元素，而且满足的轮椅设计的人机工学理念，让患者乘坐轮椅的时候身心都会愉悦。日本研制残疾人辅助轮椅装置——木制轮椅，从机械角度对人行走过程中的步态进行分析，对不同行走状态时的受力大小、方向、受力点分析，设计出符合人机工学的轮椅帮助病人进行康复训练和正常活动，（如图1）所示。

（二）国内研究现状

近十年来我国肢体残疾在整个残疾人构成比例迅速增长。这些残疾患者对轮椅的需求是终身的。2014年度我国已经出现数以百计的普通轮椅生产企业。互邦轮椅作为龙头企业，其旗下的轮椅设计产品非常注重工业设计和人机交互的应用。以舒适性为目的为使用者提供更加方便更加安全更加人性化的服务。2014年年產量为243万台左右，同比增长20%m。国内大概有60个轮椅生产和制造企业，新型智能轮椅设备的生产数量占比五分之一之高，然而工业设计和用户体验优良的产品数量仅仅不到十分之一。因而国内市场有待利用，具有多功能型和高质量的轮椅设备仍需要大量开发。中国的医疗康复器械的生长率保持20%至30%，市场增长趋势缓慢。目前全国数以万计的医院环境中医疗康复设备和残疾人健身器材的索求数目巨大，因而医用轮椅在医疗设备和医院器械中仍旧处在很重要的位置，（如表1）所示。半自动化轮椅作为一种以医学理论为依据，以用户需求为目标的医疗器械设计使残疾人获得更强的独立生活能力和生活质量。并且它也可以作为健康老年人的体育运动训练器材。

二、产品分析

（一）拟解决问题：据调查研究，现阶段市场上的轮椅大多功能单一，体积庞大笨重导致使用起来很不方便。轮椅的扶手是残疾患者坐上轮椅的极大障碍。造型过于机械化，管材暴漏外面影响美观，缺乏新意。色彩单一多金属原色，机身颜色少有变化。外观设计不合理，占用空间大。稳定性安全性不高，使用过程中必须有看护人员陪护。产品使用比较费力，结构复杂。操作过程中存在安全隐患，椅背不符合人机工程学设计，操作方式固定，手推式极易疲劳，极为不便。部分轮椅虽然结构有所创新，却依旧缺少实用性。

（二）产品定位：人群定位：医用轮椅，满足使用者短时间使用轮椅移动位置和与家人陪同下在医院公园或者其他场所散步休息功能。促进使用者和看护家人的交流。

造型定位：产品造型方面大胆运用曲面弧面设计使产品更加简洁、圆润；对外观进行几何分形，局部凹陷、切削等增加产品的表面的节奏感和韵律美感，同时赋予产品设计融入科技元素；加入标志性、几何型符号语言进行修饰，丰富产品设计语言。清澈的色彩为环境及用户渲染出干净的感觉，以灰色来调节产品的视觉平衡，局部部件用以高亮色彩用以指示功能。

功能定位：在满足使用者舒适性的基础上满足使用者的安全性和看护者的方便性。

（三）研究方法：用户体验：轮椅设计针对医院中需要助行或代步的人群，因此在设计的过程中需要参考和了解符合用户的最自然的使用方式和使用者心理，并且对于不同伤害程度的人和不同年龄阶段的人群对于轮椅的依赖程度大有不同。

用户调研：对医院以及生活周边残疾人进行询问记录，了解特殊人群的生活方式。了解患者真正的需求和心理。有针对性的整合用户需求，并且重复整合以分析发现最致命的问题。

头脑风暴与TRIZ理论分析：以头脑风暴的形式进行调研问题的汇总。缺点列举发现设计痛点问题以及设计中存在的不足进行设计分析，明确设计定位与设计人群，应用创新发明原理和设计法则寻找设计的突破口。

人物素描与情景假设：对使用者（残疾患者）进行行为假定情景，进而分析出最符合用户使用场景的设计方向。

草图分析与模型：依据设计程序（草图分析、三维建模渲染、草模制作、比例模型手板）进行设计，结合产品语义，设计美学，情感设计等方法进行人性化设计。

三、医用轮椅的创新设计

（一）造型与色彩

1.造型设计：造型设计要求产品在人与环境之间的关系更加协调，功能是设计的目的，环境是产品存在的场，由此构成系统整体与要素细分在哲学上的对立统一关系。轮椅的造型设计对于目前轮椅设计的改善十分重要。目前的轮椅造型大都采用金属管材和塑料橡胶搭配，机械感很强导致十分复杂繁琐。轮椅设计的简约化式造型设计的重点，曲面化设计是轮椅设计的核心。

2.色彩设计：自然的色彩对比间接影响人们的审美意识、情绪变化和工作效率。本轮椅色彩设计是使用以下形式：差色匹配，互补色、对比等，（如图2）所示。

（二）结构与功能

1.结构：座位深度设计：座位深度需要加深4cm，靠背可以变形到后倾8°，应用三角形的稳定性使得乘坐者更舒适和健康。

椅背设计：背椅设计啮合人体背部曲线，不易使人产生腰酸疲劳等不适感，保证坐姿状态下的近乎正常的腰曲弧线自行车的承载主要靠车身的主干车身、脚踏板以及扶手头部承载。

尺寸选择：座宽座宽按我国正常成人男女人体主要尺寸按所示的GB10000-88标准，座宽设计为430 mm。

腳踏板设计：双向轮椅乘坐方式让轮椅前后共用一个脚踏板，脚踏板通过一个360°可旋转的转轴控制。

控制区把手设计：把手上面设置四个档位，分别是刹车、加速、椅座向前倾斜和复位。看护者通过对把手的控制来帮助残疾患者行走。而患者自己蚵以按扶手上面的按键来控制轮椅的行走状态。

轮子设计：背靠时，大轮胎承载主要的重量，采用充气轮胎。小轮在大轮之前。而非背靠的时候正好相反。

2.功能：两种使用方式：分别为暂时使用方式和长时使用方式。通过调节扶手座椅高度和大小，达到不同的使用状态，来满足病人不同时间不同心理的要求，这样能更科学合理地帮助病人行走以及在医院里做一些检查项目。部分残疾患者在医院的初期身体虚弱，做检查或者上厕所的时候需要轮椅，看护者或者护士就可以利用这款轮椅更方便地协助患者完成这些事情。然而患者想出去散散心便可用正常的轮椅乘坐方式坐上轮椅。扶手、椅背、椅座的联动间距调节：联动机构协和残疾患者的身体尺寸进行适应调节。可以适合各种胖瘦的人来使用。扶手椅背的伸缩以及旋转式椅座都为患者提供了很好的用户体验，（如图3）所示。

（三）材料与工艺：材料感觉特性的恰当利用可以丰富产品的情感体验。考虑到轮椅的使用寿命长短，主体材质采用塑料和铝合金材质。椅座的材料需要自己选择。为避免残疾患者因为久坐而压疮，设计选用ROTO垫，患者坐上后受压面变成大量的受压点，不断地变换受压点，避免经常压迫同一部位造成压疮。轮子天然橡胶即可。考虑到轮椅的量产化以及曲面相对复杂，对于其成型工艺采用注塑成型。

（四）人机关系：轮椅和人的交互关系是人机关系良好的前提。当人在使用轮椅或者坐上以及要下轮椅的时候，轮椅自身会对使用者产生反馈，进而提醒看护者注意。并且轮椅可以像机器人一样照顾残疾患者的行走需求。通过加强筋的作用在增加把手强度的同时分散转弯或误操作中产生的扭力。把手可拆卸和调节以适应不同的适用人群，不同的使用人群可以根据自己的需要来调节把手的高度。

结论

此次设计是为了满足残疾患者以及看护者的需要。基于工业设计角度的轮椅创新设计更贴切地为特殊人群设计考虑。本设计用最舒适最方便的方式，让残疾患者更好地进入完成行走移动的目的，调和残疾患者的身心健康。在帮助行动不便的残疾患者的同时，能减少周围看护人、护士家人的护理压力。从人机工学、造型、材料以及形态语言等多学科深入优化方案，充分满足病人阳行动不便的人的生理和心理需要。