基于CATIA V5人机工程学分析方法在康复器械中的应用研究

冀涛

摘 要 基于人机工程学理论，利用CATIA V5为平台，以康复器械为对象，根据伤残患者对康复器械的需求，构建三维人机模型，模拟人使用康复器械的过程，并且对舒适性等指标进行测试，从而方便改进产品的缺陷和不足。

关键词 人机工程；康复器械；仿真模型

前言

近几年来康复器械行业飞速发展，平均增速在25%到30%之间，远高于国民经济平均增长水平，我国庞大的人口基数决定了对康复器械的巨大需求。以辅助器械为代表的残疾人服务产业兼具经济效益和社会效益，具有广阔的发展前景。康复器械的设计与人体的各项生理参数及人机尺寸密切相关，本文中基于人机工程学理论，依据人体数据库建立人体模型，利用软件模拟人机过程，以数据为支撑分析人机环境，为康复器械优化提供科学依据，设计效率大幅提高，缩短开发周期，把康复产品真正的从理论到设计，制造一体化。

1 CATIA的人机工程模块

1.1 标准人体模型的构造

CATIA V5的HBR模块是在虚拟环境中建立和管理标准的数字化“虚拟”人体模型，在产品设计的初期阶段进行人机工程学交互分析。HBR提供的工具包括：人体模型生成，性别和身高百分比定义，人机工程学产品生成，人机工程学控制技术，动作生成及高级视觉仿真等。

CATIA V5提供的人体数据库中包括美国人，法国人，韩国人，可以调用全身模型；提供的参考点包括：眼睛参考点，左脚参考点，右脚参考点，胯部参考点，最低脚参考点，默认参考点。本文是根据中国男性的人体具体尺寸自行建立的人体模型，人体数据采用第50百分位[1]。

1.2 人体测量编辑

CATIA V5的HME模块提供了6种预设姿势包括：立姿，侧平举，坐姿，跪姿，前平举，延伸平举。可以对人体模型预先设定1种姿势，然后在此姿势的基础上进行修改。HME模块允许设计人员通过人体测量学工具生成自定义的人体模型，模块可以对人体模型工作空间进行分析，评价人体和产品的吻合度。

1.3 人体的行为分析

HAA模块用于对处于虚拟环境中的人机互动进行分析。在对人工作过程中的动作进行设定和存储后，可以做出运动仿真，并且能够利用模块中的评价系统功能进行快速人机工程评价。

1.4 人体的姿态分析

HPA姿态分析分析模块所包含功能有5种：姿态编辑，自由度的选择和编辑，角度界限编辑，首选角度，姿态评估优化。可以对人体各种姿态进行检查分析，然后和舒适性数据库内的舒适性指标进行比较，给出评估数据，从而针对实际应用进行姿态优化。

2 人机模型分析研究

康复器械的主要功能是帮助人进行康复训练和康复评估，其与人的关系紧密，所以在康复器械的设计中需要重点考虑到人机工程学问题。本文以（踏步机的设计）为例，说明并分析人机工程学在康复器械设计中的具体过程及应用。

人机系统主要由人和机两个主要因素所构成，利用CATIA V5的人机工程模块，调用人体数据库，根据操作器械的姿势特定，建立人机工作环境，然后进行人机工程分析，使康复器械最大程度上舒适性，有效性，安全性和方便性[2]。

2.1 产品模型建立

考虑到人体四肢对康复训练的要求，本文以踏步机产品为例，运用虚拟设计方法在CATIA V5中生成产品模型。

2.2 人体模型建立

人体模型的建立是以GB/T 10000—1988为人体结构设计标准。所选产品主要用户年龄分布是23—65岁，所以按照男性50岁，百分位50%为例。

2.3 人机模型分析

将生成的人体模型和产品模型放在一个环境中进行装配，然后调用人机工程分析模块进行分析。首先进行人体各部位强度分析，绿色表示所受强度较小，黄色一般，红色表示所受强度较大。

人体模型手部位置，进入Human Builder模塊，使人体手部动作姿势呈抓握方式配合产品手柄部分尺寸。

进入Human Activity Analysis模块，调用Reach Envelope命令进行上肢活动域分析。

在CATIA V5的人机工程模块的首选角度的控制中，白色表示最大角度范围，此范围内人体关节得到充分锻炼但人体舒适度相对降低，红色表示最小角度范围人体关节活动范围小没有得到充分锻炼，绿色为最佳角度范围。

通过分析大腿，小腿，前臂，小臂，手部和腰部动作及自由度，得出人在使用踏步机时的舒适度平均值。各关节自由度分别为大腿的两个自由度，小腿的1个自由度，前臂的3个自由度，小臂的两个自由度和腰部的两个自由度[3]。

3 结束语

本文利用计算机辅助设计中的虚拟人机开发功能，以CATIA V5中的人机工程模块为平台，对康复器械的开发进行人机工程测试，以踏步机为例讨论了康复器械设计中人机功能的具体应用，康复器械的训练和人体密切相关，在设计初期快速有效的分析出人机特性，发现产品在设计中的人机功能方面的不足，并加以改进。本文对人使用以踏步机为例的康复器械训练过程进行了仿真模拟，分析了其在各种使用状态下的具体数据，并且从舒适度和运动功能角度对人体数据进行分析比较。在进行人机工程仿真分析后，发现产品人机功能方面的不足，提出合理化的改进建议。使康复器械领域的产品设计有了更直观可靠的人机工程评价方法，使产品设计更加符合人机工程功能要求。

参考文献

[1] 李震，张金海，刘继柱，等.人机工程在医疗器械设计中的应用[J].中国医疗器械信息，2012，18（8）：1-5.

[2] 赵恒，赵军辉.人机工程在医疗器械设计中的应用[J].医疗装备，2016，29（24）：38-39.

[3] 曹辰，钱晋武，冯治国，等.下肢步态矫形器的机构设计[J].机械制造，2008，46（8）：32-35.