老年人轻便手动轮椅人机仿真分析及优化设计研究

魏恺祺， 伏嘉裕， 宗 威

（中国矿业大学 建筑与设计学院， 江苏 徐州221116）

0 引言

随着经济发展水平的提高和医疗卫生条件的改善，我国的人口年龄结构不断发生变化[1]。WHO 报告指出，在全球老龄化背景下， 中国人口老龄化进程正在加速，60岁以上老年人占全国人口的比例将由2010 年的12.4%（1.68 亿）上升至2040 年的28%（4.02 亿）[2]。 联合国1956年在 《人口老龄化及其社会经济后果》 中确定了一个标准，一个国家或地区六十五岁及以上老年人口占总人口超出百分之七，就代表这个国家或地区进入了老龄化。中国目前正在加速进入重度老龄化社会。 但与宏观经济水平提高相反，国家统计局数据显示，中国居民消费水平随着收入水平的增加而提高，但消费增速低于收入增速，人均消费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]。 面对费用高昂的住院治疗及紧张的医疗资源，先天性行动生理障碍人群，膝关节退行性损伤人群（由衰老引起的生理机能退化）及短期或长期意外致腿部残人群倾向于选择价格亲民的家用医疗产品及服务。 与发达国家相比，我国健康产业的发展仍然远远不够不足[3]，数据表明，2013 年我国康复医疗市场仅为200 亿元，相较于美国市场占比3%，潜在康复产业市场需求巨大。

手动轮椅是本次设计研究关注的主要问题， 它是在资源较少的环境中，辅助行动困难的人进行移动的设备，可以在他人的帮助下推动。 目前市面上有一些电动轮椅是采用控制盒来操纵， 不再需要乘坐者徒手转动轮椅来实现移动，但轮椅本身作为一种人乘坐的代步工具，和使用者关系密切，在设计中与人机工程学也是息息相关的，且目前电动轮椅的价格相对高昂， 国内还有大量低收入人群难以负担。 因此本次选取市面上现有的一款轻便型的手动轮椅作为设计研究的对象。

1 基于Jack 软件的现有轻便手动轮椅仿真分析

Jack 是Siemens 公司旗下的一款人机工程学软件，最早由宾夕法尼亚大学人体建模和仿真中心研发，在工程、服务业、制造业以及军事领域等都被广泛应用[4]。 它主要包括静态、动态仿真、数字人体建模、人机工程分析等功能。 Jack 软件中内置了不同国家不同性别各个百分位的人体尺寸数据，还能够导入Vis、VRML2.0、IGES 等多种格式的三维模型， 并应用软件内的相关分析模块对导入的模型进行一系列人机工程仿真分析[5]。

1.1 仿真环境创建

（1）现有轻便手动轮椅三维模型创建。本次设计研究的对象是市面上现有的一款轻便型手动轮椅， 该轮椅面向的是肢体运动困难， 不具备自行驱动轮椅能力的老年人用户。 轮椅可乘坐一人， 并需由一位操纵人员进行推动，轮椅整体造型结构，见图1。

图1 轮椅整体造型结构

（2） 基于Jack 软件的三维人体模型创建。 根据本次研究需要，本文中成年人人体尺寸部分依据《中国成年人人体尺寸GB/T10000-1988》[6]。 目前暂无中国老年人人体尺寸数据的官方标准， 因此老年人人体尺寸部分本文依据2005 年清华大学工业工程专业和P&G 公司在 “中国老年人行为仿真” 研究中得到的老年人人体尺寸数据[7]。乘坐人员和操纵人员分别选取身高体重为第95 百分位的中国老年男性和第50 百分位的中国成年男性作为研究对象。 在Jack 软件中的人体创建模块，采用内置的中国成年人人体数据和精确人体定义分别创建出第95 百分位的中国老年男性和第50 百分位的中国成年男性的数字人体模型， 见图2。

图2 数字人体模型创建

（3）手动轮椅模型导入。 为了减小模型大小，在保证关键点位的前提下将轮椅模型进行精简， 在Rhino 中导出stl 格式模型，并将精简后的stl 格式轮椅模型导入Jack 软件中， 将创建的两个人体模型分别进行调整，并与轮椅配合，见图3。

1.2 轮椅乘坐人员人机仿真分析

图3 人体模型与轮椅配合

（1）下背部受力分析。 Jack 中的下背部受力分析（Lower Back Analysis）能得到指定得到的条件下人体脊椎受力对下背部的影响，从而判断数字人进行的该项动作任务的下背部受力情况是否能符合NIOSH （ The National Institute for Occupational Safety and Health，美国职业安全卫生研究所）提供的标准。 除此以外，还可判断该项作业是否会增加人的受伤几率。 分析结果，见图4。 从分析结果来看，在该姿势下乘坐人员的脊椎受力仅为458 N，远远小于3400 N 的标准值，受伤的风险也很小。 所受的力矩也非常小，几乎没有肌肉紧张程度。

（2）舒适度评价。 使用Jack 软件OPT（Occupant Packaging Toolkit）模块中的舒适度 评 价（Comfort Assessment）功能，选择 Dreyfuss2D数据作为数据来源，分别对头部屈曲、 上臂屈曲、肘关节部位、腕部屈曲、 大腿小腿部位、膝关节部位等进行舒适度评价。由图5 中可知，乘坐人员的膝关节部位以及大腿和小腿的舒适性不能够得到满足，其他部位均处在舒适度范围内。调整数字人后可知膝关节部位和腿部的舒适度不足是踏板的位置不合适造成的。

图4 下背部受力分析窗口

图5 舒适度评价窗口

1.3 轮椅操纵人员人机仿真分析

（1）工作姿势分析。 工作姿势分析（Ovako Working Posture Analysis）是评价背部、手臂、腿部等在工作状态下不舒适程度的一种工具。 评价这一姿势对操作者造成损害或损伤的概率大小。 工作姿势分析结果，见图6。 由分析结果来看，该姿势下肌肉的负载在合理范围内，不需要采取优化改进措施。

图6 工作姿势分析窗口

（2） 新 陈 代 谢分析。 新陈代谢分析（Metabolic Energy Expenditure） 可以计算出某一项作业任务所耗费的能量多少。 分析作业任务的能量消耗并确认该值是否超过美国职业安全卫生研究所规定的最大值。 每项任务的代谢能量消耗包括动作代谢能量和姿势能量消耗。 新陈代谢分析结果，见图7，从分析结果中可知，该项任务消耗的能量为6.715cal/min，比8.245cal/min的上限要低，这说明此项作业任务并不会造成肌肉的过度疲劳和损伤。

图7 新陈代谢分析窗口

2 轻便折叠轮椅优化设计

对现有轻便折叠轮椅的人机仿真分析之后，发现人机问题主要集中在踏板处，因此对踏板做出优化设计。 原有扶手、坐垫和靠背的设计不能很好地贴合人体生理曲线，对舒适度也有一定影响，因此也对这些部分进行优化设计。

2.1 踏板优化设计

踏板位置过于靠上靠后，对于第95 百分位的老年人乘坐者来说舒适度欠佳，为了满足乘坐人员舒适度的需求， 将踏板原有的固定设计改成可调式设计，见图8。

图8 踏板优化设计

2.2 扶手优化设计

图9 扶手优化设计

扶手部分原本为钢管型材包覆软质橡胶，不能很好地贴合腕部的曲线， 影响舒适度。 且原有的扶手长度偏短，起不到支撑上臂的作用因此将原有的设计修改，见图9。

2.3 靠背及坐垫优化设计

原有靠背和坐垫均为平面，舒适度较差。 靠背侧面的曲线应当与人体腰椎曲线保持一致，能让乘坐人员保持脊柱的正常生理曲度，因此将靠背与坐垫的设计修改，见图10。

图10 靠背及坐垫优化设计

3 优化设计后轮椅人机仿真验证

由于是在原有轮椅基础上进行优化设计， 部分部件如把手处等已满足人机工程学的部分并没有重新进行设计，因此只对乘坐人员进行舒适度分析、下背部受力分析和静态强度预测，验证优化设计后方案的可行性。

3.1 轮椅模型导入与配合

优化设计后的轻便折叠轮椅模型见图11。为了便于进行人机仿真，在保证关键点位置不变的前提下将模型进行简化， 在Rhino 软件中将模型导出为stl 格式，并导入人机工程仿真软件Jack 中，并对之前创建的第95 百分位中国老年人人体模型和第50 百分位中国成年人人体模型进行姿势调整， 与导入的轮椅模型配合见图11。

3.2 下背部受力分析

图11 人体模型与优化设计后轮椅配合

分析结果，见图12，该项作业脊椎受力仅为464N，远低于美国职业安全卫生研究所规定的上限3400 N， 受伤风险小，所受的力矩也较小，肌肉紧张程度较低。

图12 下背部受力分析窗口

3.3 舒适度分析

分析结果见图13，头部屈曲、上臂屈曲、肘关节部位、腕部屈曲、大腿小腿部位、膝关节部位的舒适性均能得到保证。

图13 舒适度评价

4 结束语

在我国当前老龄化问题逐渐凸显的大背景下， 适老产品的设计越来越受到重视。 本文针对该款轻便手动轮椅人机工程学研究和优化设计是一次有意义的探索。本次设计研究采用人机仿真软件Jack 软件对轻便手动轮椅进行了人机工程学仿真分析， 对原有轻便手动轮椅中不符合人机工程学的地方进行了优化设计。 经过Jack 软件的验证，确认经过优化设计后的轮椅提高了乘坐人员的舒适性和安全性。 后续进一步的研究将会采用动作捕捉技术结合人体生物力学仿真， 对某款轮椅的使用者手动驱动轮椅的过程进行仿真分析， 在生物力学仿真软件中采集肌群力量数据，从而对轮椅的车架进行优化设计，设计出更符合人体工程学的轮椅结构。