基于人机工程学的帕金森老年人助行器设计研究

束晓永 余娣 李娇娇

关键词：人机工程学 帕金森 老年人 助行器 设计实践

引言

帕金森病是一种神经退行性疾病，发病年龄大约在50-60岁[1]。随着人口老龄化的加速，全球大约有超1000万的帕金森患者，中国的帕金森患者约占全球的四分之一。同时，帕金森的病症特点是慢性且无法治愈，从而导致患者和患者家庭遭受不同程度的折磨，面对这一庞大帕金森患者群体，助行器的使用需求也随之增加。因此，一款帮助患者解决个人出行问题的助行器，对于帕金森患者及其家庭来说尤为重要。现如今国内市场上助行器缺乏创新，无法满足用户需求，以帕金森患者为用户群体的助行器产品种类少且样式单调，所以为帕金森患者设计一款助行器，解决帕金森患者日常生活中的出行困难问题成为当今紧急且重要的事情。

一、老年人助行器现状

助行器是帮助用户支撑自身重量并辅助行走的工具。随着市面上助行器种类的多样化，依据功能和结构可将助行器分为三类：动力式助行器、功能化电刺激助行器和无动力式助行器[2]。动力式助步器是依靠外部动力辅助用户行走的工具。功能化电刺激助步器是通过电刺激人体下肢，从而帮助用户站立行走，但由于价格昂贵，普及性较差。无动力式助行器是指利用人体自身动力助步行走的工具，具有灵活轻便、适用性强等特点，其类别较为丰富，可分为助行杖和助行架两大类，助行杖依据人体使用部位的不同分为手杖、臂杖、腋杖等；助行架可分为无轮式助行架、轮式助行架等[2]，轮式主要分为两轮、三轮和四轮，无动力式助行器因使用简单方便，价格适中，应用最为广泛。目前国内市场上老年人助行器的研发设计仍处于初级阶段，帕金森老年人助行器与普通的老年人助行器同质化严重且，产品的类型单一，适用性不广泛。虽然如今的助行器产品随着用户需求的增加更加注重功能的多样性，但其附加功能的實际应用效果比较差，往往还会造成老年人的负担和累赘。

二、帕金森老年人用户分析

（一）用户特征分析

1.帕金森患者生理特征。帕金森老年人患者的临床特点表现为静止性颤抖、身体僵直、动作迟缓、姿势不稳等[3]。其中最典型的症状是静止性颤抖，大约30%-40%的帕金森患者在初始阶段会出现手脚颤抖的症状；身体僵直的主要表现是肌肉僵硬，由于四肢、颈部、面部等肌肉无法接收大脑传导的肌肉放松信号，致使肢体无法伸直；帕金森病晚期最主要症状是姿态不稳，患者会不自主地跌倒，导致身体其他部位受伤；冻结步态、行动迟缓具体表现为患者动作变慢且会影响行走的整个过程，患者无法做出连续动作。

2.帕金森患者心理特征。帕金森病的生理症状也会给心理带来不同程度的压力，帕金森老人常患有行为和情绪障碍。情绪障碍表现为常常伴有孤独感、焦虑感、过度依赖他人和自尊心强等特点[3]，并且超过30%的帕金森病例会出现重度抑郁症和焦虑症的倾向，帕金森症状影响了患者的行动能力，也影响着患者的情绪，导致患者性情大变。

（二）用户需求分析

1.生理需求。针对帕金森老年人群体的助行器设计，其生理方面的需求主要体现在：助行器能够帮助支撑身体保持平衡且可以在一定程度上缓解病情；在安全上要保证助行器稳定牢固、省时省力；操作简单方便、能够提供座椅便于行走途中休息、方便收纳等。

2.心理需求。帕金森老年人患者在心理需求方面需要更加注重关怀、包容和陪伴[3]，助行器的设计要能够帮助帕金森老年人独立出行并得到尊重，满足老年人的自我实现感；必须具有一键紧急制停功能，以防突发事件的发生；在产品形态设计上，需要具有一定的美观度，色彩上要符合老年人的心理预期并且具有时尚性，从而使帕金森老年人产生积极乐观的情绪。

三、帕金森老年人助行器的人机工程学分析

人机工程学是研究人（帕金森老年人患者）-机器（助行器）-环境（室内外）三者之间相互作用的学科，目的是为了使人机环境更好地符合帕金森老年人患者的生理和心理需求，确保用户安全、舒适、高效的使用机器进行活动。

（一）现有帕金森老年人助行器的人机要素分析

根据上述内容可知，无动力式助行器最适合帕金森老年人患者，所以将无动力式助行器作为主要分析对象。依据结构可将助行器分为三大部分，即把手、中部框架支撑和底部地面接触三大部分。上肢把手部分主要是把手和手刹；中部框架部分主要就是助行器的整体框架结构，包括助行器的高度调节、座椅、储物篮和可折叠等；底部地面接触部分指的是车轮。对市场上现有无动力式助行器进行调研，运用分类法从使用方式、车轮结构、功能三个方面进行归类，得到图1七种典型的无动力助行器，同时从安全性、易用性、轻便性、用户针对性、可调节性、造型、成本七个人机要素进行对比评价[4]。（见表1）

无动力式助行器依据使用方式可分为固定式和交互式。其中固定式助行器操作简单方便，但仅适用于上肢力量较强的用户，如果上肢力量不够则容易摔倒；交互式助行架较适合下肢力量较差，无法依靠固定式助行器站起来的用户。依据车轮结构可将助行器分为两轮、三轮、四轮，其中两轮助行器利用前轮行进，后方助行器两脚为刹车，手部向下按压即可自动刹车，较为安全但行进时也需要用力轻微提起助行器；三轮、四轮助行器适合协调性差，无法提起助行器，握力正常并能使用刹车装置的用户，此类助行器较适用于户外。依据功能可分为单一功能、多样功能助行器，单一功能助行器唯一功能就是辅助用户行走；多功能助行器在辅助行走的基础上，附加了储物篮、休息座椅等功能。综上所述，无动力式四轮多功能助行器更能满足帕金森老年人患者的日常出行需求。

（二）帕金森老年人助行器人机要素设计要求分析

在GB1OOOO-88《中国成年人人体尺寸国家标准》中，男、女性的年龄上限分别为60岁和55岁[5]。在国标成年人人体尺寸参数的基础上，再根据帕金森老年人的生理、心理特征对助行器尺寸进行调整，最终以帕金森老年人患者的人体尺寸参数作为产品尺寸设计依据。根据上述研究，帕金森老年人助行器设计的两大基本功能是辅助行走和提供休息区域，需将助行器中的人体尺寸分成站姿与坐姿操作模式两种参数。站姿操作模式是指人体姿态在直立时，将助行器作为助步工具，此状态下用户手握助行器的把手部分，利用上肢控制助行器的方向带动底部滚轮向前滑动，进而带动行走不便的下肢往前移动，在站姿操作模式中需要确认的人体尺寸参数有身高、肩宽、肘高、手功能高和手最大宽[6]；坐姿操作模式是指用户坐在助行器的坐垫上休息的姿势，通过坐姿操作模式需要确定的人体尺寸参数有坐高、坐深、坐姿臀宽、坐姿肩高和小腿加足高[6]。（见表2）

根据人机尺寸百分位的应用方法，在帕金森老年人助行器设计中，需要两个人体尺寸百分位数作为产品尺寸设计的上限值和下限值，根据规定选择女性第5百分位尺寸作为站、坐姿最小尺寸标准，男性第95百分位尺寸作为站、坐姿最大尺寸标准[7]，将两种百分位数的尺寸筛选可得人体尺寸范围表（见表3），上述数据中的人机尺寸一般是身着单衣的情况下进行测量的，需要增加功能修正量，成年人的穿衣修正量为坐高、肘高+6mm，臀宽+13mm，臀膝距+20mm，穿鞋男+25mm，穿鞋女+20mm。

四、帕金森老年人助行器设计原则

人机工程学为老年人产品设计设定了许多原则，帕金森老年人患者作为特殊的老年人群体，针对帕金森老年人患者的生理和心理上的敏感性和特殊性，在产品设计的过程中需要融入更多的关怀和包容。

（一）安全性原则。确保安全是助行器设计中最重要的要素，助行器的出现就是为了辅助帕金森老年人日常生活中独立行走，防止行走过程中无故摔倒，在产品设计过程中要避免直尖角、过度凸起和凹陷等造型，同时产品需要具有一定的容错度，即帕金森老年人误操作，也不会产生反作用伤害，所以助行器产品一定要确保整体的安全性[8]。

（二）轻便易用性原则。随着帕金森老年人年龄上升，病情也会加重，学习能力和记忆力逐渐退化，因此产品操作时需要降低难度，简化操作，甚至可以选择不需要动脑的惯性操作，这样帕金森老年人在使用新产品时也不会因陌生而产生抗拒心理，方便日常使用。材料的轻便是帕金森老年人日常出行产品的必备标准之一，外出活动中，轻便的产品更易于携带。

（三）舒适性原則。产品设计过程中要考虑到帕金森老年人与国标老年人人机尺寸参数的区别，结合帕金森老年人的生理和心理修正量，设计出最舒适的使用操作模式，实现产品无障碍化操作。在材质上，亲肤的位置需要更加柔软舒适的材质，粗糙或者较为冰冷的材质则需要排除在外。

（四）美观性原则。在帕金森老年人产品设计中应更注重美观性，老年人因帕金森病症时常会产生自卑和焦虑感，美观的产品会给用户心理增加愉悦，也会提升用户的使用体验。在产品设计时需注重造型、色彩方面，产品的造型应较为圆润光滑，产品在色彩选择时应考虑老年人的审美，色彩上应选择较为温暖的色调，不易过于沉闷或亮丽。

（五）情感化原则。为帕金森老人设计产品时需要更进一步考虑情感因素，即在满足基本使用功能的基础上，还要满足情感需求，使用户在使用产品时产生积极愉悦的情绪，在设计时应更加注重融入情感，体现出对帕金森老年人的关怀，促使产品和帕金森老年人产生情感共鸣。

（六）经济性原则。老年人由于长年累月的消费习惯，通常比较节俭，消费更为理性，经济实用、物美价廉的产品更能获得帕金森老人的喜爱，所以在设计时应该考虑产品的性价比，产品的材料选择要做到低碳、环保、物美价廉[9]。

五、帕金森老年人助行器设计方案

（一）设计创意

依据帕金森老年人生理、心理特征和需求，并以人机工程学为理论基础确定帕金森老年人助行器人机尺寸的参数范围，遵循以上设计原则，设计出一款用户群体为帕金森老人的无动力式四轮多功能激光助行器（见图2）。此款助行器设计的创新点在于改变以往助行产品的冰冷感，着重体现对帕金森老年人特殊群体的身心关怀，在人机尺寸设计上体现出对帕金森老年人的针对性和包容性，在功能上实现可旋转座椅设计，可旋转座椅方便老年人休息，给老年人更多安全感；针对冻步结态、步态缓慢等症状，行走时设置红色激光线条照射前方，红色激光作为可视信号鼓励帕金森老人在室内外行走，增加帕金森老年人的自信心；产品整体框架易折叠携带，一键按钮式刹车操作简单；色彩更加符合老年人审美特征，时尚美观。

（二）人机分析

帕金森老年人助行器的整体结构是X形（见图2），X形框架特点是更加稳固安全，设计结构由折叠框架、座椅、置物挂钩、把手、紧急刹车按钮和激光灯等部分组成。尺寸和结构（见图2）是依据表三中帕金森老年人部分人体尺寸范围表和上述研究内容而定，助行器高度即手握部分的高度，依据表三中肘高尺寸范围845-1118mm，再考虑到帕金森老年人由于病情而产生的弯腰程度更剧烈，则设定助行器的高度为850-900mm；座椅高度是依据小腿加足高尺寸326-462mm，加之帕金森老年人穿衣修正量和心理修正量，确定座高为470mm；座椅宽度是依据坐姿臀宽328-418mm，加之帕金森老年人应注意保暖，穿衣较厚，则穿衣修正量取20mm，在坐姿情况下，帕金森老年人可以微调姿势会更加舒适一些，两侧的心理修正量为40mm，则确定座宽为420mm；座椅深度是依据坐深403-492mm，衣着修正量取20mm，则确定座深为450mm；靠背高为32mm，能够很好地托住腰部；按照市面上灯孔尺寸，确定激光灯灯孔直径设为10mm；把手的旋转角度为130°，把手轻微向下斜，使用时更加省力；两个后轮水平距离为420-520mm，前后轮水平距离为530-630mm。

帕金森老年人助行器中人机关系的设计，包括助行器的整体形态，尺寸大小，角度放置，部件位置，结构受力，功能设置是否合理和谐。在助行器设计中，帕金森老年人与助行器共同构成了助行器的人机系统，形成更合理的人机关系，使帕金森老人使用时可以缓解自身的行动障碍，得到安全、舒适的使用体验[10]。

（三）设计功能分析

1.助行支撑功能：助行器最为主要的功能就是支撑人体重量并辅助用户行走，主体框架呈X形，结构稳定，安全感十足。

2.灯光激励功能：助行器行进时设置了红色激光灯照射前方功能，手握助行器把手时，通过传感器感应可自动开启激光灯，手部离开把手时则激光灯熄灭，操作简单方便。激光开启时在助行器的正前方出现一条红色的激光线条（如图2），作为行进时的可视信号，激励帕金森老年人向前行走，缓解帕金森老人身体僵直，步态缓慢，冻结步态等症状。

3.休息功能：休息坐垫可旋转，需要使用时则可以调整至座椅模式（如图3），平常不需要使用座椅时，则可以将坐垫由下向上抬起收起。

4.储物功能：传统的助行器通常会在助行器底部设计储物篮储物，考虑到帕金森老年人不方便弯腰拿东西且出行时也不会携带重物，帕金森老年人助行器只設计了储物挂钩，通常携带的物品包括药片，水杯等较轻物品，储物挂钩不仅可以满足用户需求，也简化了助行器结构和减轻了助行器整体的重量。

5.可折叠功能：助行器后腿部分可向前折叠，后轮部分也可向上折叠，整体可折叠成一字形，可折叠操作在家庭外出游玩时就比较方便，可轻松折叠放入轿车车内。

6.刹车功能：采用了一键按钮式操作，不需要帕金森老年人具有很强的手部握力，需要刹车或者发生紧急情况时，帕金森老人只需要将两侧按钮向里按，则启动刹车装置，实现一键制停，操作轻松简单。

（四）设计要素分析

1.结构分析。助行器分为两种使用模式，在站姿情况下使用的结构是X形（见图3），安全稳固，给帕金森老年人足够的安全感；在坐姿情况下（见图3）可将坐板旋转至水平角度进行使用，需出行携带时或者平时无需使用时可将助行车进行折叠放置（见图4），减少占地空间，易于出行携带；把手形状依据手部轮廓设计，提升手握的舒适度。

2.材料选择。助行器设计在材料上注重轻便结实，以质轻、耐腐蚀、色泽光亮美观的铝合金型材为主；连接件采用耐磨性好且运动顺畅的合金材料；座椅和靠背采用柔软的皮质材料，满足帕金森老年人的生理需求；把手采用橡胶材料，耐磨防滑并且柔软；其余辅助部件选用塑料，强度高且具有较好的造型能力[11]。

3.色彩搭配。助行器在色彩上以黑、灰色为主色调。黑色沉稳给人安全感，灰色作为搭配色调采用铝合金材质，体现出轻便感，橙色作为跳色搭配，为老年人增加自信心，刹车制停按钮选用红色，对比明显且警示性高，确保老年人在遇到危险时能够及时辨别快速触碰。

助行器是帕金森老人与外界联系的重要工具，也是支撑帕金森老人外出参与社交活动中较为稳定的工具，参与社交活动在一定程度上舒缓心情，延缓病情的恶化，增强帕金森老人的自信心，提高老年生活质量。

结语

随着帕金森老年人患者的逐年增加，帕金森患者自身以及其家庭各方面的压力也逐步加大，对帕金森患者生理和心理压力的缓解成为重要课题。助行器能够为帕金森患者出行提供帮助，提升患者生活质量，减少对家人的依赖，一定程度上保证了患者自身安全，给予帕金森患者自我满足感。本文基于人机工程学的基础上对无动力式四轮多功能激光助行器进行再设计，有助于更好地为帕金森患者服务，缓解帕金森患者及其家人的压力、给予病患积极的心理关照。希望通过本文研究，能够吸引更多设计师关注帕金森患者，从而使更多优质产品进入患者日常生活，提升帕金森患者的生活质量，让患者拥有一个美好的晚年生活。