人机工程学在老年人轮掎设计中的应用研究

仝帼英

摘要：我国即将迎来老龄化社会，那些由于行动不便而必须使用轮椅的老人也会越来越多，但对于长时间坐在轮椅上的老人来说，很容易会产生疲劳感和不适感。本文先对人机工程学进行了简单的介绍，进而对基于人机工程学下老年人轮椅的舒适性进行了研究，并对基于人机工程学下老年人轮椅的轻量化进行了分析，希望本文的研究成果能够为老年人轮椅的改造及创新提供技术方面的支持。

关键词：人机工程学；老年人轮椅；轻量化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.198

1人机工程学

1.1人机工程学的定义

人机工程学是一门由人体科学、劳动学、管理学以及工程学交叉形成的边缘型学科。它研究的内容主要是人体处在某个工作环境时的身体机能运行情况和各个器官工作情况等要素；研究人体、机器、环境三者之间的相互影响情况；研究人们在工作、生活与娱乐时面对效率、健康、安全和舒适度等状况如何系统性地考虑的新型学科。

1.2人机工程学在老年人轮椅中的应用

有关调查表明，老年人长时间坐在轮椅上会产生不舒适的感觉，这是因为普通轮椅其相应的坐垫与靠背并没有同人机工程学的设计原理结合起来，这自然无法让老年人坐在轮椅上时产生舒适感。坐垫与靠背这两个部分是影响老年人坐在轮椅上的舒适感的最关键的因素，应尽量让老年人的脊柱处在一个符合生理需求的体位，并维持在正常生理需求的曲度范围内。

2基于人机工程学下对老年人轮椅舒适性的研究

2.1老年人轮椅舒适性坐垫曲面研究

当前，大多数轮椅的坐垫都是由不算太硬的布垫制作的，这种材质与老年人的生理结构有一定的矛盾，所以老年人坐在这样的轮椅上时很容易感觉到疲劳。但如果老年人直接坐在轮椅自带的坐垫上，坐骨结节就会承受过大的压力，这个压力往往要超出毛细血管端所能承受压力的范围，导致缺血以及压疮的出现。若想克服这一问题，我们可以向所设计的轮椅座面上参照老年人的坐态和体压及其相应的分布特点，设计一层不太软也不太硬的坐垫，来确保轮椅的舒适度。

2.2老年人轮椅舒适性靠背研究

轮椅的靠背曲面会对老年人的舒适性和健康产生直接的影响，但靠背曲面如何提高舒适度这一问题会涉及到是很多不同类型的学科及知识，并且需要对这些学科和相关知识加以综合地应用，存在着超出想象的難度。老年人由于年纪的增大，身体的机能和状态也都出现了一系列的变化，骨组织的重量也越来越轻。从有关资料可知，男性骨质大约每10年减少4%，女性骨质大约每10年减少8%，所以骨质疏松症在高龄老人和分娩次数较多的老年妇女中较为常见，在设计老年人轮椅的靠背曲面时，必须充分考虑这些因素对老年人舒适度的影响。

以对老年人的轮椅背靠曲面进行建模来分析，在本文中，计算机的辅助设计工作是凭借PRO/E平台来实现的。这个模型的基础理论是自由曲面建模理论，并结合了实物模型技术和表层模型技术，用曲线形状的网格和点位分散的网格来定义模型的形状。这个定义措施制造出的曲面形状的模型可以凭借改变定义的曲线形状、改变原先的参数的数值、改变原有几何图形所对应的数学特征等策略来完成对模型的掌控、改造、输入等操作步骤，并根据上面的结果来算出靠背的曲面形状的大的模型的曲率和对应的实际尺寸。

模型的形状特征、曲率、和实际尺寸都符合要求的轮椅靠背，能够有效地让人体省去很多没有意义的肌肉工作。由于老年人使用轮椅的时候往往会向后靠，让自己的身体处在一个更加放松的姿态，所以在研制老年人轮椅的靠背时应该以肩靠的形态为主。但是，老年人坐在轮椅上时不可能总向后倾，当他们累的时候也会对自己的坐姿加以调整。

3基于人机工程学下对老年人轮椅轻量化的分析

3.1坐垫结构的有限元分析

想要利用人机工程学理论来实现老年人轮椅的轻量化，就必须对坐垫结构和轮椅结构分别进行有限元分析。在现代化的有限元的分析策略中，很多有限元的建立模型都是根据几何图形的知识作为基础理论并加以升级而建造出来的，只有一小部分的有限元的建立模型是直接使用有限元所在的分散网格中进行模拟操作而加工形成的，如果事先就有大量的准去无误的数据的话，可以使用第二种制造模型的措施，但其操作量要比第一种方法大很多。

3.2轮椅结构的有限元分析

和建立坐垫的曲面形状的模型的办法相同，建立轮椅的形态及其结构的数学模型也要使用PRO/E才能完成，并向其中导入I-DEAS软件来对其采取分析和验证有限元的操作。在I-DEAS中建立轮椅的车身和对应的骨架模型之前，必须先对原本比较复杂的模型进行一定程度的简化，这样能够建模所需的时间得到大幅度地减少，并使主要问题更加突出。在对轮椅结构的有限元进行建模时，具体的简化方法和步骤如下：

（1）向PRO/E的内部导入轮椅在装配时的实际结构特点的过程极其复杂，但是一些结构的特点只是想要符合结构在使用时被标记在上面的很多无关紧要的要求而制作的，并不是按照对轮椅装配结构自身强度的要求而制作的，如两侧建造出来的挡板，用脚踏在上面的木板和起到连接作用的部件等。

（2）螺孔与螺钉之间的连接部位需要利用实体化的连接措施来完成简化等操作。

（3）螺纹和露眼的孔等特殊结构，需要按照截面的实际性状和其具有的特点完全一致的基础上，将这些部件的结构加以简化，结构特点只是小程度地影响截面特性的部分可以把它们全都扔掉。

4总结

综上所述，老年人轮椅在构造及设计上与普通轮椅存在较大的差别，尤其是在轮椅的舒适度和轻量化上更为明显。笔者通过对轮椅的结构以及老年人的特点进行综合分析，巧妙地将人机工程学应用到了轮椅的研究设计当中，这样才能使老年人轮椅拥有舒适性、轻量化等特征，更加适合老年人使用。我们可以相信，对老年人轮椅的研究在未来必将成为轮椅设计制造领域中的一个重要方向。