基于人机工程学的多功能残障人轮椅设计与仿真

赖李李，魏鹳蓉，张娜，王璐，郑卓唯，徐洁莉，黄楚云

(台州学院 航空工程学院，浙江台州 318000)

1 引言

轮椅是老年人、残疾人、重大疾病患者的代步工具，而且还是因偏瘫、截瘫等原因造成的肢体伤残者的康复工具，帮助他们利用轮椅参与有关的社会活动或训练肢体。医学研究表明，肢体的康复训练能够帮助经过药物治疗和手术治疗的偏瘫后遗症患者恢复运动机能。鉴于市场上的轮椅功能单一，大部分仅能帮助残障人士实现行走功能。却不能进行康复训练，因此不能真正满足残障患者的需求;会增加家庭成员或者医护人员的劳动强度［1］;此外，残障人士由于不能得到及时有效的康复训练，不能获得较好的康复效果。致使许多患者失去了最佳的康复训练期，肌肉得不到很好的锻炼，进而萎缩直至失去运动功能。因此，急需设计一种功能更加全面的轮椅。最大限度地恢复患者的运动功能和健康状况，提高其生活品质的同时还能减轻看护人员的强度。

国内外学者对轮椅进行了爬楼功能、转弯功能、导航功能、避碰功能、控制算法等方面的研究。王占礼［2］，M ichael Hinderer(2017 年)［3］和Giuseppe Quaglia(2017 年)［4］等人研究了具有爬楼梯功能的电动轮椅。Jin - Seop Song(2015年)［5］等人采用机电联合仿真的方法对轮椅的转弯性能做了研究，研究表明，所设计的控制算使轮椅具有更优的转弯性能。李军强［7］等人对步态进行了研究，采用主动和被动控制策略控制下肢康复训练器。陈灵［7］等人就轮椅在狭窄通道的行驶做了研究，提出了路径曲率优化算法，能保证轮椅平滑通过。李爱萍［8］在轮椅的功能设计方面做了研究，分别设计了具有提升功能的上肢机构、具有回收功能的座椅和能够自由收放脚的脚蹬机构，分别利用Matlab 和ANSYS 软件进行动态仿真和零部件强度校核。Vinh The Nguyen(2018 年)［9］考虑了使用者和护理人员的社会舒适性，提出了一种新颖的并排轮椅导航模式，该模式综合考虑了友好连接因素，使用者、护理人员的最佳行走速度等。Taizo Miyachi(2016年)［10］设计了具有避碰功能的“意识轮椅”，提出具有传感网络的“意识轮椅”能够识别两米内的危险，发出警告，并给操作者和护理人员提出合理的建议。赵玉洁［11］为电动轮椅加载了包括总控制模块、超声波传感器探测模块、智能避碰模块和能源驱动模块的智能避碰系统。

从已有的文献来看，对轮椅进行人因方面的研究并不多。Barry S.Mason(2013 年)［12］等人将使用者和轮椅作为一个整体，运用人机工程学得相关知识，对篮球轮椅进行设计。秦田［13］和高阳［14］采用人机工程学的相关知识对设计轮椅。但是，这些研究都缺乏相应实验或者仿真验证。

而轮椅是以人转动手轮为输入，与操作者的关系异常密切。因此，在轮椅设计中必然会涉及较多的人机工程学知识。现有市场上的轮椅除了功能较单一之外，设计中也很少将人的因素考虑进来。所以，非常有必要借助人机工程学的方法设计一款符合残障人士的身心要求的多功能轮椅，且需要进行相关的人机验证。故本文采用人机工程学的方法设计了具有多种功能的轮椅，并运用JACK 人因仿真软件进行验证。

2 轮椅人因分析

2.1 使用人群生理分析

轮椅的使用者主要包括老年人、残疾人和疾病造成的功能障碍者。在本文中的设计针对的主要是老年人和残疾人。

2.1.1 老年人生理机能及行为特点

随着年龄的增长，老年人的生理机能会退化，行为会变得迟缓，如表1 所示。

表1 老年人生理机能及行为特点

从表1 我们可以看出，老年人的生理机能和行为会随着年龄的增加而退化，在设计轮椅时，需要遵循其生理特点。具体设计时，应注意:(1)造型上避免尖角，尽量使用圆弧，可以减少老年人收到损伤;(2)材质上应尽量有防滑功能，避免老年人摔倒，材质轻量化，老年人使用较小的力就能操作轮椅;(3)操作不能复杂，尽量简单化，出现故障时，应有提示音提醒。

2.1.2 残疾人生理机能及行为特点

残疾人作为一个特殊的群体，他的生理机能与行为与普通人有一定的不同，如表2 所示。

表2 残疾人生理机能及行为特点

根据表2 可知，残疾人的生理机能和行为与所受创伤程度有关。具体在设计时，应特别关注以下内容:(1)操作尽可能简化，减少残疾人的活动范围;(2)功能尽可能全面，满足残疾人的正常生活所需;(3)能根据残疾人不同的身形对轮椅进行适当的调整，增加残疾人的舒适度。

2.2 使用人群心理分析

2.2.1 老年人的心理特点

(1)老年人的机能退化，反应变得迟缓;

(2)记忆力减退，不容易学习新的东西，且容易遗忘;

(3)容易产生抑郁感孤独感等不良情绪。

根据老年人的行为特点，设计时注意操作要去繁就简。材质色彩应偏暖色系，让老年人沐浴温暖。

2.2.2 残疾人的心理特点

根据残疾人的心理特点，在设计时因注意保护残疾人的隐私，并尽可能让残疾人获得极大的舒适感，以减少残疾人的心理压力。材质色彩选择上同老年人，尽量选择暖色系，如表3 所示。

表3 残疾人的心理特点

3 基于人机工程学的轮椅设计

3.1 功能分析

为了解决残障人士和老年人在日常生活中实现移动、升降、上肢训练等问题，提高其生活品质，本文总结多功能轮椅的功能设计需要满足一下要求:

(1)自主移动功能:帮助老年人和残障人士实现室内移动，这个功能目前比较成熟，一般的轮椅都能够满足。

(2)可升降功能。当使用者需要移步到床上或者其他躺椅上时，需要护理人员将轮椅推至床边，按下控制开关，通过提升机构将轮椅上的人抬至与床相同的高度，护理人员无需费力抱起残障人士就可轻松地将其移送到床上，劳动强度得以极大地减轻。此外，在无护理人员在旁边时，残障人士还能自己取得高处所需的物品。

(3)康复训练功能。轮椅使用者，往往下肢存在功能障碍，但上肢功能一般无碍。可以设计相应机构进行上肢的训练，比如上肢康复训练机(如图1)。

图1 上肢提升机

对于下肢部分功能存在障碍，可以通过加强下肢康复训练，帮助其更快地恢复健康，可设计相应的下肢康复训练装置。如图2 所示:

图2 下肢康复训练机

3.2 基于人机工程学的轮椅尺寸设计

轮椅主要由轮椅架、车轮、座椅、制动系统等组成。

(1)轮椅架

图3 轮椅架

铁质的轮椅骨架刚度和强度较好，但是重量较重;纯铝管重量较轻，强度和刚度不够，安全性差。新型材料铝合金安全性好又轻巧，是极佳的替代材料。文中采用新型铝合金固定式车架(如图3)，因为结构比较简单耐用，方便老年患者正常使用。结构强度大，体重比较重的患者也可以使用。成本比较低，一般家庭都能过购买。

(2)椅轮

椅轮的前部采用万向轮，灵活性好。轮椅两侧的手轮采用大轮，大轮的外圈装有手轮，方便患者自行移动轮椅。一般来说，两侧的大轮越大，转动一圈，移动的距离就越大，也就更容易越过障碍物。但是，太大的轮子会使轮椅所占的空间增大。而且，轮子的高度要适合患者坐着的时候，能够使患者方便而轻松的转动手轮。为了使所有的患者都能够使用，文中设计的大轮直径为560 mm。

充气式轮胎和实心轮胎是目前较常使用的轮胎形式。前者的减震效果好，但需要定时打气。后者不用充气，推行阻力较小，但减震效果不佳。综合考虑，选用实心轮胎，对于减震效果不佳，可以通过改善座垫的减震性能。

(3)制动装置

制动装置主要实现减速功能，当轮椅停放在陡坡上，使用者操控不住车架，轮椅会在坡上下滑，甚至翻覆倾倒，对使用者构成巨大的威胁，因此，制动装置对轮椅来说是必不可少的。制动装置有多种形式，本文采用肘节式刹车。这种刹车是采用杠杆原理，利用连接杆的连动而实现刹车功能。原理简单，而且制动效果也较好。

(4)座椅

座椅是轮椅的重要组成部分［15］。患者坐得舒适，除了材质的要求外，还需要对座椅的尺寸进行设计。这是因为合理的尺寸能够使使用者的姿势舒适，可以避免因姿势不当而受到伤害。合理的座椅尺寸还可以了分散人体的体压。因此，对座椅进行设计非常有必要。

人体的坐高、臀宽，臀膝距决定着座椅的高度、宽度和深度，若座椅的尺寸设计的太小，则使用者会有压迫感;尺寸设计过大的话，肘不能放置于扶手上，还会浪费材料，占据过大的空间。座椅高度过高，则使用者的腿脚会悬空，腿部受到挤压，血液流通不畅，易造成使用者腿部麻木。

人体的坐姿尺寸是轮椅尺寸设计的主要参考数据，如表4 所示。

表4 坐姿人体尺寸(单位:mm)

(5)坐垫。坐垫与轮椅面的接触面积最大，最贴近使用者，承受着来自使用者臀部的大部分重量;容易使长时间使用者生褥疮。因此，坐垫设计往往需要参照使用者的臀部形状和尺寸大小进行。材质的选择需要综合分析与使用者的安全、舒适性密切相关的因素，如抗压强度、耐磨性能以及透气效果等。但是坐垫不宜太过柔软，否则承重后，下压太大，致使使用者坐得不舒服。

(a)座宽。选用第95 百分位成年女性在坐姿情况下的臀部宽度尺寸［16］，外加衣服的厚度和功能余量。最小功能尺寸=382 +25 ×2 =432，座宽可选用440 mm。

(b)座深。即座面的前确保能使臀部得到全部支撑。最小功能尺寸=401 +25 =426，选用在435 mm 比较合适。

(c)座高。指的是座面到脚踏板的竖直高度，等于人体小腿的长度加上脚的厚度。为了保证不同个体都能处于舒适的状态，建议坐高做成可调形式，较小的尺寸按第50 百分位的成人女子设计，较大的尺寸按第95 百分位数的成年男子设计，故最终可调范围为:375 ～390 mm。

(6)靠背。靠背区分为角度固定式和可调式两类，其外形尺寸一般会遵循人体的背部曲线设计，以满足舒适性为基本原则。

(a)靠背宽度。靠背的宽度以肩宽为设计依据，一般略小于椅面宽度，尺寸不能小于400 mm。文中采用的坐宽为440 mm，因此靠背的宽度也为420 mm。

(b)靠背高度。选用第95 百分位成年男子坐姿时座椅面至腋下的距离作为设计依据。靠背的高度不同，作用也不同。靠背高度越高，其稳定性也越佳，越低则使用者的上半身和上肢的活动范围会变大［2］。但是，过高的话，也会阻碍使用者。如太高的靠背，使用者回头看后方的实现会受阻。靠背过低的话，使用者的重心容易不稳，对重心的控制提出了更高的要求。因此，本文的靠背设计应该适中。除了考虑第95 百分位的男性坐姿颈椎点高701 mm 外，还要考虑成年女子第5 百分位的坐姿颈椎点高579 mm。为了满足大部分人群的需要，本设计中靠背高度取650 mm。

c)靠背倾角。设置靠背倾角的目的是保证使用者有一个比较正确的姿势，一般取值为95°-105°(如图4 所示)。本文中采用100°的靠背倾角。

图4 靠背倾角

d)靠背侧面曲线。靠背的侧面曲线应与人体正常人体腰椎曲线(如图5 所示)保持一致。即靠背在腰椎处前凸，胸椎处后凸。这样的设计，能使使用者保持脊柱的正常弯曲。

图5 正常人体腰椎曲线

综合以上，设计出如下图6 所示的座椅三维模型:

图6 座椅三维造型

(7)扶手。扶手至座椅面的距离为扶手高度。合适的扶手高度能一定程度上增强使用者的舒适性。不使用手时，将手放置于扶手上，能够减轻疲劳。扶手高度应稍低于坐姿肘高，宜在225 ～250 mm 之间选择。文中以第95 百分位的成年男子坐姿肘高为设计依据，为了获得更好的舒适性，应在此基础上减去一定的尺寸。本文设计的扶手高度=298 -60 =238 mm，扶手宽度以大于手臂宽度为宜，文中采用的设计尺寸为70 mm。

(8)腿托和脚托。腿托对使用者的小腿和大腿能起到一定的支撑作用，减轻使用者的疲劳。脚托可以防止使用者因脚不着地造成崴脚，还可以减少使用者臀部和大腿受到的压力，减少臀部或大腿下方生褥疮的可能性。在文中，脚托还用于支撑下肢训练机。

3.3 轮椅色彩设计

在设计轮椅时，若将色彩的情感特征应用到轮椅的造型设计中，会使轮椅的情感吸引能力增强。如果将色彩与不同性别、性格特点等其他因素组合在一起，能帮助设计者创造出风格各异的轮椅来满足不同层次、品味的残疾人情感方面的需求［17］。市面上设计的轮椅车架材料一般为钢材、铝合金、碳合金等，出于成本的考虑，车架一般为材料本色，黑色或者灰色。这种色彩组合很容易引起一种消极、冷淡的感受，会使残疾人的空虚感和自卑感更加强烈。虽然轮椅上与使用者接触的部分往往会有硅胶等软性材料，但由于颜色搭配不合理，不能很好地传达关爱给患者。应增加色彩搭配的人情味，应在轮椅中适当加入比较鲜亮的颜色，如黄、橙、蓝等色彩，增强轮椅的温暖格调，舒缓残疾人的孤独感［3］。此外，为了避免因过多色彩引起烦躁感，在搭配色彩是宜选用一至两种色彩。

所以在设计轮椅时，根据零件的不同功能，选择不同的材质色彩，同时满足患者的视觉和功能要求。将轮椅扶手色彩设置成木质纹理，座椅的颜色采用橘色，显得比较温馨。

3.4 基于人机工程学的轮椅设计

综合以上的使用者生理和心理分析，轮椅的人机尺寸分析，功能分析，色彩分析等，设计出如图7、8、9 所示的多功能轮椅。

图7 轮椅三维模型造型

图8 轮椅三维模型主视图

图9 轮椅三维模型侧视图

4 基于人机工程学的轮椅仿真

本文JACK 软件对轮椅进行人因仿真。JACK 软件的界面比较简洁，操作也相对容易，对外围设备的输入也比较支持。它的主要优势是能够逼真地仿真三维数字人的行为。此外，三维人体模型形象逼真地模拟现实中的人是其另一优势，特别是手、脊柱、腿、肩等部位的三维模型。采用前向和反向运动学公式，能通过肢体末端的移动或者转动而确定人体的姿势。其他的优势还包括对关节的限制，力量的计算和分析，代谢能量的计算分析等。

4.1 数字人与仿真环境创建

在JACK 软件中，69 个部分和68 个关节构成了数字人模型。而且在导入数字人模型的过程中，还可以编辑模型的各个尺寸值，因此，数字人的仿真程度比较高［18］。可以通过选择数据库创建不同国家，不同性别的数字人。由于本文的使用者主要是中国人，尺寸设计时主要采用第95百分位的男性，因此，创建第95 百分位的中国数字人，如图10 所示。导入所创建的轮椅三维模型，并调整数字人的姿势，使其坐于轮椅上，如图11 所示。从图中可以看出初步设计出的轮椅存在以下几个问题，1)扶手高度不足，使用者休息时，够不到扶手;2)上肢提升机安装的位置不够高，会干涉使用者的头部;3)靠背高度稍微有些不足，肩部得不到较好的支撑。针对以上问题，作出相应的改进之后，并重新导入到JACK 仿真软件中，如图12 所示。

图10 数字人创建

图11 改进前仿真环境创建

图12 改进后仿真环境创建

4.2 TAT 工具

TAT 工具是Task Analysis Toolkit 的简称，即任务分析工具。它是JACK 软件特别重要的人因分析方法，它主要包括下背部分析、静态强度预测、搬运受力分析、新陈代谢分析、工作姿势分析等十大人因分析工具。根据轮椅的使用实际，本文仅进行下背部分析、静态强度预测、工作姿势分析和新陈代谢分析。

4.2.1 下背部分析

下背部分析能获得一定环境条件下，人体脊椎受力对下背部的影响。通过仿真，能够判别该项工作是否符合NIOSH(The National Institute for Occupational Safety and Health，美国职业安全与卫生研究生)标准。此外，还可得出该项作业是否会增加使用者的受伤几率。分析结果如图13、14、15 所示。从分析结果来看，该项作业脊椎受力仅为522 N，远低于标准值3 400 N，受伤的风险也较小。所受的力矩也非常小，几乎没有肌肉紧张程度。

图13 下背部受力图

图14 下背部力矩图

图15 下背部肌肉紧张程度

4.2.2 静态强度预测

静态强度预测指的是有多少比例的人能长时间地以任务中的姿势进行工作，是从动力学的角度来评估姿势的强度是否美国国家安全与健康协会发布(National Institute for Occupational Safety and Health，NIOSH)的强度标准。评估结果如图16 所示。因为我们的研究对象是轮椅使用者，大部分存在着行走障碍，因此膝盖和脚踝的百分比会低很多。其他部位的几乎为百分之百，表示几乎所有的残障人士能够以这一姿势转动轮椅。

图16 静态强度预测图

4.2.3 工作姿势分析

工作姿势是评价背部、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。仿真结果如图17 所示。工作姿势分析来看，该姿势非常正常、自然。对肌肉的负载在合理范围内，没有必要采取改正措施。

图17 工作姿势分析图

4.2.4 新陈代谢分析

新陈代谢分析能求得做某一项任务所消耗的能量大小。该分析可以分析现有的任务也可以分析新任务的能量消耗，明确该值不超过［NIOSH］的标准值。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。

Eposturs=Kposturs·Weight·Tposturs

其中，

Kposturs——是姿势的能耗系数

Tposturs是姿势的积累持续时间

Weight——人体重量

新陈代谢仿真结果如图18 所示，从图18 中可知，该项任务的代谢值为0.847 cal/min，远低于标准值8.245 cal/min，表明该项任务不会造成肌肉疲劳和损伤。

图18 新陈代谢分析图

5 讨论

从以上对轮椅的任务分析结果来看，使用者使用轮椅时，身体各个部位处于比较舒适的状态。

下背部分析表明肌肉不会出现紧张状态，说明座椅靠背的设计比较合理，能够对使用者背部起到很好的支撑作用。静态强度预测分析表明，轮椅使用者膝盖和脚踝的百分比会低很多，这是因为大部分的使用者存在行走障碍，与实际情况相符。工作姿势分析结果表明使用者的背部、手臂、腿部等处于舒适状态，表明座椅靠背宽度设计合理，使用者的背部有较大的活动余地，靠背倾角能提供较好的支撑，靠背曲线符合人体脊柱曲线，能有效防止背部受伤;座椅座面的设计高度合适，腿部有较大的活动空间，久坐也不会乏力。新陈代谢分析结果表明，操作轮椅这项任务的代谢值远低于标准值，不会造成使用者的肌肉疲劳和损伤。非常适合老年人和残障人士体力不足的特点。

综合来看，基于人机工程的设计方法能较好地指导设计。Jack 人因仿真软件可以根据实际情况对虚拟的任务场景进行模拟，对设计改进起到较好的反馈作用。

6 总结和展望

随着社会经济水平的不断提升，人们越来越关注老年人和残疾人的健康与安全。人们对于产品的良好情感体验也有更大的需求。本文基于人机工程学设计了多功能轮椅，解决了残障者的康复训练需求，同时确保了轮椅在工作时的舒适性和安全性。(1)针对老年人和残障人士的生理和心理特点设计的轮椅，使用起来更加舒适安全。(2)轮椅的多功能设计，可将帮助残障者移送至床上，减轻了护理人员的劳动强度的同时还可以帮助残障人士进行康复运动。(3)通过JACK 软件对轮椅进行人因分析，如发现零部件尺寸设计不合理，可以及时地更改设计，更好地符合使用者的要求。但也存在一些不足，比如，功能不够全面。没有爬坡功能、自动避碰功能等。希望今后做一些这方面的功能设计。轮椅针对的研究对象是老年人和残障人士，未考虑未成年人出现肢体障碍的情况。