基于AHP和ANSYS的养老院共享轮椅设计与研究

摘要：文章旨在研究养老院的轮椅设施使用现状，并提出养老院共享轮椅的方案，鼓励老人们走出房间，与其他老人交流和建立社交关系，提高养老生活质量。运用层次分析法得到具体需求权重，进行养老院共享轮椅设计，通过ANSYS有限元分析验证该轮椅的结构安全性。完成养老院共享轮椅的模型及系统设计。集成AHP层次分析法和ANSYS分析的轮椅创新设计流程，分析求解得到该轮椅主要承重结构可靠，确保老人使用安全，实现养老院内健康安心养老。

关键词：养老院；共享轮椅；AHP层次分析法；ANSYS分析；养老

中图分类号：TB472 文献标识码：A文章编号：1003-0069（2024）12-0128-04

Abstract：The purpose of this paper is to study the current situation of wheelchair facilities in nursing homes，and put forward a plan to share wheelchairs in nursing homes，so as to encourage the elderly to go out of the room，communicate with other elderly people and establish social relations，and improve the quality of life for the elderly. Using analytic hierarchy process to get the specific demand weight，the nursing home shared wheelchair design，through ANSYS finite element analysis to verify the structural safety of the wheelchair. Completed the model and system design of the nursing home shared wheelchair. The innovative design process of the wheelchair integrates AHP and ANSYS analysis，and the analysis and solution obtain that the main load-bearing structure of the wheelchair is reliable，ensuring the safety of the elderly，and realizing the health and peace of mind in the nursing home.

Keywords：Nursing home；Shared wheelchairs；AHP analytic hierarchy process；ANSYS analysis；Provide for the aged

引言

随着人口老龄化现象的加剧，养老院的数量不断增加，而养老服务也成为日益紧迫的问题。2023年《关于推进基本养老服务体系建设的意见》中提出了“推进基本养老服务体系建设的重要任务，旨在实施积极应对人口老龄化的国家战略，实现基本公共服务的均等化”。因此，也需加强对基本养老服务体系建设的重视，让老年人能够享受到更好的养老服务。

共享理念是指人们方便地分享和利用各种资源和服务，以提供更多选择、降低成本，并促进社会互助和合作。这种模式逐渐渗透到人们生活的各个方面，从出行到办公，从住宿到娱乐等。随着老龄化趋势的加剧，共享模式与老年人群体之间必然会产生交集，老年人也逐渐成为共享模式中不可或缺的一部分[1]。在养老院中，老年人常常需要使用轮椅来帮助他们更好地出行和照顾自己。因此，将轮椅与共享理念相结合，可以极大程度满足养老院内老人对轮椅的使用需求，并不断优化养老服务体系的建设。目前，养老院中共享轮椅的设计研究相对较少，针对性的轮椅设计也有待进一步完善。文章基于养老院用户需求进行挖掘，提出了可行的共享轮椅设计方案，并进行了方案评估，以确保使用过程中的安全问题，从而提升了养老院老人的生活幸福指数。

一、共享轮椅及养老院轮椅研究现状

（一）共享轮椅研究现状

近年来，共享轮椅也逐渐成为医院和公园等公共场所的常见设施。这种趋势的发展为老年人和行动不便的人群提供了更多的便利和支持。在医院中，共享轮椅的存在降低使用者的时间、精神和体力成本，提高使用者的让渡价值[2]。在公园中，也可以帮助长时间走动的游客缓解疲劳，在社区里，也能为行动不便的老人提供共享轮椅服务。但当下对于养老院的共享轮椅使用设计研究较少。

通过“共享轮椅”“养老院”“养老”等关键词在多个数据库进行检索。发现高敏[3]将场景理论带到医院共享轮椅设计中，并模拟场景进行了方案评估。于靖靖[4]针对行动不便的用户进行调研并设计了公共场所使用的共享轮椅设计。李洋等[5]利用人机工程学理论及方法，以共享服务为目标，解决老人短途出行问题。可以发现，目前国内学者在共享轮椅具体使用流程以及结构可靠验证存在空白。

（二）武汉部分养老院内轮椅现状

据悉，目前武汉养老机构大约有一百多所，也主要分布在各区中心的社区街道，针对武汉市社会福利院、武钢南山老年公寓等不同层次养老院进行调研，如表1所示。

从上述几个养老院案例的分析中，笔者发现：1）不同类型的养老院提供给老人的养老环境有较大差别，同时其能够为老人提供的服务也十分有限。2）养老院里轮椅数量有限，能使用到轮椅的老人不多。3）院内现有轮椅主要分为手推式轮椅和电动轮椅等。其轮椅材料多采用塑料和钢材，整体重量较重，不够轻便。4）养老院内现有的轮椅结构功能比较单一，缺乏可调节的扶手，座椅高度，座椅角度等功能，不够人性化。5）部分轮椅安全性较低，缺乏安全带，制动器等安全设备，容易发生一些不必要的事故。6）养老院内缺乏对老年人的心理关怀，略显孤独与消极[6]。有的轮椅缺乏人工进行维护和保养，也会导致轮椅的使用寿命会减少。

总体看来，共享轮椅的引入不仅能够减少养老院管理成本，同时也为老人生活融入新的活动。结合各养老院特点进行新型共享轮椅设计，达到养老院新型养老模式。

二、基于AHP养老院共享轮椅需求权重分析

（一）AHP层次分析法

AHP层次分析法是一种用于多准则决策的定量分析方法。确立决策目标再构建层次结构，将决策目标分解为具体的准则和子准则。对于每个准则层次，创建出一个判断矩阵，用于比较准则之间的相对重要性。通过对判断矩阵进行公式计算，得到每个层次准则的权重向量后进行一致性检验，如果CR小于某个预定义的阈值（通常为0.1），则可认为判断矩阵是一致的。根据各个准则的权重向量，对决策选项进行综合评估和权衡，选择最优的决策选项。文章采用AHP层次分析对老人在共享轮椅使用需求上进行比较分析，根据需求权重进行排序，以获得最佳设计需求，为设计实践提供客观指导。

（二）构建养老院共享轮椅需求评价层次指标

在筛选并整合各用户需求后对共享轮椅的需求进行层级分析。初步确定一级需求层为共享轮椅需求；其对应的一级准则层可分为五类，即安全性、舒适性、可用性、经济性、可持续性。如图1所示。在安全性上，保证设计和使用共享轮椅时的安全性能，包括结构安全性、制动系统可靠性和碰撞措施保护性。在舒适性上，在使用共享轮椅中能够给用户带来的舒适感和便利性，包括座椅舒适性、尺寸匹配性和靠背可调性。在可用性上，共享轮椅服务能够达到一定的效果，包括预约取还便捷性和使用界面友好性。在经济性上，轮椅的成本效益和经济可行性能够为各类型用户所接受，包括成本效益、租用费用和运营成本。在可持续性上，即共享轮椅服务对环境、社会和经济方面的长期影响，促进可持续的出行方式，包括能源效益、材料效果友好性和回收利用等。

（三）和积法构建需求判断矩阵并求解

1.构建判断矩阵。本研究共发放26份问卷，邀请养老院专家6名，养老院常住老人15名，养老院护工5名。根据AHP层次分析法设计了各层次需求的调查问卷，按照两两对比给出更重要需求的分值。

2.求得需求权重。利用给出分值形成矩阵，计算最大特征根，对矩阵进行一次性检验。首先计算矩阵每行乘积m次方，从而得到一个m维向量。

通过上述公式计算得到特征向量分别1.165，1.016，1.012，0.959，0.848，如表2所示，结合特征向量计算出最大特征根5.234，利用最大特征根值计算得到CI值为0.059。对应RI值为1.120，通过计算CR=0.052<0.1，因此本次研究判断矩阵满足一致性检验。从表中得到需求重要程度为：安全性>舒适性>可用性>经济性>可持续性。其中结构安全性是轮椅设计中最需要考虑到的因素之一，同时也需要根据用户的指标层需求权重进行准则层更为合理的设计。

根据上述表3～7分析，各方案层指标CR值均小于0.1，说明评价结果可靠。在设计实践中应重点关注以下几个方面：1）确保轮椅整体结构的安全性，以保障老人在使用过程中不发生意外情况。让老人在轮椅上能够感到安全和稳定，享受舒适的体验。2）设计可调节式的靠背以满足院内老人使用轮椅的不同状态。老年人的身体状况和偏好可能不同，靠背的倾斜度应可适当调节，以提供个性化的支撑和舒适性。3）系统界面应简洁易懂，方便老人操作。老年人可能不熟悉复杂的技术设备，轮椅的使用界面应设计简单直观，按钮和控制器的布局应易于理解和操作，避免老人因操作困难而失去使用信心。4）在成本方面应控制在合理范围内，轮椅的费用不宜过高。养老院需要购买多个轮椅，因此成本控制对于实施共享轮椅方案的可行性至关重要。同时，需要考虑轮椅的耐用性和维护成本，以确保经济效益和可持续性。5）优先选择环保友好的材料，并考虑共享轮椅的后续回收和再利用。可使用可循环利用的材料，减少对自然资源的消耗，让轮椅在使用寿命结束后能进行再回收和处理，以降低对环境的影响。

三、养老院共享轮椅设计方案

基于前文对AHP权重分析结果，笔者对养老院的共享轮椅的外观、结构、功能和使用流程等方面，综合考虑各指标进行创新设计。以下是具体的设计方案。

（一）共享轮椅外观设计

在养老院里，共享轮椅的外观设计同样具有重要意义。一个好的外观设计能够提供老年人更好的使用体验，促进他们的社交参与和生活质量。该轮椅采用了灰色、橙色和黑色的整体配色方案。旨在帮助老年人更容易发现和识别轮椅的存在，对于视力较差的老年人尤为重要，能够减少他们在养老院里寻找轮椅时的困扰。如图2所示，灰色和黑色主要应用于车身和座椅等大面积区域，提供稳定和低调的基调。橙色作为强调色，用于一些关键位置的标识和装饰，如控制按钮、安全带或座椅边缘，从而突出重要的功能区域和操作部件。整体外观设计注重圆润化，减少直角和尖锐边角的使用，降低碰撞和刮擦的风险。此外，轮框采用轻量化、高强度和耐腐蚀的铝合金材质，从而提高共享轮椅的安全性能和耐久性，满足院内老年人在推行和操控轮椅时的需求。

（二）舒适稳定的轮椅结构

轮椅作为院内老人的代步工具，结构设计要考虑到能否为老人带来安全便捷的使用体验[7]。

1.靠背设计：考虑到老年人常采用后仰坐姿以减轻生理负担的特点。通过老人向背部施加向后的力，该轮椅可以实现靠背角度的调节，使其与背部紧密贴合，避免形成滞空[8]，从而提供更舒适的使用体验。靠背采用具有优异弹性的聚氨酯泡沫软垫，能够有效适应老年人的身体曲线，减轻背部压力，有效减少不适和疲劳感。

2.扶手设计：为满足院内老人的身形和需求，该轮椅经过设计成可调式样，便于老人在使用过程中根据个体差异调节至最佳的扶手位置。此外，轮椅内置红外线感应灯、电池和电动机等装置，以满足轮椅运行和充电等功能需求。

3.控制手柄设计：老年人认知和运动能力在逐渐衰退，操作按钮设计更具备清晰可辨识性，便于老年人对于功能理解的需求。此外，按钮布置于老年人容易触及和操作的位置，确保其能够轻松掌握并灵活操作。按钮功能涵盖前进、后退、暂停和紧急停止等，其按压力度和反馈感能满足老年人对触觉反馈的需要，有助于老年人更精确地操作和控制轮椅。

4.脚踏板设计：脚踏板位于轮椅前方，并具备水平翻折功能，旨在为老年人提供脚部放置和支撑的便利。设计考虑到老年人需求，允许大腿与小腿在90°至120°的弯曲范围内调整，以适应不同的坐姿状态，如图3所示。使得老年人能够在使用轮椅时获得更舒适的姿势支持，从而提升其使用轮椅体验。

（三）易于老人操作的使用步骤

共享轮椅主要为养老院内有出行需求老人提供便利，同时也可以进行院内观光，避免老人长时间行走导致过度劳累。如图4所示，具体使用步骤如下。

1.提前预约：老人可以在应用程序中根据自己的需求选择预约时间以及院内路线，如图5所示，通过界面上提供的信息进行决策。界面设计上可操作区域清晰可辨，颜色对比度较为适中，整体布局较为简洁，以促进院内老年人的操作效率和易用性。

2.轮椅取用：在指定的时间内，老年人需要前往养老院内距离最近的轮椅站点取用轮椅。通过设备可以查看可用轮椅的电量，确保是否能够满足行程距离，并选择电量充足的轮椅进行使用。

3.使用轮椅：预约成功并选择适合的轮椅后，老人开始使用共享轮椅，在养老院内进行观光、社交和休闲活动。在行驶过程中，如果老人遇到任何意外情况，他们可以按下紧急按钮，以提醒护工或养老院的相关人员，以便及时解决问题并提供帮助。

4.轮椅归还：当老人使用完共享轮椅后，也需要将轮椅归还到指定的地点。护工或管理员收集轮椅并将其放回站点，以进行充电或维护等工作，从而确保轮椅的可用性和良好的状态。

通过共享轮椅的使用，能极大程度满足老人在院内的出行需求，并参与更多社交和休闲活动，从而提升他们的生活质量。为院内老人提供了更多的选择权和自主权，从而更好地享受养老院的生活和环境。

四、共享轮椅承重结构评估

（一）ANSYS有限元分析

ANSYS是一款用于进行结构分析的工程仿真软件。通过创建三维几何模型，将模型定义合适材料属性，选择合适的网格密度，在模型上加载部分条件，模拟实际使用情况，计算结构中的应力分布，以评估结构的强度和可靠性[9]。文章将设计实践的轮椅模型导入ANSYS中，进行相关结构分析，帮助验证共享轮椅结构，评估其性能。

（二）有限元分析与检验

1.模型导入。在进行轮椅的受力分析之前，对模型进行了有针对性的简化，剔除了扶手、控制杆、靠背、轮胎以及座椅等次要部件，仅保留了主要的结构组成部分。通过简化模型，能更加专注地研究轮椅的基本结构在承受重力时的情况，从而进行准确地分析。

2.材料的定义。考虑到共享轮椅在户外环境中需要具备足够的强度和耐久性，选择了6061-T651铝合金作为导入材料。该材料在ANSYS中的参数值如表8所示。能够承受较大的负荷和应力，保证轮椅在使用过程中的结构稳定性和可靠性，适合用于模拟轮椅的承重结构。

3.结构网格划分。对实体模型进行网格划分，设置网格大小为10mm，以保证求解结果的精确性。划分后的网格包括44592个节点和23110个实体单位。

4.施加载荷。为了模拟轮椅在实际运行过程中的情况，在轮椅的承重A、B处各施加500N的载荷，并在C、D处设置固定支撑，如图6所示。从而模拟轮椅在使用过程中承受的实际力和支撑情况。

5.求解。经过静力学分析后，求得轮椅的等效应力和等效应变图，如图7所示。可以观察到在轮椅的衔接处出现了应力集中的区域，特别是在一些结构强度较高的地方，数值达到0.0014mm。在车架衔接处和杠杆处的两端，出现了最大的等效应力，其数值约为77.305MPa。

在本次仿真分析中，使用铝合金6061-T651的最大屈服强度为276MPa。与该屈服强度相比，可以看出，轮椅结构的最大等效应力远小于铝合金的屈服强度。因此，可得出结论，该轮椅结构设计能够满足轮椅所需的强度和刚度要求[10]，有效保障老年人在使用轮椅时的安全和舒适性。

结语

文章以共享理念为出发点，聚焦于养老院老人的轮椅使用情况，并分析了现有不同类型养老院及其轮椅设施，设计出了更方便养老院老人共享的出行工具。通过AHP层次分析法，深入了解养老院老人、护工和管理人员对于共享轮椅的需求，并确定了需求各准则层的权重，设计出在养老院环境下使用的智能共享轮椅。为了确保共享轮椅的结构可行性和安全性，采用ANSYS有限元分析方法对轮椅主要结构部件进行了强度分析。通过模型求解得到该结构强度能够满足使用需求。尽管前期进行了需求性探索和相关数据分析，但由于各养老院老年人的身体状况差异较大和表达能力退化等因素，调研老年用户的意见和需求仍然有限。为了更全面地研究共享轮椅不同老年人的实际需求，将会采用多种调研方法完善养老院共享轮椅的设计研究。

参考文献

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[2]肖智星.顾客让渡价值视角下的医院共享轮椅创新研究[J].现代经济信息，2019（17）：26-27.

[3]高敏. 基于场景的共享轮椅设计研究[D].山东建筑大学，2023.

[4]于靖靖. 基于共享模式下的行动不便者辅助轮椅产品的设计研究[D].华北电力大学，2022.

[5]李洋，刘国闯，刘苏等.基于AHP-QFD的共享老年代步车人机工程设计[J].包装工程，2023（18）：007.

[6]张琰琰，高志彤，唐文.基于老年人情感需求的养老院空间改造设计研究——以武汉市养老院空间改造设计为例[J].设计，2023，36（15）：46-49.

[7]庄璇，杨子倩.智能轮椅的发展与设计原则[J].设计，2022，35（07）：110-112.

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[10]张军，张建祥，余志强等.基于ANSYS的可旋转智能多功能护理床结构分析[J].齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2023，39（04）：34-40.