人機(jī)工程學(xué)課程設(shè)計(jì)--輪椅的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及人機(jī)分析

1、<p>　　輪椅的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及人機(jī)分析</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　摘要: 人機(jī)工程學(xué)是運(yùn)用人體測量學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科的研究手段和成果，即將人體特性、能力和活動(dòng)限度等方面的數(shù)據(jù)用于機(jī)械系統(tǒng)及其所處環(huán)境的設(shè)計(jì)中去，使操作者能安全、舒適和高效率地工作。人機(jī)工程學(xué)就是研究與解決“人—機(jī)—環(huán)境”三者協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使人機(jī)系統(tǒng)和諧的

2、學(xué)科。 輪椅是殘疾人依靠手臂以車代步的一種工具，隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，殘疾人逐步受到重視，由于輪椅的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，對于下肢肢殘者可以通過輪椅進(jìn)行適當(dāng)?shù)膽敉怏w育活動(dòng)，輪椅越來越多的被殘疾人使用，輪椅的安全性、高效率性、乘坐舒適性等人機(jī)工程學(xué)方面的因素得到了設(shè)計(jì)者更多的重視。將輪椅置“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)中，按人機(jī)工程學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。輪椅各方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)將會(huì)直接影響到殘疾人的安全、健康及舒適程度。按照人機(jī)工程學(xué)中“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，在輪椅的設(shè)計(jì)

3、過程中要跟家注重“人—輪椅—環(huán)境”的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。并要著重體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)的重要性。 本文基于人體測量學(xué)理論，以及人機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)；針對不同消費(fèi)水平和不同殘疾程度的人群，通過人體百分位的計(jì)算。在原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良設(shè)計(jì)。使殘疾人擁有更舒適的運(yùn)動(dòng)及娛樂體驗(yàn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué)；輪椅；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；安全；舒</p><p><b>　　引 言</b>&

4、lt;/p><p><b>　　研究背景</b></p><p>　　隨著社會(huì)的不斷的進(jìn)步，人們對于殘疾人的關(guān)注度也逐漸上升。生產(chǎn)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展把社會(huì)的生產(chǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)的人性化推向了一個(gè)全新的階段，設(shè)計(jì)的“人-機(jī)-環(huán)境”的相互統(tǒng)一與“以人為核心”的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)成為整個(gè)現(xiàn)代社會(huì)設(shè)計(jì)生活運(yùn)作的重要基礎(chǔ)，人們對于產(chǎn)品的舒適性以及安全性的要求也不斷督促著設(shè)計(jì)者們的推陳出新。

5、隨著智能時(shí)代的來臨，專門為殘疾人設(shè)計(jì)的設(shè)施也已逐漸成為一項(xiàng)大從的迫切需求，殘疾人設(shè)施的人機(jī)因素的研究也越來越受到人們的重視。</p><p>　　輪椅作為殘疾人的一種輔具，它以人作為動(dòng)力，與人有著十分密切的關(guān)系。在輪椅的設(shè)計(jì)與使用過程中，包含著大量的人機(jī)工程學(xué)問題。為了使輪椅的設(shè)計(jì)更趨于成熟，為了使操作者在操作時(shí)更加方便和舒適，則需要運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)的原理來設(shè)計(jì)輪椅。并通過對其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化時(shí)使用者更加舒適和安全。并基

6、于人機(jī)工程學(xué)的原理和方法，根據(jù)人體測量數(shù)據(jù)，外形尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對其結(jié)構(gòu)尺寸、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和舒適性等進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更加簡單、操作更加方便、安全可靠的輪椅。</p><p><b>　　本設(shè)計(jì)研究的初衷</b></p><p>　　隨著時(shí)代的迅速發(fā)展，人們對于自身用品的安全性和舒適性的要求也越來越高！殘疾人的座椅的設(shè)計(jì)業(yè)慢慢的加入了人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)因素，它設(shè)計(jì)中的

7、人機(jī)工程學(xué)也越來越多的考慮到了殘疾人的自身感受和愿望。</p><p>　　在輪椅的使用過程中，不斷發(fā)現(xiàn)的不足也讓人們不斷的生產(chǎn)中改進(jìn)這些缺陷。因此，本文在讀輪椅原本結(jié)構(gòu)的人機(jī)分析后，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。讓殘疾人在使用過程中，更加感受到安全、舒適和靈活性！</p><p>　　人機(jī)工程學(xué)意義和重要性</p><p>　　人機(jī)工程學(xué)是一門關(guān)于技術(shù)和人的協(xié)調(diào)關(guān)系的學(xué)科。是

8、研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素；研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用；研究人在工作中、家庭生活中和休假時(shí)怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學(xué)科。該課程從不同的方面和角度向我們陳述講解了人體工程學(xué)的知識(shí)。用以設(shè)計(jì)使操作者能發(fā)揮最大效能的機(jī)械、儀器和控制裝置，并研究控制臺(tái)上各個(gè)儀表的最適位置。</p><p>　　圖1 人機(jī)工程分析與評價(jià)系統(tǒng)圖</p><p

9、>　　同時(shí)人體工程學(xué)是一門與人密切相關(guān)的學(xué)科，而人本身就是一種情感豐富卻又敏感脆弱的動(dòng)物，他們對于生活充滿渴望和幻想，渴望生活、熱愛生活、追求生活的人便會(huì)希望自己所生活的環(huán)境舒適、充滿溫情。而這一夢想，便可以通過設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。原始社會(huì)的設(shè)計(jì)，就像人類所有的發(fā)明創(chuàng)造一樣，總是抱著改天換地，方便生活的目的產(chǎn)生的。每一件物品，每一個(gè)造物的過程，都在無意的探詢?nèi)祟愔?。人們?chuàng)造物品的同時(shí)，也在自發(fā)的追求著使用產(chǎn)品時(shí)的舒服，安全等，考慮人的

10、不同要求。其實(shí)人體工程學(xué)的重要性不是現(xiàn)在才顯得尤為重要，而是早在遠(yuǎn)古時(shí)代，它就處在了不可缺少的的地位，只是隨著時(shí)代的變遷、社會(huì)的進(jìn)步，這一學(xué)科便變得日益重要。</p><p>　　國內(nèi)外人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)發(fā)展和現(xiàn)狀</p><p>　　人機(jī)工程技術(shù)是21世紀(jì)信息領(lǐng)域需要解決的重大設(shè)計(jì)。美國21世紀(jì)信息技術(shù)計(jì)劃中的基礎(chǔ)研究內(nèi)容為4項(xiàng)：軟件、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算機(jī)。其中，人機(jī)建模研究在信息技

11、術(shù)中被列為與軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等并列的六項(xiàng)國家關(guān)鍵技術(shù)之一，并被認(rèn)為“對于計(jì)算機(jī)工業(yè)有著突出的重要性，對其它工業(yè)也很重要”。美國國防關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃不僅把人機(jī)交互列為軟件技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容之一，而且還專門增加了與軟件技術(shù)并列的人機(jī)界面這項(xiàng)內(nèi)容。日本也提出了FPIEND21計(jì)劃（Future Personalized Information Environment Development），其目標(biāo)就是要開發(fā)21世紀(jì)個(gè)性化的信息環(huán)境。我國97

12、3、S-863、十五計(jì)劃及未來的十一五計(jì)劃均將人機(jī)交互列為主要內(nèi)容。</p><p>　　在中國，人機(jī)工程學(xué)的研究在20世紀(jì)30年代開始即有少量和零星的開展，但系統(tǒng)和深入的開展則在“文革”以后。1980年4月，國家標(biāo)準(zhǔn)局成立了全國人類工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，統(tǒng)一規(guī)劃、研究和審議全國有關(guān)人類工效學(xué)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的制定。1984年，國防科工委成立了國家軍用人－機(jī)－環(huán)境系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)。這兩個(gè)技術(shù)委員會(huì)的建立，有力

13、地推動(dòng)了我國人機(jī)工程學(xué)研究的發(fā)展。此后在1989年又成立了中國人類工效學(xué)學(xué)會(huì)，再在1995年9月創(chuàng)刊了學(xué)會(huì)會(huì)刊《人類工效學(xué)》季刊。20世紀(jì)90年代初，北京航空航天大學(xué)首先成立了我國該專業(yè)的第一個(gè)博士學(xué)科點(diǎn)，隨后南京航空航天大學(xué)、西北工大、北京理工大學(xué)、北大醫(yī)學(xué)部等大學(xué)也先后成立了相應(yīng)的專業(yè)。當(dāng)前，隨著我國科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對工作條件、生活品質(zhì)的要求正逐步提高，對產(chǎn)品的人機(jī)工程特性也會(huì)日益重視。一些廠商把“以人為本”、“人體工學(xué)”的設(shè)

14、計(jì)作為產(chǎn)品的賣點(diǎn)，也正是出于對這種新的需求取向的意識(shí)。</p><p>　　1.13本設(shè)計(jì)的來源和研究內(nèi)容</p><p>　　本設(shè)計(jì)來源于早期的輪椅設(shè)計(jì)。根據(jù)早期輪椅的設(shè)計(jì)，從人機(jī)工程學(xué)的角度重新使其結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，使使用者更加感受到它的安全性和舒適性。同是使人性化、綠色化和可持續(xù)化在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中更充分的體現(xiàn)出來。</p><p>　　在早期的輪椅設(shè)計(jì)中，輪椅一般由專

15、業(yè)人員使用，對其設(shè)計(jì)著重于追求功能、工作效率和工作的可靠性?，F(xiàn)在，輪椅越來越多地由非專業(yè)的殘疾人使用，輪椅的設(shè)計(jì)要考慮它的使用和工作環(huán)境滿足操作者的生理和心理要求，達(dá)到工作環(huán)境舒適、安全、操作方便、減輕操作疲勞的目的。將輪椅置“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)中，按人機(jī)工程學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要從座椅系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)和乘坐舒適性等方面討論輪椅的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)問題，對于輪椅與人的“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)如圖2所示</p><p>　　圖

16、 2 人－機(jī)－環(huán)境系統(tǒng)圖</p><p><b>　　問題定義</b></p><p>　　在北京殘奧會(huì)召開后，人們在綠蔭場上看到了一抹美麗的身影。那是殘疾運(yùn)動(dòng)員們在運(yùn)動(dòng)場上揮灑自如的表演和夢想的實(shí)現(xiàn)。多少人在那一刻激動(dòng)的留下了眼淚。正因?yàn)檩喴蔚脑O(shè)計(jì)，它才讓很多身體有殘疾的人們有了實(shí)現(xiàn)夢想的工具。</p><p>　　而設(shè)計(jì)的發(fā)展總是要不斷的創(chuàng)

17、新才能更上一層樓，才能更符合人們的生活和學(xué)習(xí)的要求。所以，本文是對輪椅的結(jié)構(gòu)和外部材質(zhì)進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，使其更加符合運(yùn)動(dòng)員和普通人群的使用。</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與分析</b></p><p>　　輪椅的操縱者是在坐姿的狀態(tài)下工作的，為了使操作者在使用時(shí)處于舒適的狀態(tài)和適宜的環(huán)境中，在設(shè)計(jì)中就必須充分考慮人體坐姿的尺度。以座椅的結(jié)構(gòu)為例，主要考慮座寬、座

18、高、座深的設(shè)計(jì)尺寸。并為了使操作者在操作過程中始終處于安全和能夠準(zhǔn)確無誤的完成操作，對輪椅的驅(qū)動(dòng)輪的表面的材質(zhì)進(jìn)行一定的改和加工使使用者更加舒適。同時(shí)對其座椅的形態(tài)和材質(zhì)也進(jìn)行一定的改變，讓操作者在工作中不會(huì)處于疲勞的狀態(tài)下。從而使輪椅更加的發(fā)揮它的功能。</p><p><b>　　研究范圍</b></p><p>　　在市場上眾多的輪椅產(chǎn)品中選擇一款，通過和其他輪

19、椅產(chǎn)品的比較和分析，對其進(jìn)行市場調(diào)查得到反饋意見，從而進(jìn)行改進(jìn)。然后進(jìn)行人機(jī)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化使其更加完美。并在材質(zhì)上也進(jìn)行一定的改良，最好用一些耐用、吸汗性強(qiáng)和柔軟的材質(zhì)。</p><p><b>　　三維人體模型的建立</b></p><p>　　建立人體模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及處理</p><p>　　在人機(jī)工程分析與評價(jià)系統(tǒng)中,三維人體建模有以下特

20、點(diǎn):</p><p>　　( 1) 人機(jī)系統(tǒng)中的虛擬人注重運(yùn)動(dòng)特性,要求能夠仿真人機(jī)作業(yè)環(huán)境中的各種動(dòng)作,為動(dòng)態(tài)地進(jìn)行人機(jī)評價(jià)做準(zhǔn)備。</p><p>　　( 2) 基于人體測量數(shù)據(jù)的三維建模, 設(shè)計(jì)者必須熟悉適用條件、百分位的選擇等方面的知識(shí), 才能正確的應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù),明確設(shè)計(jì)對象, 然后再確定以該群體中的哪些百分位數(shù)作為參照的標(biāo)準(zhǔn), 要求能夠根據(jù)不同的適用環(huán)境構(gòu)造不同的虛擬人體。采用

21、了基于表面型來進(jìn)行人體建模,能夠滿足虛擬人的運(yùn)動(dòng)特性; 以人體測量數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),能夠按照給定參數(shù)( 如男女、身高、體重、三圍等) 建立人體模型。</p><p>　　所引用的主要人體測量數(shù)據(jù)</p><p><b>　　坐姿人體尺寸</b></p><p>　　人體測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用原則</p><p>　　人體測量數(shù)據(jù)的應(yīng)

22、用原則</p><p>　　2.13三維人體模型</p><p>　　如圖3,模型設(shè)定為成年男子,其身高為17750mm ,體重為75kg</p><p><b>　　圖3</b></p><p><b>　　坐姿的活動(dòng)空間</b></p><p>　　根據(jù)坐姿活動(dòng)空間的設(shè)計(jì)

23、原則和設(shè)計(jì)要求來座椅的尺寸。如圖4所示為坐姿活動(dòng)空間的示意圖。</p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　圖中：- 上身挺直機(jī)頭向前傾的身體輪廓，為保持身體姿勢而必須的平衡活動(dòng)已考慮在內(nèi)；</p><p>　　從髖關(guān)節(jié)起上身向前、向側(cè)彎曲的活動(dòng)空間；</p><p>　　上身不動(dòng)，自肩關(guān)節(jié)起手臂向上和

24、向兩側(cè)的活動(dòng)空間；</p><p>　　上身從髖關(guān)節(jié)起向前、向兩側(cè)活動(dòng)時(shí)手臂自肩關(guān)節(jié)起向前和兩側(cè)的活動(dòng)空間；</p><p>　　自髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)起腿的伸、曲活動(dòng)空間。</p><p>　　第三章 輪椅的三維設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1輪椅設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)</p><p>　　在早期的輪椅設(shè)計(jì)中，輪椅一般由專業(yè)人

25、員使用，對其設(shè)計(jì)著重于追求功能、工作效率和工作的可靠性?，F(xiàn)在，輪椅越來越多地由非專業(yè)的殘疾人使用，輪椅的設(shè)計(jì)要考慮它的使用和工作環(huán)境滿足操作者的生理和心理要求，達(dá)到工作環(huán)境舒適、安全、操作方便、減輕操作疲勞的目的。</p><p>　　3.1.1人機(jī)工程學(xué)的研究目的、內(nèi)容</p><p>　　人機(jī)工程學(xué)研究應(yīng)包括理論和應(yīng)用兩個(gè)方面，但當(dāng)今本學(xué)科研究的總趨勢還是重于應(yīng)用。雖然人機(jī)工程學(xué)的研究

26、內(nèi)容和應(yīng)用范圍極其廣泛，但本學(xué)科的根本研究方向卻是通過揭示人、機(jī)、環(huán)境之間相互關(guān)系的規(guī)律，以達(dá)到確保人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的最優(yōu)化。對工業(yè)設(shè)計(jì)而言，主要研究的內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：</p><p><b>　　1、人體特性的研究</b></p><p>　　2、人機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)</p><p>　　3、工作場所和信息傳遞裝置的設(shè)計(jì)<

27、/p><p>　　4、環(huán)境控制與安全保護(hù)</p><p>　　3.2輪椅的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)依據(jù)</p><p>　　輪椅的設(shè)計(jì)原則應(yīng)滿足工作座椅的設(shè)計(jì)要求和基本準(zhǔn)則。并在此基礎(chǔ)上還要更加注意一些細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，以滿足使用者在使用過程中的安全性和舒適性。</p><p>　　3.2.1工作座椅的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)要求</p><p>

28、　　首先，它應(yīng)滿足坐姿生理學(xué)。包括脊柱結(jié)構(gòu)；腰曲弧線和腰椎后突和前突；</p><p>　　其次，應(yīng)滿足坐姿生物力學(xué)。包括肌肉活動(dòng)度；體壓分布；股骨受力分析；和椎間盤受力。</p><p>　　最后，應(yīng)滿足坐姿人體測量尺寸。</p><p>　　在設(shè)計(jì)時(shí)英充分考慮到坐墊的材料的柔軟度和耐用以及透氣性好和吸汗等特性。并在其可調(diào)節(jié)部分的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，必須易于調(diào)節(jié)，必須保證在

29、輪椅使用過程中吧會(huì)改變已調(diào)節(jié)好的位置并不松動(dòng)。在其各零件的外露部分不得有易于傷人的尖叫銳邊，各部結(jié)構(gòu)不得存在可能造成擠壓、剪鉗傷人的部位等。</p><p>　　3.3輪椅運(yùn)動(dòng)員的坐姿舒適性及安全性</p><p>　　根據(jù)人機(jī)工程學(xué)中的“以人為本”的設(shè)計(jì)原則，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮到人的感受和使用過程中的坐姿舒適性。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)考慮人的坐姿舒適性。所以要根據(jù)座椅的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和滿足大

30、多數(shù)人的人體尺度參數(shù)來標(biāo)準(zhǔn)的去設(shè)計(jì)輪椅。</p><p><b>　　圖5</b></p><p>　　3.4 輪椅的結(jié)構(gòu)優(yōu)化</p><p>　　3.4．1 座椅系統(tǒng)</p><p>　　輪椅的操縱者是在坐姿的狀態(tài)下工作的，為了使操作者在使用時(shí)處于舒適的狀態(tài)和適宜的環(huán)境中，設(shè)計(jì)中就必須充分考慮人體坐姿的尺度。以座椅的

31、結(jié)構(gòu)為例，主要考慮座寬、座高、座深的設(shè)計(jì)尺寸。</p><p>　?。?）座寬按人機(jī)工程學(xué)的要求應(yīng)該滿足臀部橫向?qū)挾人枰某叽?，考慮到要包容大多數(shù)操作者，我國正常成人男女人體主要尺寸按GB10000－88 標(biāo)準(zhǔn)如表1、表2，按成人女子95 百分位數(shù)的臀部寬度，在設(shè)計(jì)中還要考慮衣服厚度和余量，座寬設(shè)計(jì)為400 mm。</p><p>　　（2）座高是座面到踏板面的距離，主要為了保證從踏板到

32、座面的距離，它相當(dāng)于人體小腿長度加上腳的厚度，考慮到不同的人都能在舒適的狀態(tài)下工作，則坐高應(yīng)做成可調(diào)節(jié)的，其調(diào)節(jié)范圍按成人女子P50 百分位數(shù)到成年男子P95 百分位數(shù)設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)可調(diào)范圍為：375 mm~390 mm。</p><p>　?。?） 座深是座面的前后距離，它應(yīng)能使臀部得到全部支撐，其深度一般相當(dāng)于臀部至大腿全長的3/4，按成人男子，95 百分位數(shù)應(yīng)不超過446 mm。</p>&l

33、t;p>　　表 1 男性18~55 歲主要尺寸</p><p>　　表2 女性18~55 歲主要尺寸</p><p>　　3.4.2 驅(qū)動(dòng)輪的布置</p><p>　　在輪椅行駛過程中，輪椅的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎是由操作驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)的，按人機(jī)工程學(xué)的要求設(shè)計(jì)最有利、最不易疲勞的驅(qū)動(dòng)輪布置。輪椅的驅(qū)動(dòng)輪和骨架的布置從正面看成外八字型，</p><p

34、>　　這樣的設(shè)計(jì)擴(kuò)大了輪椅的驅(qū)動(dòng)輪與地面的接觸面積，增進(jìn)操作輪椅的穩(wěn)定性，在驅(qū)動(dòng)輪椅時(shí)能夠使用較多的肩部肌肉，符合人機(jī)工程學(xué)的要求，達(dá)到省力不易疲勞的目的。</p><p>　　3.4.3 舒適性設(shè)計(jì)</p><p>　　輪椅的乘坐舒適性主要取決于座椅系統(tǒng)能否為使用者提供舒適的坐姿。舒適坐姿應(yīng)保證腰曲弧處于自然狀態(tài)，腰背肌肉松弛，上體通向大腿的血管不受壓迫，血液循環(huán)正常。

35、 人體質(zhì)量作用在座椅和靠背的壓力分布稱為體壓分布，它和坐姿密切相關(guān)。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，最舒適的體壓分布應(yīng)保證人體的大部分質(zhì)量以較大的支撐面積、較小的單位壓力合理地分布到坐墊和靠背上，壓力分布從小到大平滑過渡，無突變。</p><p>　　圖 6 靠背體壓分布圖圖 圖7 座墊體壓分布圖</p><p>　　圖 6 可以看出靠背上的體壓分布應(yīng)當(dāng)是腰靠部位最高。所以

36、設(shè)計(jì)座椅靠背時(shí)應(yīng)保證腰靠區(qū)能為人體提供舒適的支撐，以減輕腰部疲勞。</p><p>　　圖 7 可以看出坐墊上的壓力分布應(yīng)是坐骨結(jié)節(jié)處最大，由此向外逐漸減小，直至與坐墊前緣接觸的大腿下平面壓力最小。在設(shè)計(jì)坐墊時(shí)，應(yīng)保證坐骨面的座面近似水平，使人體重量的大部分集中在坐骨結(jié)節(jié)處，達(dá)到最佳體壓分布，減輕臀部疲勞。</p><p>　　圖8 靠背圖

37、 圖9 座墊圖</p><p>　　圖 8 為設(shè)計(jì)的輪椅的座椅靠背形狀，圖9座墊圖為設(shè)計(jì)的輪椅座椅坐墊形狀，它們均采用合理的弧面，靠背符合人體背部曲線，坐墊符合人體臀部曲線，都符合體壓分布，滿足舒適性要求。</p><p>　　3.4.4 輪椅三維實(shí)體造型</p><p>　　PRO/ENGINEER 是由美國PTC 公司推出的三維CAD/CAM 軟件

38、系統(tǒng)，它具有它強(qiáng)大的造型功能，基于本文以上的設(shè)計(jì)，采用PRO/E 工程軟件，對輪椅進(jìn)行三維造型，確定了零部件之間的裝配關(guān)系。其三維實(shí)體如圖10 所示。 </p><p><b>　　圖10</b></p><p>　　3．4.5 輪椅靜態(tài)強(qiáng)度分析</p><p>　　本文將PRO/E 軟件造好的三維實(shí)體模型導(dǎo)入IDEAS 軟件進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分

39、析。對輪椅進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，輪椅車體采用三角形殼單元，車體的聯(lián)接處采用三角形實(shí)體單元，靠背和坐墊在有限元分析中進(jìn)行了簡化。做了一種工況的驗(yàn)算：在驅(qū)動(dòng)輪的輪軸上建立約束，載荷作用在支撐坐墊的支架上表面，工況載荷計(jì)算</p><p><b>　　如下。</b></p><p>　　（1）體重：根據(jù)一般人體的體重與身高之間的關(guān)系，可取《中國成年人人體尺寸》中95 百分位點(diǎn)

40、的177.5 cm 身高的男性體重[3]。</p><p>　　WE＝H－100＝177.5－100＝77.5（kg）</p><p>　?。?）下肢重量：根據(jù)美國、加拿大和歐洲男性坐姿各部分尺寸計(jì)算公式，可求得177.5 cm 身高的男性的小腿重量、大腿重量。</p><p>　　小腿重量：WL＝0.042×WE＝3.225（kg）</p>

41、<p>　　大腿重量：WB＝0.0946×WE＝7.332（kg）</p><p>　?。?）施加在腳架上載荷為</p><p>　　WF＝WL＋WB＝10.56（kg）</p><p>　?。?）施加在坐墊支架上表面載荷為</p><p>　　WC＝WE－WF＝77.5－10.56＝66.94（kg）</p>

42、;<p>　　由應(yīng)力云圖7 可知，最大應(yīng)力σbmax =280 MPa＜σb=375 MPa。最大應(yīng)力在應(yīng)力允許范圍內(nèi)。</p><p>　　3.5 不同消費(fèi)等級的輪椅</p><p>　　由于使用者的收入不同，所以在輪椅的設(shè)計(jì)上也要分成不同的等級來適應(yīng)不同人群的使用。主要在其使用的材質(zhì)上分成不同的等級。結(jié)構(gòu)不會(huì)改變。分為專業(yè)型、普通型和一般型。</p><

43、;p>　　通過分類，使不同收入的消費(fèi)者都能接受和使用輪椅。感受運(yùn)動(dòng)帶給他們的快樂以及體會(huì)生命的美好。</p><p>　　第四章 輪椅設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程評價(jià)</p><p>　　4.1 輪椅設(shè)計(jì)中人機(jī)工程評價(jià)的主要內(nèi)容</p><p>　　在人機(jī)工程分析與評價(jià)系統(tǒng)中,常用的人機(jī)評價(jià)方法有視域、力和扭矩分析、舒適度分析、姿勢預(yù)測、可及范圍、疲勞和恢復(fù)、手動(dòng)操作局限

44、分析、新陳代謝能量消耗、快速上肢評估、靜態(tài)受力預(yù)測等。本文針對輪椅產(chǎn)品的特點(diǎn),考慮到操作方便、舒適和省力等設(shè)計(jì)要素,主要實(shí)現(xiàn)了舒適度分析與評價(jià)、產(chǎn)品的容納性、可及范圍和姿勢預(yù)測, 姿態(tài)分析等分析與評價(jià)算法。</p><p>　　( 1) 舒適度評價(jià), 舒適度著重于作業(yè)環(huán)境對人的影響, 舒適度概念指人在坐勢下的關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)靈活度。把人長時(shí)間在此姿勢下能夠接受,而且不會(huì)感到刺激和疲勞的區(qū)域定義為舒適的區(qū)域, 通過計(jì)

45、算關(guān)節(jié)的角度是否在這個(gè)舒適的區(qū)域內(nèi), 則可以判斷該部位是否處于舒適狀態(tài)。</p><p><b>　　圖11</b></p><p>　　通過對關(guān)節(jié)角度的分析動(dòng)態(tài)進(jìn)行舒適度評價(jià)如圖11 所示, 從評價(jià)結(jié)果可以看出,前臂和手的舒適度感覺較差。所以要對驅(qū)動(dòng)輪的位置做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整并對驅(qū)動(dòng)輪的外表做一定的設(shè)計(jì)使手接觸的時(shí)候更加的舒適。</p><p>&

46、lt;b>　　圖12舒適性評價(jià)</b></p><p>　　( 2) 容納和伸及的合格性</p><p>　　根據(jù)一般產(chǎn)品90%或95%適應(yīng)域的設(shè)計(jì)需要, 選用90 或95 人體百分位,判定人體是否與產(chǎn)品發(fā)生干涉。在人體尺寸選擇方面,如未指定評價(jià)人群的性別,人體尺寸默認(rèn)值選用兩性中的較大值。如男性的身高,女性的臀寬。當(dāng)然,在最終尺寸的確定中,還需要考慮著裝、軀干和上肢活動(dòng)

47、空間、心理空間等方面的修正量。伸及的合格性是指人體與產(chǎn)品“裝配”定位后,手、足可否觸及產(chǎn)品上特定部分,并實(shí)現(xiàn)預(yù)定操縱。。在人體百分位選用方面,根據(jù)一般產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要, 分別滿足使用人群的90%或95%。</p><p>　　( 3) 靜態(tài)受力分析, 人體在安全用力( 人體所能承受的力)狀態(tài)下完成任務(wù)。這項(xiàng)分析按照標(biāo)準(zhǔn)的工作姿態(tài)進(jìn)行分析, 確定可接受的初始力和可接受的最大持續(xù)力, 通過系統(tǒng)計(jì)算, 可得90%的人能承

48、受的最大的推力為186.832N, 最大的持續(xù)力為97.864N。根據(jù)對比受力標(biāo)準(zhǔn)可以看出,長期操作會(huì)引起手臂的肌肉勞損。</p><p>　　4.2 人機(jī)工程評價(jià)系統(tǒng)構(gòu)成</p><p>　　人機(jī)工程評價(jià)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)法、模擬裝置法和實(shí)際運(yùn)行測定法構(gòu)成。通過這些方法來對各種產(chǎn)品進(jìn)行人機(jī)評價(jià)。</p><p>　　折疊輪椅設(shè)計(jì)和制作的前景展望</p>&l

49、t;p>　　輪椅是康復(fù)的重要工具，它不僅是肢體傷殘者的代步工具，更重要的是使他們借助于輪椅進(jìn)行身體鍛煉和參與社會(huì)活動(dòng)。隨著社會(huì)的發(fā)展和人類文明程度的提高，人們特別是殘疾人愈來愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量和生活自由。再加上當(dāng)今世界各大城市都面臨老齡化問題，根據(jù)聯(lián)合國預(yù)測，1990-2020年世界老齡人口平均年增速度為2.5%，同期我國老齡人口的遞增速度為3.3%，老齡化速度快于世界老齡化速度。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人

50、民生活水平的不斷提高，預(yù)計(jì)在不久的將來，輪椅的社會(huì)需求總量逐年增長，這給輪椅行業(yè)帶來巨大的市場空間。</p><p>　　人機(jī)工程學(xué)輪椅設(shè)計(jì)的前景 </p><p>　　輪椅開發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)隨著社會(huì)的發(fā)展，也在快速的發(fā)展，隨著社會(huì)消費(fèi)水平及消費(fèi)檔次的提升，未來輪椅設(shè)計(jì)技術(shù)也會(huì)有很大的提升，將逐步向輔助行動(dòng)、方便輕巧、功能多樣等等方面發(fā)展。還有隨著社會(huì)的發(fā)展和人類文明程度的提高，人們特別是殘疾

51、人愈來愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量和生活自由度。因?yàn)楦鞣N交通事故、天災(zāi)人禍和種種疾病，每年均有成千上萬的人喪失一種或多種能力（如行走、動(dòng)手能力等）。因此，對用于幫助殘障人行走的機(jī)器人輪椅的研究已逐漸成為熱點(diǎn)，如西班牙、意大利等國，中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所也成功研制了一種具有視覺和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語音交互的機(jī)器人輪椅。機(jī)器人輪椅關(guān)鍵技術(shù)是安全導(dǎo)航問題，采用的基本方法是靠超聲波和紅外測距，個(gè)別也采用了口令控制。超聲波和紅

52、外導(dǎo)航的主要不足在于可控測范圍有限，視覺導(dǎo)航可以克服這方面的不足。在機(jī)器人輪椅中，輪椅的使用者應(yīng)是整個(gè)系統(tǒng)的中心和積極的組成部分。對使用者來說，機(jī)器人輪椅應(yīng)具有與人交互的功能。這種交互功能可以很直觀地通過人機(jī)語音對話來實(shí)現(xiàn)。盡管個(gè)別現(xiàn)有的移動(dòng)輪椅可用簡單的口令來控制，但真正具有交互功能的移動(dòng)機(jī)器人和輪椅尚不多見。有理由相信，未來的輪椅設(shè)</p><p>　　人機(jī)工程學(xué)輪椅制作的前景 </p><

53、;p>　　當(dāng)今世界各大城市都面臨老齡化問題，根據(jù)聯(lián)合國預(yù)測，1990-2020年世界老齡人口平均年增速度為2.5%，同期我國老齡人口的遞增速度為3.3%，老齡化速度快于世界老齡化速度。與其他國家相比，中國社會(huì)人口老齡化程度高，已逐步進(jìn)入老齡化社會(huì)。許多大城市，如上海、北京，老年人的比例已接近20%。在他們當(dāng)中，有相當(dāng)多的人因行走不便不得不依靠輪椅才能夠正常生活。</p><p>　　根據(jù)中華人民共和國國務(wù)院

54、新聞辦公室2006年12月在北京發(fā)布的《中國老齡事業(yè)的發(fā)展》報(bào)告提供的數(shù)據(jù)，2005年底，中國60歲以上老年人口1.44億，占總?cè)丝诘谋壤_(dá)11%。世界上60歲以上人口超過1億的只有中國。現(xiàn)在我國60歲以上老年人口每年以3%的速度遞增。在60歲以上的老年人口中，有相當(dāng)一部分老年人在日常生活和工作中，在疾病治療和康復(fù)過程中，都需要借助使用輪椅。另據(jù)第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)推算，全國各類殘疾人的總數(shù)為8296萬人。其中肢體殘疾有2412

55、萬人，占29.07%；多重殘疾1352萬人，占16.30%。在肢體殘疾和多重殘疾的群體中，有相當(dāng)一部分在生活、工作中，在治療疾病和康復(fù)訓(xùn)練中，也需要使用輪椅。如今，隨著老年群體病人的增加，輪椅的社會(huì)需求總量逐年增長，這給輪椅行業(yè)帶來巨大的市場空間。</p><p>　　我國輪椅產(chǎn)品在國際上的競爭力很強(qiáng)，其成本優(yōu)勢比較明顯，從臺(tái)灣地區(qū)“統(tǒng)計(jì)局”發(fā)布的對美出口的輪椅及代步車情況來看，我國大陸出口的輪椅及代步車價(jià)格普遍

56、低于韓國和我國的臺(tái)灣地區(qū)。2003年臺(tái)灣對美的平均出口價(jià)為641美元/輛，韓國對美的平均出口價(jià)為526美元/輛，而我國大陸僅僅為377美元/輛。價(jià)格差距十分的明顯。不過正因?yàn)閮r(jià)格低廉，所以我國輪椅產(chǎn)品在國際上的競爭具有較大的優(yōu)勢，出口市場十分看好。我國輪椅的出口市場多且規(guī)模都不小，尤其是歐美、澳、日和一些中東、東南亞國家和地區(qū)。我國輪椅出口市場潛力還有待進(jìn)一步開發(fā)，潛力巨大。</p><p>　　當(dāng)那些老年病人和

57、肢體殘疾病人出現(xiàn)關(guān)節(jié)僵硬行動(dòng)不便的時(shí)候最需要的是有人攙護(hù)，幫助，關(guān)愛，這是現(xiàn)實(shí)。如何幫助他們實(shí)現(xiàn)行動(dòng)自由的愿望和想法，除了需要社會(huì)各方面努力和關(guān)心外，最重要也是最理想的做法就是一部輪椅。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，預(yù)計(jì)在不久的將來，我國的輪椅行業(yè)將有十分旺盛的需求。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　人類的壽命隨著醫(yī)療

58、技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步而逐步增加，高齡化的社會(huì)已成為全世界各國的重大挑戰(zhàn)。隨著老年人口的不斷增加，輪椅的需求也日趨重要，針對這些年長而行動(dòng)不方便的使用者而言，身體各部分器官正逐漸退化，再加上有部分高齡化使用者會(huì)出現(xiàn)神經(jīng)肌肉萎縮，所以對他們來說，自行驅(qū)動(dòng)輪椅是件非常困難的事，因此手推型人機(jī)工程學(xué)輪椅較能逐漸符合他們的需求。當(dāng)今世界各大城市都面臨老齡化問題，根據(jù)聯(lián)合國預(yù)測，1990-2020年世界老齡人口平均年增速度為2.5% 。也就是說，輪椅的

59、市場越來越大。</p><p>　　本文從人機(jī)工程學(xué)角度對輪椅進(jìn)行了“以人為本”的合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)行了三維造型和靜態(tài)強(qiáng)度分析，對輪椅的舒適性和安全性進(jìn)行了分析比較，從中找到使使用者更加舒適的輪椅結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的輪椅滿足靜態(tài)強(qiáng)度要求。輪椅作為一種殘疾人的輔具，在不斷的發(fā)展中，使殘疾人享受到更多的舒適和安全。并更加清晰的體現(xiàn)出人機(jī)工程學(xué)中的“以人為本”的設(shè)計(jì)理念。為輪椅更好地為殘疾人服務(wù)，全方位地考慮人

60、機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)要求是十分有益和必要的。</p><p>　　人機(jī)工程學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展，使工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)日益滿足“人的因素”，從而為使用者創(chuàng)造一個(gè)舒適宜人以及安全的生活、學(xué)習(xí)環(huán)境。設(shè)計(jì)者若能充分掌握和運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)原理，無疑給產(chǎn)品帶來無限生機(jī)。工業(yè)設(shè)計(jì)只有充分運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)原理, 才能使產(chǎn)品設(shè)計(jì)真正成為“為人”的設(shè)計(jì)。利用人類工效學(xué)原理來增強(qiáng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展的必然。許多大汽車公司都已做出奧斯卡人體模型, 用模型

61、可以檢測座姿設(shè)計(jì)以及由眼睛的位置所能看到外界的種種狀況, 以便設(shè)計(jì)出更符合人的需求的產(chǎn)品。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[ 1 ] 丁玉蘭. 人機(jī)工程學(xué)[M ]. 北京:北京理工大學(xué)出版社, 19911</p><p>　　[ 2 ] 嚴(yán)揚(yáng). 人機(jī)工程學(xué)[M ]. 北京:北京理工大學(xué)出版社, 19981&

62、lt;/p><p>　　[ 3 ] 阮寶湘. 工業(yè)設(shè)計(jì)人機(jī)工程[M]. 北京：機(jī)械出版社，2005</p><p>　　[ 4 ] 葉彪. 客車乘客座椅的乘坐舒適性[J]. 客車技術(shù)與研究，2003</p><p>　　[ 5 ] 鄭午.人因工程設(shè)計(jì)[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2006.</p><p>　　[ 6 ] 柴春雷.面向家電產(chǎn)品的

63、人機(jī)工程分析和評價(jià)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)</p><p>　　與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2006.(1).</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　為期近一學(xué)期的人機(jī)工程學(xué)的課程早已結(jié)束，而再次基礎(chǔ)上的人機(jī)工程學(xué)課程設(shè)計(jì)的論文寫作也即將畫上一個(gè)圓滿的句號(hào)，在人機(jī)工程學(xué)的學(xué)習(xí)和論文寫作的過程中，所有的知識(shí)的積累和升華，都得益于我的人