基于人機(jī)工程學(xué)的爬樓輔助電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)研究

曹馨穎 白宇 王坤

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué);爬樓輔助電動(dòng)輪椅;設(shè)計(jì)

1 人機(jī)工程學(xué)概述

人機(jī)工程學(xué)是研究人、機(jī)械及其工作環(huán)境之間相互作用的學(xué)科。該學(xué)科在其自身的發(fā)展過程中，逐步打破了各學(xué)科之間的界限，并有機(jī)地融合了各相關(guān)學(xué)科理論，不斷地完善自身的基本概念、理論體系、研究方法以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，從而形成了一門研究和應(yīng)用范圍都極為廣泛的綜合性邊緣學(xué)科。因此，它具有現(xiàn)代各門新興邊緣學(xué)科共有的特點(diǎn)。人機(jī)工程學(xué)研究的內(nèi)容及對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的作用可以概括為以下幾個(gè)方面：（1） 為工業(yè)設(shè)計(jì)中的“人的因素”提供人體尺度參數(shù);（2） 為工業(yè)設(shè)計(jì)中“物”的功能合理性提供科學(xué)依據(jù);（3） 為工業(yè)設(shè)計(jì)中的“環(huán)境因素”提供設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;（4） 為進(jìn)行“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù);（5）為堅(jiān)持以“人”為核心的設(shè)計(jì)思想提供工作程序[1]。

2 國(guó)內(nèi)外爬樓輔助電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

隨著世界人口老齡化進(jìn)程的加快，爬樓輔助電動(dòng)輪椅的需求在逐年擴(kuò)大，研究人員對(duì)爬樓輔助電動(dòng)輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和智能控制等方面研究頗豐。如今，國(guó)內(nèi)外有關(guān)智能爬樓輔助電動(dòng)輪椅的研究成果非常多，例如美國(guó)麻省理工學(xué)院的WHEELESLEY 項(xiàng)目、法國(guó)的VAHM 項(xiàng)目、德國(guó)烏爾姆大學(xué)的MAID 項(xiàng)目、西班牙的SIAMO 項(xiàng)目和我國(guó)863 智能爬樓輔助電動(dòng)輪椅項(xiàng)目等[2]。我國(guó)在智能爬樓輔助電動(dòng)輪椅的研究上起步較國(guó)外略晚，在機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和靈活性與國(guó)外相比有些許差距。爬樓輔助電動(dòng)輪椅自動(dòng)化程度高，所以造價(jià)較高，對(duì)于大部分輪椅使用者來說費(fèi)用較貴，另外，在結(jié)構(gòu)上，根據(jù)爬升結(jié)構(gòu)的不同可以分為三種形式，分別為行星輪機(jī)構(gòu)、履帶輪式機(jī)構(gòu)和腿足式機(jī)構(gòu)[3]。近年來研究主要關(guān)注于履帶式優(yōu)化設(shè)計(jì)，但履帶式體積較為龐大且在原理上存在缺陷，容易對(duì)樓梯造成破壞;腿足式速度較慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制系統(tǒng)繁瑣;行星輪原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)[4]。

國(guó)外爬樓輔助電動(dòng)輪椅品牌有美利馳、悍馬、薩瓦瑞亞等，國(guó)內(nèi)品牌有旭威、亨格力、互邦、AI、威之群等。表1 為各個(gè)品牌爬樓輪椅的特點(diǎn)。從中可以看到目前主流爬樓輪椅存在的問題為：不夠輕便、人機(jī)性不足、造價(jià)高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。無論是外掛式還是底部隱藏式，都影響整體外觀的改進(jìn)。此次研究采用行星輪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了半自主化爬樓和平地行走功能，并利用自鎖機(jī)構(gòu)保證上下樓梯時(shí)不翻車。

3 基于人機(jī)工程學(xué)的爬樓輔助電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)思路

3.1 尺寸設(shè)計(jì)

電動(dòng)輪椅的尺寸主要參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)輪椅車的第7 部分座位和車輪尺寸測(cè)量（GB/T18029.7-2009），整車長(zhǎng)L1=1200mm，整車高H5=1050mm，整車寬W6=670mm。整體設(shè)計(jì)考慮輪椅的通用性，人體生理特性及舒適性能等綜合因素，對(duì)輪椅進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[5]。輪椅的整體尺寸設(shè)計(jì)需參考人體尺寸模型，并在設(shè)計(jì)中考慮衣服的厚度與余量[6]，具體可參見表2。座面深應(yīng)保證人體的臀部能夠得到全部支承，并且保證電動(dòng)輪椅的前緣部分過渡平滑，以避免其與大腿接觸時(shí)引起人體的不舒適。結(jié)合坐姿人體模型尺寸如圖1 所示，采用第5 百分位數(shù)據(jù)，使小身材用戶的小腿后側(cè)不受壓，座深太深會(huì)使椅面外沿頂住腘窩處，長(zhǎng)時(shí)間施壓會(huì)導(dǎo)致過血困難，容易疲勞，人機(jī)尺寸應(yīng)該是范圍值，坐姿臀寬一般尺寸范圍為380 ～ 420mm ;小腿加足高尺寸范圍為380 ～ 400mm ;相當(dāng)于為臀部至大腿全長(zhǎng)的3/4 ;座深范圍為400 ～ 420mm ;扶手在設(shè)計(jì)中不應(yīng)過寬或過窄，坐姿肘高范圍為200 ～ 250mm ;兩扶手間距范圍為380 ～ 430mm 之間;腳托寬度應(yīng)為足長(zhǎng)的3/4，尺寸范圍為200 ～ 230mm。

在設(shè)計(jì)座面時(shí)主要是參考當(dāng)用戶坐下時(shí)兩臀之間或兩股之間的距離，當(dāng)座位太窄時(shí)，上下輪椅會(huì)比較困難，體重中心落于坐骨上，大腿組織易受壓迫;而當(dāng)座位太寬時(shí)，人們不易坐穩(wěn)，同時(shí)在操縱輪椅時(shí)也不方便。而且由于輪椅用戶需要適時(shí)的調(diào)節(jié)就坐姿勢(shì)以避免脊柱的持續(xù)性壓力和肌肉的疲勞，座面以寬為好，男性座寬一般大于女性，故采用男性座寬P95 百分位數(shù)382mm，另外這個(gè)尺寸還要受到輪椅結(jié)構(gòu)的限制，考慮輪椅用戶的著裝修正量。輪椅車座寬尺寸為W3 = 420mm，坐深為L(zhǎng)2 = 410mm，靠背高度為H6 = 450mm，小腿加足高尺寸為H2 = 400mm，坐姿肘高為H3 = 220mm，坐面到輪子底部高為H1 = 590mm，a 把手到地面高度H4 = 950mm，椅面靠背與座面夾角α = 100o。

在輪椅的實(shí)際應(yīng)用中，必須考慮用戶著裝的情況，所以需要給衣物留一定量的余量，就相當(dāng)于在人體尺寸的基礎(chǔ)上增加著裝修正量。

3.2 座面和靠背設(shè)計(jì)

用戶使用輪椅時(shí)，分為直立坐姿和倚靠坐姿（成角度傾斜坐姿）兩種，不同坐姿對(duì)于座面和靠背的施壓效果不同。根據(jù)人體解剖學(xué)可得知，人體的坐骨粗壯，能夠承受更大的壓力，然而大腿根部有很多血管和神經(jīng)系統(tǒng)。當(dāng)承受的壓力過大時(shí)，會(huì)影響到大腿根部的血液循環(huán)和神經(jīng)傳導(dǎo)，進(jìn)而引起人體的不適，所以坐墊的壓力應(yīng)該按照臀部各個(gè)部位承受的壓力不同進(jìn)行設(shè)計(jì)，即人體坐骨處的壓力增大時(shí)，壓力逐漸向四周減小[7]。因此，輪椅的坐面設(shè)計(jì)采用的是與臀部形狀相適應(yīng)的曲面形態(tài)，并使用記憶棉材料輔助增加彈性提高座面舒適度。如圖2 中a 區(qū)表示直立坐姿座面壓力分布，紅色區(qū)域表示壓力最大，橙色、黃色、綠色、藍(lán)色到紫色區(qū)域呈現(xiàn)壓力遞減的趨勢(shì)。由于直立坐姿，如圖2 中b區(qū)所示，腰靠起到支撐作用，而肩靠基本不受力。

如圖3 所示，人體在放松狀態(tài)下，脊柱成自然生理彎曲，不同坐姿時(shí)腰部受力不同，腰椎越接近自然彎形其受力就越小。如果坐姿形成正常的腰曲弧線，軀干與大腿之間必須有大于90°的角度，并在腰部有所支撐，保證腰弧曲線的正常形狀是獲得舒適坐姿的關(guān)鍵[8]。腰靠應(yīng)滿足腰椎彎曲曲線，以保證腰部得到充分支持，因此腰靠進(jìn)行了可回彈設(shè)計(jì)，可根據(jù)人體上半身重心分布自調(diào)角度。腰椎部的中心位置約在座位上方165 ～ 210mm 處，腰椎支點(diǎn)略高于此高度，腰靠的高度至少要等于腰椎支點(diǎn)的高度，從而支持背部重量，所以腰靠的高度在輪椅座面上220mm 處，為了使背部下方骸骨和臀部有適當(dāng)?shù)暮笸箍臻g，座面上方與靠背下部之間應(yīng)留有一定空間。如圖3 中a 區(qū)依靠坐姿的座面壓力分布比直立坐姿大，這說明依靠坐姿椅面壓力分布更廣泛，屬于大變形彈塑性有限元分析[9]。人體重量被分?jǐn)偟揭蚊嫔希欣谟脩糸L(zhǎng)時(shí)間保持坐姿，而不易產(chǎn)生疲勞。紅色區(qū)域表示壓力最大，正好是坐骨的施壓點(diǎn)，橙色、黃色、綠色、藍(lán)色到紫色區(qū)域呈現(xiàn)壓力遞減趨勢(shì)。依靠坐姿在椅背體現(xiàn)的最大變化是肩靠支撐明顯，整個(gè)上身由肩靠和腰靠共同支撐，有效支撐面積明顯增大，分?jǐn)傊螇毫πЧ?，適于久坐。

3.3 把手和扶手設(shè)計(jì)

爬樓輔助電動(dòng)輪椅主要有a 把手和b 扶手，如圖4 所示，a把手為上樓時(shí)輔助人員抓握使用，b 扶手為輪椅用戶日常使用。

考慮到爬樓時(shí)需要輔助人員，a 把手前端直徑D 的一般范圍在25 ～ 30mm，把手中間部分最大直徑小于40mm，手部抓握長(zhǎng)度范圍應(yīng)為100 ～ 125mm 左右，否則如圖5 中（a）所示把手太粗或如圖4 中（c）所示把手太短都不好抓握。設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)采用硬度較高的材質(zhì)，否則會(huì)增加手部疲勞感。把手與水平之間角度為10°左右，a 把手的離地高度H4 = 950mm 左右。

b 扶手部分的高度和間距尺寸在一定范圍內(nèi)會(huì)影響輪椅的舒適性，同時(shí)適當(dāng)?shù)妮喴畏鍪指叨扔欣诒３终_的身體平衡和正確的坐姿，并可以放松上肢。當(dāng)扶手太高時(shí)，上臂會(huì)被迫抬高，容易產(chǎn)生疲勞感;當(dāng)扶手太低時(shí)，則需要上身前傾影響呼吸[10]。這取決于用戶肘部的平放高度，根據(jù)百分位選擇的原則和坐姿時(shí)肘高尺寸，選取第50 百分位的數(shù)據(jù)，并且要考慮著裝修正量、人手臂自然下垂的舒適程度，一般會(huì)低于第50 百分位的數(shù)據(jù)值。參見表3，男性舒適扶手高度（高出輪椅座面）為250mm 左右，女性的舒適扶手高度230mm 左右（直立坐姿），但考慮到座面與靠背的傾斜角度即傾斜坐姿，一般會(huì)在扶手高度為220mm 左右比較合適。

3.4 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在功能上將輔助爬樓與自動(dòng)行走結(jié)合起來，當(dāng)用戶上樓梯時(shí)其他人可以輔助輪椅爬樓如圖6 所示，從而保證用戶安全，而平地行走時(shí)可實(shí)現(xiàn)自主行走如圖7 所示。因此，輪椅采用行星輪式設(shè)計(jì)。平地行走時(shí)，行星輪通過主軸馬達(dá)帶動(dòng)行星輪前進(jìn)，爬樓時(shí)，通過順時(shí)針搖臂結(jié)構(gòu)及人力方向輔助，使其緩慢平穩(wěn)的爬樓。

3.5 色彩設(shè)計(jì)

運(yùn)用感性工學(xué)對(duì)產(chǎn)品色彩進(jìn)行評(píng)價(jià)，并結(jié)合語義差分法（SD法）對(duì)用戶的色彩感受進(jìn)行測(cè)量。從外觀色彩入手，爬樓輔助電動(dòng)輪椅比較常見的色彩搭配是以黑色為基色，灰色為輔色。在爬樓輔助電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加橙、綠、藍(lán)等色彩，使爬樓輔助電動(dòng)輪椅附以溫暖、寧?kù)o的情調(diào)，緩解使用者的孤獨(dú)感[11]。結(jié)合整體的輕質(zhì)感，采用綠灰黑、藍(lán)灰黑、橙灰黑三種配色方案如圖8 所示。在廣泛收集感性詞匯的基礎(chǔ)上，經(jīng)過研究分析，將感性詞匯確定為：輕快—沉穩(wěn)、溫暖—寒冷?；谶@四種外觀色彩和兩組感性詞匯使用語義差分法，編寫調(diào)查問卷，共發(fā)放125 份調(diào)查問卷，收回調(diào)查問卷120 份，其中有效問卷有118 份。

在數(shù)據(jù)整理中設(shè)外觀色彩為X1、X2、X3、X4，設(shè)感性詞匯為Y1、Y2，通過加權(quán)平均法將各樣本中不同形容詞的評(píng)分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)加權(quán)平均值的計(jì)算式為：

從圖9中可以看出用戶對(duì)白、灰、黑的評(píng)價(jià)偏沉穩(wěn)和寒冷，相比之下橙色和綠色體現(xiàn)了一種輕質(zhì)感，同時(shí)給人溫暖的感覺，該研究表明橙色和綠色的配色方案更符合市場(chǎng)的實(shí)際需求。

3.6 材質(zhì)設(shè)計(jì)

爬樓輔助電動(dòng)輪椅的材質(zhì)講求輕便，所以選用的靠背不易過重，可以選擇強(qiáng)度較好、質(zhì)量較輕的材料，并且材料要具有一定的彈性，從而增加人體的舒適感，同時(shí)靠背的硬度也要適中，才能滿足其舒適程度[12]。

以航空鋁或其他鋁合金型材料為主，并配不銹鋼輔件，這樣在造價(jià)和耐用性上更有優(yōu)勢(shì)，碳纖維等復(fù)合材料雖然更輕且強(qiáng)度好，但是造價(jià)過高，只適用于高端用戶。

爬樓電動(dòng)輪椅坐墊采用記憶棉材料，保證舒適和質(zhì)輕，鋼架采用無縫鋼管，通過液壓彎管機(jī)折彎工藝一次成型，然后通過氬弧焊接，使焊縫均勻美觀，整體呈流線型，體現(xiàn)出圓潤(rùn)之感，增加了視覺舒適性，如圖10 所示。而在行星輪和傳動(dòng)裝置采用模組化設(shè)計(jì)中，要避免使用連接件，通過輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，使輪椅的重量更輕、結(jié)構(gòu)更強(qiáng)，同時(shí)通過減少組件數(shù)量，降低工人組裝強(qiáng)度，便于批量化生產(chǎn)。通過集成化設(shè)計(jì)使電池模組植入兩根斜架主梁內(nèi)部，如圖11 所示，爬樓輔助電動(dòng)輪椅主體框架結(jié)構(gòu)輕盈，采用一體化成型方式，避免了外觀的繁雜與凌亂感，并提升了用戶的安全性。

4 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)了一種半自主化行星輪爬樓輔助電動(dòng)輪椅，并結(jié)合了電動(dòng)爬樓輔助電動(dòng)輪椅和手動(dòng)爬樓的優(yōu)勢(shì)，通過人體工學(xué)分析和感性意象分析的方法，完成該輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了人機(jī)舒適性和感性意象匹配度。該定量加定性的人機(jī)工程設(shè)計(jì)研究方法適用于爬樓輔助電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)，為爬樓輔助電動(dòng)輪椅的造型、人機(jī)、色彩等設(shè)計(jì)提供了參考。