基于CATIA的多功能運動輪椅三維數(shù)字化建模及其優(yōu)化設計

楊俊　田相克　郭春鳳

【摘 要】針對僅適用于單一運動形式的普通輪椅無法滿足殘疾人員的運動需求，分析了殘疾運動人員的身體特征及運動輪椅的特點，結(jié)合“人—機—環(huán)境”人機工程學思想，利用CATIA計算機輔助設計軟件，對新型多功能運動輪椅進行三維數(shù)字化建模及其優(yōu)化，滿足輪椅運動人員的各項要求。

【關鍵詞】人機工程學；多功能運動輪椅；CATIA；三維建模；優(yōu)化

目前，殘疾人體育工作已經(jīng)成為我國“全民健身計劃”的重要內(nèi)容和“奧運爭光計劃”的重要組成部分。在社會各界的熱情支持下，經(jīng)過廣大殘疾人、殘疾工作者以及體育工作者的積極參與和共同努力，我國的殘疾人體育運動工作取得了歷史性的進展。殘疾人運動員不能像健全人一樣跳和轉(zhuǎn)，下肢有永久性的功能障礙，所有參與者均需坐在靈敏度較高的輪椅上進行比賽，因此運動員所使用的輪椅的性能對于操作者來說就是非常重要的，輪椅在某種程度上就是運動員的“腿”，它的結(jié)構(gòu)設計、所用材料及是否易于訓練都區(qū)別于普通的輪椅并且具有較高的要求。市場上現(xiàn)有的運動輪椅具有一定的功能局限性，且造價高昂，制約了輪椅運動在廣大殘疾人群體中的普及，很大程度上影響了國家殘疾人體育工作的開展。因此，本文通過對多功能運動輪椅進行人機工程學研究，設計一款適合輪椅運動的多功能運動輪椅。

1 人機工程學理論

人機工程學是從20世紀50年代開始迅速發(fā)展起來的一門新興的邊緣學科，它是以人的生理、心理特性為依據(jù)，運用系統(tǒng)工程的觀點，分析研究人與機械、人與環(huán)境以及機械與環(huán)境之間的相互作用，為設計操作簡便省力、安全舒適、人—機—環(huán)境的配合達到最佳狀態(tài)的工程系統(tǒng)，提供理論和方法的科學。人機工程學是運用人體測量學、生理學、心理學和生物力學及工程學等學科的研究方法和手段，綜合地進行人體結(jié)構(gòu)、功能、心理以及力學等問題研究的學科。它的研究內(nèi)容和應用范圍極其廣泛，在各種產(chǎn)品設計、系統(tǒng)設計等設計階段必須用系統(tǒng)的方法考慮人機工程學。

“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)的思想是指導多功能運動輪椅總體設計的核心。在“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)中，“人”是指運動員，對應為殘疾人使用者；“機”對應為運動員操作控制的對象，即多功能運動輪椅，“環(huán)境”對應為影響運動員駕駛和乘坐行為的作業(yè)空間。多功能運動輪椅中的人機工程設計主要研究“人—多功能運動輪椅—環(huán)境”系統(tǒng)中的運動員、運動員操作控制的對象、作業(yè)空間三要素之間的相互作用和相互關系。

2 多功能運動輪椅的人機工程學研究

2.1 運動員坐姿的生理學特征

坐姿是輪椅運動員的主要工作姿勢，運動員的不正確的坐姿或者不合理的座椅設計會使運動員容易產(chǎn)生疲勞，甚至會給身體造成無法恢復的永久損壞。坐姿駕駛狀態(tài)下，與座椅設計合理程度直接相關的幾個受影響人體部位為腿部、臀部、腰部以及頸部等。

2.1.1 腿部

影響腿部的因素主要有座面高度和座面前沿高度兩項。座面過高時，腿部肌肉得不到充分放松，血流下沉，會造成腿部酸脹。座面前沿過高或者過于靠前會壓迫大腿下側(cè)的血管和神經(jīng)，造成血流不暢和麻木感。

2.1.2 臀部

對于臀部的影響主要來自座面。平而硬的座面使壓力集中在坐骨結(jié)節(jié)下面的臀部肌肉，時間長了會造成坐瘡。太軟的座面會使臀部陷的太深，使壓力從最主要的支撐點坐骨結(jié)節(jié)轉(zhuǎn)移到臀部四周的肌肉，造成肌肉的酸痛。

2.1.3 腰部

不良的坐姿對腰部的影響最大，會造成椎間盤突出和腰部肌肉勞損等疾病。腰部挺直的坐姿對脊椎骨十分有利。而腰部挺直的坐姿會造成腰部肌肉的疲勞。當軀干向前彎曲時，腰部肌肉比較松弛，但脊柱的彎曲會造成椎間盤內(nèi)外壓力不均勻，形成壓力梯度，嚴重的會造成坐骨神經(jīng)極度疼痛。比較有效的方法是使軀干交替的處于兩種姿態(tài)，這對兩者都有好處。

2.1.4 頸部

軀干過分前傾或是過分后傾會使頭部的重心移出頸部的范圍，加重了頸部肌肉的負擔。除上述幾點外，長時間保持坐姿會使腹部脂肪堆積，臟器功能下降，進而造成整個體制下降。經(jīng)常改變姿態(tài)對人的各個部分都是有利的。

2.2 運動輪椅的作業(yè)空間設計分析

1）作業(yè)空間設計必須從人的要求出發(fā)，這是保證運動員安全、效率、舒適的最基本的原則。

2）運動員和操作部件的位置關系，應根據(jù)人體生物力學、人體解剖學和生理學的特性，遵循便于運動員迅速而有效地進行運動的原則，重要和常用的部件應布置在運動員最容易達到的位置。

3）將功能相互聯(lián)系的裝置布置在一起，以利于運動員進行操縱。操作區(qū)域應按運動員在操作過程中的使用順序合理布置。

3 多功能運動輪椅的三維人體模型建立

針對運動輪椅在人機工程設計過程中，人坐在運動輪椅的座椅上，該空間能使作業(yè)空間保證大百分位的運動員的人體尺寸，座寬必須依據(jù)大身材人體尺寸進行設計。臀寬以女性群體尺一寸上限為設計依據(jù)：為使運動員能調(diào)整坐姿，座寬取適當大于臀寬。人體模型的體表形狀是建立在上述人體運動簡化模型基礎之上的，并隨著運動簡化模型的運動而運動。除了直觀上的視覺效果和空間干涉檢查的作用外，對人體模型的運動情況不產(chǎn)生任何影響。在選擇體表形狀的表示方法時，逼真性和顯示速度是兩個主要的考慮方面。人體建模系統(tǒng)在多功能運動輪椅設計的特定CAD系統(tǒng)環(huán)境（CATIA環(huán)境）下被調(diào)用并顯示出來時，調(diào)用與顯示過程所占系統(tǒng)資源越小、所花時間越少，則越為有利。

CATIA軟件提供三種顯示方式的人體模型，分別用枝節(jié)、橢圓和人體體表形狀表示人體模型，它必須能準確地反映有關人體參數(shù)的數(shù)據(jù)?；谶@種特定工作環(huán)境與效率的需要，并結(jié)合實際人機工程評價的要求，本文對于多功能運動輪椅設計中的人體模型選擇人體體表形狀模型，這種三維人體模型可以進行直接視覺性的空間量和干涉檢查。本文人機系統(tǒng)中的虛擬人注重運動特性，能夠仿真人機作業(yè)環(huán)境中的各種動作，為動態(tài)地進行人機評價做準備。

4 多功能運動輪椅結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計

針對輪椅籃球、輪椅網(wǎng)球和輪椅乒乓球等輪椅運動的比賽要求和各類運動輪椅的功能要求，本項目在設計中基于人機工程學的理論，對目前市場上現(xiàn)有的一款國內(nèi)某廠生產(chǎn)的籃球運動輪椅進行優(yōu)化設計，方案如下：

1）輪軸傾斜方式的改進。采用兩次彎曲的方法，減少應力集中，增加支撐強度。

2）人體重心位置改進設計。從設計學的觀點，由于運動輪椅需要滿足急拐、急停等動作，要求人體重心盡量靠近兩輪中心軸，現(xiàn)有的輪椅重心太靠前，應進行必要的改進，并最好可以調(diào)整。

3）防撞圈改進設計。經(jīng)過廣泛調(diào)研及分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的防撞圈有許多缺點，有些防撞圈直接和結(jié)構(gòu)框架焊在一體，不利于減振；有些防撞圈則太小，不能起到保護輪椅使用者的作用；有些傳統(tǒng)的很難保證大規(guī)模生產(chǎn)的要求，應該向簡約化、系列化目標改進；有些防撞圈呈折線形狀，在成型時出易出現(xiàn)應力集中，降低了碰撞強度。在新型運動輪椅的設計中，將防撞圈單獨作為一個零件，與車體結(jié)構(gòu)框架間增加緩振連接。同時按照人機工程學中的人體尺寸來設計防撞圈的尺寸，保證輪椅使用者的安全。在防撞圈形狀設計上，盡量使形狀簡潔、流暢，增加過渡圓角，減小應力集中，提高碰撞強度。

根據(jù)上述改進方案，應用CATIA畫圖軟件對多功能運動輪椅進行三維實體建模，如圖1所示。

【參考文獻】

[1]馬笑玲.一種新型籃球運動輪椅的設計與分析[D].大連交通大學，2007.

[2]李愛萍.多功能輪椅的結(jié)構(gòu)設計與研究[D].天津科技大學，2010.

[3]馮云龍.基于人機工程學的籃球輪椅設計[D].天津科技大學，2014.

[4]李霞.基于人機工程學的爬樓梯輪椅的設計[J].機械，2009.

[責任編輯：王楠]