基于人机工程学多功能轮椅的分析设计

文章编号:1002-6886(2009)03-0016-03

基于人机工程学多功能轮椅的分析设计

*

李霞,倪向东

(石河子大学机械电气工程学院,新疆石河子832003)

*基金项目:石河子大学高层次人才科研启动资金专项(2007)。

作者简介:李霞(1978-),女,河北衡水人,讲师,硕士,研究方向:机械设计。 收稿日期:2009-2-6

摘要:针对轮椅在宜人性和适用性方面存在的问题,应用人机工程学理论设计了多功能轮椅。从多功能轮椅的关键部件中主要以便槽、靠背、坐垫的设计来考虑人机工程学在机械设计中的应用,采用了Pro/E 软件进行三维实体造型。简述人机工程学与轮椅舒适性的密切关系,以及轮椅舒适性设计的主要相关参数。通过对主要部件的模型进行反复的分析论证,最后证实了该多功能轮椅工作的正确性和可靠性。

关键词:人机工程学 多功能轮椅 三维实体设计 舒适性中图分类号:TH122 文献标识码:A

Er gono mics Based on t he Analysis ofMult-i f unctionalWheelc ha i r D esi gn

LIX i a ,N IX ia ngdong

Abstract :For a wheelchair i n a pleasant and applicabilit y prob l e m s i n the appli cati on of ergono m ic desi gn of themult-i functi onalwhee-l chair t heory W heelchair fro m t hemu l t-i function key co mponents t o t hemaj or groove ,back ,seat design to consi der t he ergono m ics of t heme -chanical desi gn app licati ons ,use ofPro/E three -dm i ensi onal soli dm odeli ng s oft ware On ergono m ics and com f ort wheelchair cl ose rel ations h i p ,

as w ell as co m fortwheelchair desi gn para meters of key stakehol ders Themai n co mponents of t hemodel anal ysis of repeated de m onstrati on ,and fi nally confir med t he correctness of the work ofmu lt-i f uncti onal wheelchair and reli ab ility

Keywords :ergono m i cs ;mu lt-i f uncti onal wheelchair ;therr -dm i ensi onal s olid desi gn ;co m fortableness

0 引言

面对老龄社会的来临,将会有越来越多的行动不便的老人使用轮椅。我国的轮椅发展比较缓慢,直到20世纪90年代后,随着中国人口的老龄化越来越严重,轮椅才有了较快的发展。轮椅是老年人和肢体伤残者不可缺少的康复和代步工具。多功能轮椅应以方便残疾人为主要目标,帮助残疾人解决生活中遇到的困难。残疾人在生活中一般大小便比较麻烦,外出行走比较困难,在平坦的路上靠双手转动车轮不能行走很远的路程,而且速度很慢。借助轮椅,老年人和肢体伤残者可以进行身体锻炼和参与社会活动。长时间的使用轮椅会让人感到疲劳,如果能提供比较舒适的轮椅可以帮助他们解除疲劳。怎样才能满足这种要求呢,需要在设计轮椅时结合人机工程学的原理进行。

人机工程学是研究人与系统中其他因素之间的相互作用,以及应用相关理论、原理、数据和方法来设计以达到优化人类和系统效能的科学

[1-3]

。实际上,现代对人机工程学的

研究涉及面很广。运用人机工程学是为了设计出使用者方便、不易疲劳、不产生失误而且效率高的器具。因此,设计的主要工作是客观地掌握人体的尺寸及四肢活动的范围,使人体在进行某项工作时,能承受负荷及由此产生的生理和心理

变化等。

1 轮椅设计中的人机工程学

传统的机械设计以设计产品为主要目标,更多地考虑产品本身功能的实现,虽然也或多或少地涉及了人的因素,但主要是考虑如何让人适应机器,而没有把人作为设计的一个目标,没有规范化地考虑人的因素。人机工程学强调将人和机器作为相互联系的两个基本部分构成一个整体,形成人机系统。轮椅的安全性、高效率性、乘坐舒适性等人机工程学方面的因素得到了设计者更多的重视。将轮椅置 人 机 环境 系统中,按人机工程学原理进行设计。轮椅的人机工程设计的好坏直接关系到残疾人的安全与健康,按照 以人为本 的设计理念,在轮椅的设计过程中注重 人 轮椅 环境 的统一协调。

根据人体解剖学和坐姿生理特征分析得出,理想的轮椅应使就坐者体重分布合理,大腿近似水平状态,双脚自然放到脚踏板上,双臂不负担身体重量,肌肉放松,可以方便的变换坐姿。因此,轮椅的设计一般遵循如下的原则[3]:

1)轮椅的尺度必须与相对的人体测量值相配合;2)轮椅的设计必须能提供坐者足够的支撑与稳定;3)轮椅的设计必须能使坐者改变姿态,但轮椅必须牢

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固;

4)靠背,特别是腰部的支撑,可以降低脊柱所产生的紧

张与压力;

5)坐垫必须有充分的衬垫和适当的硬度使之有助于将人体的压力分布于坐骨结节附近。

多功能轮椅主要由轮椅架、脚踏板、坐垫、靠背、转动装置、传动装置和控制装置及折叠装置等部分组成。如图1传动装置由驱动圈和主动轮组成,转动装置由气缸、连杆、螺栓、螺母组成。控制装置由刹车系统组成。折叠装置由连杆、螺栓、

螺母组成。

2 轮椅中关键部件的人机工程设计原理

多功能轮椅主要由轮椅架、脚踏板、坐垫、转动装置、传动装置和控制装置及折叠装置等部分组成。轮椅的关键部件中主要以便槽、靠背、坐垫的设计来考虑人机工程学在机械设计中的应用。2.1便槽的设计

便槽是为长期使用轮椅行动十分不便的人自己独立的解决上厕所的问题。大小便槽是垂直放置在隔板上,水平方向的位置由隔板限制,便槽可上下移动,在便槽的

两侧设有挡板,垂直的方位由挡板限制,挡板还可帮助便槽取出。轮椅的座位处设有一个便孔,在座位的底部便孔的下面设有一可移动的隔板,该零件垂直放置在板通过连接轮椅架上,隔板没有固定在轮椅架上。

轮椅的靠背主要为腰靠,对特殊轮椅还要考虑肩靠,靠背越高,越稳定,靠背越低,上身及上肢的活动就越大。在良好的坐姿状态下,压力适当地分布于各椎间盘上,肌肉组织上均匀分布静负荷;当处于非自然姿势时,椎间盘内压力分布不正常,产生腰部酸痛、疲劳等不适感。为了适应人体舒适坐

姿,人体的背部和腰部应给予合理的支撑。腰靠的支撑点是

为腰椎提供凭靠,其位置相当于人体的4 5腰椎之间的高度。腰靠能保证坐姿态下的近似于正常的腰曲弧线。靠背倾角与支撑点的关系可以简单归纳成:

1)靠背倾斜角小时,靠背支撑点选择在第二到第三腰椎;

2)靠背倾斜角大时,支撑点移向胸椎下部。

根据上述两点确定支撑位置,从而设计靠背的几何形状及转动装置。

2 2可调扶手的设计与计算

扶手设计的关键尺寸是扶手的高度和间距。这取决于两肘之间宽度、肘部平放高度及人体宽度。根据 造型设计及人机工程 所查的资料显示,当坐骨结节点与扶手表面的距离为240~250mm 时,肌肉的活动强度最小,扶手的位置最适当;同时,合适的扶手间距应在420~440mm 之间,扶手的低位到椅座的高度为100mm,扶手的高位到椅座的高度为200mm ,扶手高低位调节的高度分别为30mm,60mm 。

扶手与轮椅架的连接设计,采用了弹簧的调节方式,选择圆柱螺旋扭转弹簧。2 3坐垫的设计

坐垫形状和尺寸是决定轮椅舒适性的关键因素,其主要的几何参数有:座面深、座面宽和臀部座深。

2.3.1座面深

座面深即座面的前后距离。座面深应能保证臀部得到全部支撑,其深度一般相当于大腿全长的3/4,按标准取400~430mm 。正确的坐深应使靠背方便地支持腰椎部位。座面最好有与臀部形状相适应的凹陷,并加弹性坐垫。

2.3.2座面宽

座面宽即座面的左右距离。座面宽要满足臀部横宽所需要的尺度。臀部宽度即臀部最宽部分的水平尺寸(坐着时测量)决定了坐垫的宽度,根据人体测量学,这个尺寸在404~434mm 之间,为方便人能自如地调节就坐的姿势,座面宽以宽为好,所以此轮椅的坐面宽为460mm 。

2.3.3臀部座深

臀部座深是坐姿状态时臀部自然曲线的凹陷最低点到座平面的距离。基于体压分布研究的特点,最舒适的臀部座深应该在30mm 左右。同时,坐垫两侧根据腿部肌肉分布情况设计成曲线,对腿部起托起作用,这样可以解除疲劳。另外由于坐垫使用材料的透气性也是一个重要方面,只有综合考虑才能保证轮椅坐垫部分的舒适度。

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2 4折叠装置的设计

两组平行连杆机构为轮椅两侧的支撑机构,每一组平行连杆机构间都有一共同的支撑杆,

使每组平行连杆构成一平行连杆机构,每组连杆由两个连杆组成,连杆由连杆连接件连接、螺栓固定,两组平行连杆都可在垂直方向上折叠。每组连杆的总长为460mm ,连杆与轮椅架由连接件连接。在折叠时,坐垫可取下。2 5脚踏板的设计

脚踏板的合理设计对轮椅的舒适度有很大的影响。根据 造型设计及人机工程 的资料显示:脚的正确位置是保持小腿与上身的平行,或与大腿的夹角大于90 。实际设计时还要加上脚能自由活动的空间。因此,脚踏板位置应摆在脚的前方或上方,才能方便脚的活动。在此基础上进行了脚踏板的设计。此脚踏板可延轴旋转,在折叠时脚踏板可整体旋转90 。在脚踏板的一面可放脚,另一面可按摩。脚踏板在靠背旋转到水平位置时,脚踏

板也可旋转到水平位置。

3 结论

多功能轮椅的设计在国外已经有了一定的发展,但国内发展还比较缓慢。随着社会生产力的发展,人们生活水平的不断提高,人们对出行的方便性要求也越来越高,这就要求我们要加大对轮椅的开发和研究。本次设计的多功能轮椅正是在这样的前提下开发和研制的。本机努力克服国内外同类型轮椅的缺点,扬长避短,在没有现有机型和主要参考资料的情况下,较为大胆的进行了创新:对该轮椅的主要工作部件进行了重点分析设计,并最终确定设计方案,将轮椅的主要工作部件设计成一种新型结构,在保证正常工作的条件下,简化了轮椅的结构。通过对主要部件的模型进行反复的分析论证,最后证实了该多功能轮椅工作的正确性和可靠性。

参考文献

1周美玉.工业设计应用人机工程学[M ].北京,中国轻工业出版社,20012丁玉兰.人机工程学[M ].北京,北京理工大学出版社,2005

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4江渡,中俊,陈栋.应用人机工程学研究轮椅的舒适性机械设计与制造[J],2006(8):12-13

5张秀艳,关天民.基才人机工程学的网球轮椅设计.机械,2006(11):1-2

(上接第15页)

当前数据采集的扫描速率、通道的垂直灵敏度等等。波形显示模块显示采集的波形。测量开始时,操作者可通过中文界面选定测量类型(波形测量、元件测量)、测量参数(频率/周期、有效值、电阻阻值、二极管通断等)及测量范围(可选自动设置,由仪器自动设置最佳范围);微处理器自动将测量设置解释到采样电路,并启动数据采集;采集完成后,由微处理器对采样数据按测量设置进行处理,提取所需要的测量参数,并将结果送显示部件。如果需要,用户可选择自动测试方式:微处理器在分析首次采样得到的数据后会根据具体情况调整、修改测量设置,并重新采样。在经过几次这样的 采样-分析-调整-重采样 循环后,示波表即可完成即触即测功能,而无须人工调换量程,便于手持操作。

4 结论

该多功能仪表是一个完整的智能化测量系统,其中包括信号输入通道、数据采样、数据处理及存储、显示控制、电源供给等各部分。模拟通道主要完成被测信号的程控放大和衰减、交/直流耦合、信号平移等预处理,使输入信号适合A /D

转换的电气性能。被测信号的放大/衰减倍数、交/直流耦合方式由FP GA 根据AR M 的处理结果发出数字控制信号。样机的测试结果表明其设计结构合理,测试数据准确,达到了设计要求。

参考文献

1胡必武,宋跃等.基于TFT -LCD&AR M &FPG A 的触摸手持式存储示波表.液晶与显示,第23卷第1期,2008年2月:112-116

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3宋跃,周明辉,胡升平.基于AR M &FP GA 的示波表关键设计技术[J].微电子学与计算机,2005,22(11):140-143

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