楊俊　田相克　郭春鳳

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

【關(guān)鍵詞】人機(jī)工程學(xué)；多功能運(yùn)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(yùn)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(yùn)動工作取得了歷史性的進(jìn)展。殘疾人運(yùn)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(jìn)行比賽，因此運(yùn)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(yùn)動員的“腿”，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計、所用材料及是否易于訓(xùn)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(yùn)動輪椅具有一定的功能局限性，且造價高昂，制約了輪椅運(yùn)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(yùn)動輪椅進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)研究，設(shè)計一款適合輪椅運(yùn)動的多功能運(yùn)動輪椅。

1 人機(jī)工程學(xué)理論

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

“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)的思想是指導(dǎo)多功能運(yùn)動輪椅總體設(shè)計的核心。在“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)中，“人”是指運(yùn)動員，對應(yīng)為殘疾人使用者；“機(jī)”對應(yīng)為運(yùn)動員操作控制的對象，即多功能運(yùn)動輪椅，“環(huán)境”對應(yīng)為影響運(yùn)動員駕駛和乘坐行為的作業(yè)空間。多功能運(yùn)動輪椅中的人機(jī)工程設(shè)計主要研究“人—多功能運(yùn)動輪椅—環(huán)境”系統(tǒng)中的運(yùn)動員、運(yùn)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(guān)系。

2 多功能運(yùn)動輪椅的人機(jī)工程學(xué)研究

2.1 運(yùn)動員坐姿的生理學(xué)特征

坐姿是輪椅運(yùn)動員的主要工作姿勢，運(yùn)動員的不正確的坐姿或者不合理的座椅設(shè)計會使運(yùn)動員容易產(chǎn)生疲勞，甚至?xí)o身體造成無法恢復(fù)的永久損壞。坐姿駕駛狀態(tài)下，與座椅設(shè)計合理程度直接相關(guān)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(dāng)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(yán)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(fù)擔(dān)。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(jìn)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(yùn)動輪椅的作業(yè)空間設(shè)計分析

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

2）運(yùn)動員和操作部件的位置關(guān)系，應(yīng)根據(jù)人體生物力學(xué)、人體解剖學(xué)和生理學(xué)的特性，遵循便于運(yùn)動員迅速而有效地進(jìn)行運(yùn)動的原則，重要和常用的部件應(yīng)布置在運(yùn)動員最容易達(dá)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(yùn)動員進(jìn)行操縱。操作區(qū)域應(yīng)按運(yùn)動員在操作過程中的使用順序合理布置。

3 多功能運(yùn)動輪椅的三維人體模型建立

針對運(yùn)動輪椅在人機(jī)工程設(shè)計過程中，人坐在運(yùn)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(yùn)動員的人體尺寸，座寬必須依據(jù)大身材人體尺寸進(jìn)行設(shè)計。臀寬以女性群體尺一寸上限為設(shè)計依據(jù)：為使運(yùn)動員能調(diào)整坐姿，座寬取適當(dāng)大于臀寬。人體模型的體表形狀是建立在上述人體運(yùn)動簡化模型基礎(chǔ)之上的，并隨著運(yùn)動簡化模型的運(yùn)動而運(yùn)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(yùn)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(yùn)動輪椅設(shè)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(zhǔn)確地反映有關(guān)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(jī)工程評價的要求，本文對于多功能運(yùn)動輪椅設(shè)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(jìn)行直接視覺性的空間量和干涉檢查。本文人機(jī)系統(tǒng)中的虛擬人注重運(yùn)動特性，能夠仿真人機(jī)作業(yè)環(huán)境中的各種動作，為動態(tài)地進(jìn)行人機(jī)評價做準(zhǔn)備。

4 多功能運(yùn)動輪椅結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

針對輪椅籃球、輪椅網(wǎng)球和輪椅乒乓球等輪椅運(yùn)動的比賽要求和各類運(yùn)動輪椅的功能要求，本項目在設(shè)計中基于人機(jī)工程學(xué)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(yùn)動輪椅進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，方案如下：

1）輪軸傾斜方式的改進(jìn)。采用兩次彎曲的方法，減少應(yīng)力集中，增加支撐強(qiáng)度。

2）人體重心位置改進(jìn)設(shè)計。從設(shè)計學(xué)的觀點，由于運(yùn)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(yīng)進(jìn)行必要的改進(jìn)，并最好可以調(diào)整。

3）防撞圈改進(jìn)設(shè)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(hù)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(yīng)該向簡約化、系列化目標(biāo)改進(jìn)；有些防撞圈呈折線形狀，在成型時出易出現(xiàn)應(yīng)力集中，降低了碰撞強(qiáng)度。在新型運(yùn)動輪椅的設(shè)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(jī)工程學(xué)中的人體尺寸來設(shè)計防撞圈的尺寸，保證輪椅使用者的安全。在防撞圈形狀設(shè)計上，盡量使形狀簡潔、流暢，增加過渡圓角，減小應(yīng)力集中，提高碰撞強(qiáng)度。

根據(jù)上述改進(jìn)方案，應(yīng)用CATIA畫圖軟件對多功能運(yùn)動輪椅進(jìn)行三維實體建模，如圖1所示。

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[責(zé)任編輯：王楠]