基于人机工程学的爬楼辅助电动轮椅设计研究.docx

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基于人机工程学的爬楼辅助电动轮椅设计研究

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曹馨颖白宇王坤

关键词：人机工程学;爬楼辅助电动轮椅;设计

1人机工程学概述

人机工程学是研究人、机械及其工作環境之间相互作用的学科。该学科在其自身的发展过程中，逐步打破了各学科之间的界限，并有机地融合了各相关学科理论，不断地完善自身的基本概念、理论体系、研究方法以及技术标准和规范，从而形成了一门研究和应用范围都极为广泛的综合性边缘学科。因此，它具有现代各门新兴边缘学科共有的特点。人机工程学研究的内容及对工业设计的作用可以概括为以下几个方面：（1）为工业设计中的“人的因素”提供人体尺度参数;（2）为工业设计中“物”的功能合理性提供科学依据;（3）为工业设计中的“环境因素”提供设计准则;（4）为进行“人—机—环境”系统设计提供理论依据;（5）为坚持以“人”为核心的设计思想提供工作程序[1]。

2国内外爬楼辅助电动轮椅设计现状

随着世界人口老龄化进程的加快，爬楼辅助电动轮椅的需求在逐年扩大，研究人员对爬楼辅助电动轮椅结构设计和智能控制等方面研究颇丰。如今，国内外有关智能爬楼辅助电动轮椅的研究成果非常多，例如美国麻省理工学院的WHEELESLEY项目、法国的VAHM项目、德国乌尔姆大学的MAID项目、西班牙的SIAMO项目和我国863智能爬楼辅助电动轮椅项目等[2]。我国在智能爬楼辅助电动轮椅的研究上起步较国外略晚，在机构的复杂性和灵活性与国外相比有些许差距。爬楼辅助电动轮椅自动化程度高，所以造价较高，对于大部分轮椅使用者来说费用较贵，另外，在结构上，根据爬升结构的不同可以分为三种形式，分别为行星轮机构、履带轮式机构和腿足式机构[3]。近年来研究主要关注于履带式优化设计，但履带式体积较为庞大且在原理上存在缺陷，容易对楼梯造成破坏;腿足式速度较慢，结构复杂，控制系统繁琐;行星轮原理简单，容易实现[4]。

国外爬楼辅助电动轮椅品牌有美利驰、悍马、萨瓦瑞亚等，国内品牌有旭威、亨格力、互邦、AI、威之群等。表1为各个品牌爬楼轮椅的特点。从中可以看到目前主流爬楼轮椅存在的问题为：不够轻便、人机性不足、造价高，而且结构复杂。无论是外挂式还是底部隐藏式，都影响整体外观的改进。此次研究采用行星轮结构，结构简单，实现了半自主化爬楼和平地行走功能，并利用自锁机构保证上下楼梯时不翻车。

3基于人机工程学的爬楼辅助电动轮椅设计思路

3.1尺寸设计

电动轮椅的尺寸主要参照国家标准轮椅车的第7部分座位和车轮尺寸测量（GB/T18029.7-2009），整车长L1=1200mm，整车高H5=1050mm，整车宽W6=670mm。整体设计考虑轮椅的通用性，人体生理特性及舒适性能等综合因素，对轮椅进行系统设计与分析[5]。轮椅的整体尺寸设计需参考人体尺寸模型，并在设计中考虑衣服的厚度与余量[6]，具体可参见表2。座面深应保证人体的臀部能够得到全部支承，并且保证电动轮椅的前缘部分过渡平滑，以避免其与大腿接触时引起人体的不舒适。结合坐姿人体模型尺寸如图1所示，采用第5百分位数据，使小身材用户的小腿后侧不受压，座深太深会使椅面外沿顶住腘窝处，长时间施压会导致过血困难，容易疲劳，人机尺寸应该是范围值，坐姿臀宽一般尺寸范围为380～420mm;小腿加足高尺寸范围为380～400mm;相当于为臀部至大腿全长的3/4;座深范围为400～420mm;扶手在设计中不应过宽或过窄，坐姿肘高范围为200～250mm;两扶手间距范围为380～430mm之间;脚托宽度应为足长的3/4，尺寸范围为200～230mm。

在设计座面时主要是参考当用户坐下时两臀之间或两股之间的距离，当座位太窄时，上下轮椅会比较困难，体重中心落于坐骨上，大腿组织易受压迫;而当座位太宽时，人们不易坐稳，同时在操纵轮椅时也不方便。而且由于轮椅用户需要适时的调节就坐姿势以避免脊柱的持续性压力和肌肉的疲劳，座面以宽为好，男性座宽一般大于女性，故采用男性座宽P95百分位数382mm，另外这个尺寸还要受到轮椅结构的限制，考虑轮椅用户的着装修正量。轮椅车座宽尺寸为W3=420mm，坐深为L2=410mm，靠背高度为H6=450mm，小腿加足高尺寸为H2=400mm，坐姿肘高为H3=220mm，坐面到轮子底部高为H1=590mm，a把手到地面高度H4=950mm，椅面靠背与座面夹角α=100o。

在轮椅的实际应用中，必须考虑用户着装的情况，所以需要给衣物留一定量的余量，就相当于在人体尺寸的基础上增加着装修正量。

3.2座面和靠背设计

用户使用轮椅时，分为直立坐姿和倚靠坐姿（成角度倾斜坐姿）两种，不同坐姿对于座面和靠背的施压效果不同。根据人体解剖学可得知，人体