（机械设计及理论专业论文）多功能轮椅的结构设计与研究.pdf

摘要 随着我国人口老龄化问题越来越严重以及肢体残疾人数量的逐渐增加，对辅助步 行工具的需求同益提高。因此，急需研制新型的、安全可靠和经济实用的多功能轮椅 车，具有室内移动、康复训练、高端取物、入浴、如厕等功能，可以帮助残障人解决 同常生活难题，并且改善他们的生活质量。 本文在确定了多功能轮椅结构上需具备的基本功能后，根据人机工程学中人体 生物力学及座椅设计方面的知识，对轮椅整体尺寸进行了设计。利用p r o e 对系统进 行概念设计、实体建模、虚拟装配，建立虚拟样机，并利用p r o e 运动分析模块 ( m e c h a n i s m ) 进行运动学仿真模拟，对装配后的机构进行干涉检查。 以m a t l a b 的动态仿真工具s i m u l i n k 为平台，运用矢量方程解析法，分别对系 统的上肢提升机构、座椅回收机构、脚蹬收放机构建立机构运动分析的仿真模型，在 设置各项参数后执行仿真，最后能方便、准确地得到机构的运动参数，为机构的设计 提供依据。通过对驱动电机、电动推杆等关键零部件的参数选型后，对多功能轮椅的 爬坡能力、越障高度等运动参数进行了校核，所得到的各项数值符合我国电动轮椅的 国家标准要求。 采用a n s y s 有限元分析技术分别对多功能轮椅的座椅架、旋转架、外框架进行 静力分析，考察了它们的等效应力分布及结构总变形，并进行了全面的强度、刚度分 析，确定零部件在安全性和耐久性条件下所允许的最大应力和应变，判断零部件是否 满足设计要求，以检验设计的合理性。 关键词：多功能轮椅；结构设计；运动分析：有限元分析 a b s t r a c t w i t ht h em o r ea n dm o r es e v e r ei n f l u e n c eo fa g i n ga n dt h ei n c r e a s i n gn u m b e ro f d i s a b l e dm a n ，t h ed e m a n d so ft h eh a n d i c a p p e df o ra i dw a l ki n s t r u m e n t si si n c r e a s i n g t h e r e f o r e ，i ti su r g e n tt od e v e l o pan e wt y p e ，s a f ea n dr e l i a b l e ，e c o n o m i c a li n d o o rm o v i n g r e h a b i l i t a t i o ns y s t e mf o rh a n d i c a p t h i ss y s t e mh a sm a n yf u n c t i o n ss u c ha sd r i v i n gm o t i o n f u n c t i o n ，l o w e rl i m b sr e h a b i l i t i o nf u n c t i o na n df e t c h i n gh i g ht h i n g se t c i tc a ns o l v et h e p r o b l e m sf o rh a n d i c a pi nd a i l yl i f ea n di m p r o v et h e i rl i f eq u a l i t y a f t e rd e f i n i n gf u n c t i o no fm u l t i f u n c t i o nw h e e l c h a i r ，t h ed i m e n s i o no fw h e e l c h a i rh a s b e e nd e s i g nb a s e do nh u m a nb i o m e c h a n i c sa n dp r i n c i p l eo fd e s i g n i n gc h a i r t h i ss y s t e m u s e sc o n c e p t u a lt od e s i g nm e t h o d ，s o l i dm o d e l i n g ，v i r t u a la s s e m b l yi nv i r t u a ld e s i g n s o f t w a r ep r o e ，a n dt h e nc h e c ka s s e m b l yi n t e r f e r e n c ew i t ht h eh e l po fp r o em e c h a n i s m k i n e m a t i c ss i m u l a t i o nf u n c t i o n t h i sp a p e rt a k e st h ed y n a m i cs i m u l a t i o nt o o ls i m u l i n ko fm a t l a ba sap l a t f o r m ， u s e sv e c t o re q u a t i o nm e t h o d ，e s t a b l i s h e sas i m u l a t i o nm o d e lf o rk i n e m a t i ca n a l y s i so nt h e u p p e rl i m bl i f t i n g m e c h a n i s m 、s e a tr e t r a c t i n gm e c h a n i s m 、p e d a lf o l d i n g u n f o l d i n g m e c h a n i s m ，a n de x e c u t e st h es i m u l a t i o na f t e ra l lp a r a m e t e r sa r es e t t h er e s u l ts h o w st h a t s u c hs i m u l a t i o nc a nh e l pt oc o n v e n i e n t l ya n da c c u r a t e l yg e tt h em o t i o np a r a m e t e r so ft h e m e c h a n i s m ，s ot h a tr e f e r e n c ec a nb ep r o v i d e df o rd e s i g n i n go f t h i sm e c h a n i s m t h em o t i o n p a r a m e t e r ss u c ha sr a m pa n g l ea n do b s t a c l eh e i g h th a v eb e e nc h e c k e da f t e rc h o o s i n g p i v o t a lp a r t s ，f o re x a m p l e ，e l e c t r i ce n g i n ea n de l e c t r i cp u s hr o d t h er e s u l ta c c o r d st ot h e n a t i o n a ls t a n d a r do fi n d o o rm o v i n gr e h a b i l i t a t i o ns y s t e m t h es e a tf r a m e ，t h er o t a t i n gf r a m ea n dt h eo u t s i d ef l a m eo ft h em u l t i f u n c t i o n w h e e l c h a i rh a v eb e e nc a r r i e do u ts t a t i ca n a l y s i sb yu s i n ga n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t e c h n o l o g y , e x a m i n e dt h e i rv o nm i s e sc o n t o u ra n dt h et o t a ld e f o r m a t i o no fs t r u c t u r e ， c o n d u c t e dac o m p r e h e n s i v es t r e n g t h 、s t i f f n e s sa n a l y s i st od e t e r m i n et h es a f e t ya n d d u r a b i l i t yo fc o m p o n e n t su n d o a l l o w a b l ec o n d i t i o n s o ft h e l a r g e s ts t r e s sa n ds t r a i n ， d e t e r m i n e dw h e t h e rt h ec o m p o n e n t sm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t si no r d e rt ot e s tt h e d e s i g ni sr e a s o n a b l e k e y w o r d s ：m u l t i - f u n c t i o nw h e e l c h a i r , s t r u c t u r ed e s i g n ，s i m u l a t i o n ，f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s 灭津科技人学硕七学位论文 1绪论 1 1 课题的研究背景及意义 随着科技的进步、工业的发展、交通的紧张，意外事故频繁发生，残疾人数量在 急剧增加。我国的残疾人口每年以七十万到八十万的速度在增长，也就是说，每天增 加两千多名残疾人，每四十秒钟左右就要增加一名残疾人。据2 0 0 6 年4 月l 同起至5 月3 l 同结束的第二次全国残疾人抽样调查，目前，我国各类残疾人总数8 2 9 6 万人， 残疾人占全国总人口的比例为6 3 4 。各类残疾人的人数中肢体残疾2 4 1 2 万人，占 2 9 0 7 j 。由于这些人丧失了行走能力，因此需要进行护理和康复训练，使其残存功 能得到最大限度的恢复，从而改善他们的健康状况，提高其生活和工作能力，使他们 能像正常人一样享受生活的乐趣。此外，还有很多因脑瘫、偏瘫、截瘫及脊椎损伤等 丧失自主运动的患者，不得不依靠床榻或轮椅生活。这些人群越来越渴望能够重新站 立、行走，恢复生活和工作能力，以减轻家人的负担。为他们生产综合化、细致化、 服务化、亲情化、人性化的产品逐渐成为体现我国社会文明程度的标志，也体现我国 政府对这些弱势群体的关怀与重视。 另外，目前世界各国都j 下面临人口老龄化的问题。它已成为世界发展的必然趋势， 居民的平均寿命已同渐增长。据估计，全球每年以2 4 的速度增加6 5 岁以上的人群， 我国也有类似的情况。据中国国家统计局最新数据显示：目前，中国正式进入了“老 龄时代”。中国不仅是世界上人口数量最多的国家，也是老年人口数量最多的国家。 2 0 0 3 年中国的总人口已经达到1 3 亿，6 0 岁及以上的老年人口占总人口数的l o 左右， 约有1 3 亿，我国人口老龄化的发展j 下在对全社会提出前所未有的挑战，未来几十年 的增长势头在世界上也将名列前茅。这将意味着我国正面临着世界各国从未遇到过的 一场人口危机，即不远的将来我国有劳动能力的人的数量要大幅度减少，而需要照顾 的高龄者人数将要增加。高龄人的一个很大的障碍就是步行能力减弱，最后还可能不 能行走，在这种条件下，需要有劳动能力的人照顾他们。为了节省劳动力，就应该使 需要照顾的老年人和肢体残疾者行动自立。因此，为老龄人和残疾人提供一种方便、 简单、安全可靠并满足其需求的康复辅具越来越引起全社会的重视和关注，从而使老 人、伤、病人等功能障碍群体能够充分享受现代高新技术带来的便利，对实现2 0 1 5 年我国“人人享有康复服务”的国家战略目标，促进社会和谐稳定具有重大意义。 目自i 市场上针对残障患者的辅助器械有很多，如电动轮椅、下肢康复训练器械、 室内移动辅具等。根据对患者进行康复训练目的不同产品有：站立、步行、卧坐位训 练器械、肌力和耐力训练器械、关节活动度训练器械、平衡和协调性训练器械、同常 生活活动训练器械等。但大多数产品是针对患者的某一需求进行设计的，其实现的功 能比较单一。如站立、步行、卧坐位训练器械，分别用来改善患者站立功能、步行能 力、卧位、坐位的各种肢体功能。肌力、耐力训练器械是让患者通过肢体进行抗阻力 主动运动来训练其肌力和耐力。关节活动度训练器械让患者的肢体围绕功能障碍的关 1 绪论 节，按一定规律进行被动或主动运动，可以起至l j i j t l 练关节活动度的作用。而平衡、协 调性训练器械，用来训练患者的平衡能力和动作的协调、控制能力。其它类型的下肢 康复训练还有矫正姿势防畸形器械类、训练辅助器械类、同常生活活动训练器械等。 矫正姿势防畸形的器械，通过帮助肢体保持在正常的功能位，或通过给肢体施加矫正 力，而起到矫正姿势、防止畸形的作用。而针对脑瘫、偏瘫、截瘫及脊椎损伤等雀失 自主运动的患者，以及行走功能障碍者，需要解决全身合并症多、体弱，或者肌力差、 平衡协调能力差、不具备扶拐步行能力等问题，因此这种功能单一的辅助器械均不能 充分满足其实际需求。而此类患者为了满足不同功能需求往往要购买多种辅助器械， 这样不仅增加了患者的经济负担，也增添了康复训练的复杂性。同时康复训练器械、 室内移动辅具等辅助器械大都需要医护人员的帮助j 能正常使用，仅凭患者自己很难 实现，因此给医护人员增加了额外的劳动负担。因此急需研发一种功能全面、适用范 围广泛、高性能价格比的多功能室内辅具，并且无需外人协助便可实现多种功能，从 而减轻医护人员的劳动强度，提高残障患者的生活质量。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 多功能康复轮椅作为一种自动化康复医疗设备，它以医学理论为依据，帮助患者 进行科学而又有效的康复训练，可以使患者的运动机能得到更好的恢复。康复训练系 统由计算机控制，并配有相应的传感器和安全系统，康复训练在设定的程序下自动进 行，可以自动评价康复训练效果，根据病人的实际情况调节运动参数，实现最佳训练。 康复训练系统是帮助残疾人解决生活中活动困难的一种工具，它可以在家里或在工作 场所使用，使残疾人获得更强的独立生活能力，并极大地提高他们的生活质量i z j 。它 也可以作为健康老年人的体育运动训练器材。 1 9 3 3 年，美国一位名叫赫伯特埃弗雷斯特的采矿工程师，在一次井下事故中受 重伤，致使下肢瘫痪。为了能更好地行动、生活，它在邻居哈瑞詹宁斯的帮助下，研 制发明了世界上第一辆可折叠式便携轮椅，获得了专利。后来，埃弗雷斯特和詹宁斯 成立了以他们名字命名的世界上第一家专门生产轮椅的公司。 2 0 世纪8 0 年代是康复轮椅研究的起步阶段，美国、英国、同本和加拿大在康复 系统研究方面处于时问的领先地位。1 9 9 0 年以前，全球的5 6 个研究中心分布在5 个 工业区内：北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及同本，1 9 9 0 年以 后康复训练系统的研究进入全面发展时期【3 】。 国际上关于康复轮椅的研究成果较多，如美国科学家在2 0 0 0 年研制了名为 m i f m a u s 的手臂康复训练系统样机；斯坦福大学( s t a n f o r du n i v e r s i t y ) 对 手臂康复训练系统开展了研究工作，在2 0 0 0 年推出了t h ea r mg u i d e 和m i m e 型手臂康复训练系统样机【4 】【5 】：2 0 0 0 年，由德国f r a u n h o f e ri p k 自动化机器人研究中 心和柏林慈善医科大学机构的h e n n i n gs c h m i d t 以及s t e f a nh e s s e 等人共同开发出新一 代下肢康复训练系统g a i tt r a i n e r ( g t i ) ，脚踏板系统通过行星轮系可以模仿j 下常人的 行走以及摆动姿态【6 j ；在g t i 的基础上，研究人员又开发出了第二代的下肢康复训练 2 天津科技人学硕。i j 学位论文 系统h a p t i cw a l k e r 。它可以带动患者的下肢进行平地行走以及上、下台阶灯模拟训练。 同本大分大学工程学院力学专业研究小组研制的康复训练设备如图1 1 所示【7 】，该研 究小组主要从机械角度对人在整个行走过程中的步态进行分析，研究不同行走状态时 的受力大小、受力方向、受力点等，从而找出合理康复训练方法，并结合他们自己研 制的下肢康复训练设备使患者快速恢复下肢功能。它通过一个吊带来辅助病人进行康 复训练，通过改变提升力的大小来减少病人康复训练时的下肢支撑负荷。在地面上安 装有步态检测板，实时检测病人行走时施加在地面力的大小、方向等，之后把数据传 送给计算机，计算机通过分析计算后发出控制命令，改变提升力的大小，帮助病人进 行康复训练。 图1 1 步态训练系统 f i g 1 - lr e h a b i l i t a t i o ns y s t e m 玎赫! ! ，二；必： 图1 2l o k o m a t 下肢康复训练机器 f i g 1 - 2l o k o m a tr e h a b i l i t a t i o ns y s t e m 德国弗斯霍费尔研究所i p k 部还研制了绳驱动式康复训练系统，采样7 根伺服绳 驱动控制被训练者重心的运动，人在跑步机上行走，其缺点是不能控制膝关节和踝关 节的运动状态。瑞士苏黎世联邦工业大学在腿部康复机构、走步状态分析方面也取得 了一些成果，在汉诺威2 0 0 1 年世界工业展览会上展出了名为l o k o m a t 的康复训练 系统如图1 2 所利引，人走在跑步机上，通过机械腿带动患者的腿在跑步机上实现走 步运动，其优点是能控制膝关节和踝关节的运动状态，缺点是结构复杂，对不同类型 人的适应性较差。意大利和法国也有一些康复训练设备产品，他们主要侧重于单项功 能的自动康复器械的开发。y s t a u f f e r 研究了一种步态训练器【9 ，该机器由一个6 自 由度的骨笳支具、2 个3 自由度的腿部之具组成，能够带动患者在地面上行走，在患 者的脚步装有脚底开关，能够检测足跟着地和脚尖抬起两个状态，使训练器与患者协 调运动。y s t a u f f e r 对2 0 0 位正常人的骨毓运动规律作了测量和分析，获得了骨瓮运 动模型，将该模型用于步态训练器，获得了较好的训练效果。美国加利福尼亚大学研 制的一种名为a r t h u r 的下肢康复机器人，通过控制三角形结构在直线导轨上的移 动带动踝关节运动，达到康复训练的目的。 我国的康复轮椅，近十年来有较快发展。除原有产业基础外，有的企业已采取合 资形式提高产品质量和增加品种。但总的来看与其他行业相比，仍然较为薄弱，在机 构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距，但也根据自身特色研制出了技术指标 i 绪论 接近国外先进水平的康复训练系统。应该说国内已具有这些基本技术和研究实力，一 些高等院校和研究单位已多年从事康复工程方面的研究。如清华大学在国内率先研制 了卧式下肢康复训练系统样机【1 0 1 ，在这项成果中他们采用了虚拟现实技术。此外，上 海交通大学、西安交通大学、哈尔滨工程大学如图1 3 所示【l i 】、广东工业大学等高校 也开展了相关的研究。另一方面，我国研发这些产品的基础和技术资源并不缺乏。分 析国外近代新产品，其主要特点是： ( 1 ) 传统产品与计算机技术相结合，形成机电一体化或人工智能化产品 ( 2 ) 将生物材料技术用于人体康复，形成“人机一体化”产品 ( 3 ) 根据人体功能的可塑性，设计一些装置，促进功能的恢复和再生。 8 9 1 0 11 1 2 13 1 4 l 、2 、3 、4 、8 、9 、1 0 重力平衡系统5 活动扶手 6 、1 4 步态控制系统7 、1 2 导轨 1l 框架 1 3 机座 图1 - 3 下肢康复训练机器人结构 1 ，2 ，3 ，4 ，8 ，9 ，1 0g r a v i t yb a l a n c es y s t e m 5 a c t i v i t i e sh a n d r a i l s 6 、1 4 g a i tc o n t r o ls y s t e m7 、1 2g u i d e s1 1f r a m e w o r k 1 3s t a n d f i g 1 - 3r o b o ts t r u c t u r eo fl o w e rl i m br e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n g 目前在康复轮椅中，新技术的应用是十分广泛的。如前所述，将传统的产品与计 算机技术相结合，形成机电一体化或人工智能化产品；将生物材料技术用于人体康 复，形成“人机一体化”产品和根据人体功能的可塑性促进功能恢复和再生，已成为 2 l 世纪产品的标志。就康复工程产品的性质而论，有两种类型产品，一类是临床应用， 此类产品可以转化为社区或家庭使用；另一类是个体适用，此类产品个体适配性很强， 从而形成产品的多样性。随着机器人技术的研究和发展，利用用户的特长，结合机器 的优势，面向人性化、功能化进行智能轮椅的设计，必然会使这种产品真正走入残疾 人和老年人的生活，改善他们的生存质量。 综上所述，西方发达国家非常重视康复训练轮椅的研究，已经开发出许多实验样 机，有的已经进入产品化阶段。其特点是系统性能较好，但机构和控制复杂、价格高， 4 1 2 3 4 5 6 7 天津科技大学硕 ：学位论文 一般只具备单一助行或者步态训练功能，这类产品或研究成果主要适用于在康复中心 或者医院使用，不能满足在家庭或者社区、福利院的使用要求。特别我国还存在欠发 达和不发达的边远贫困地区，适应这些地区需要，也是康复产品发展面临的重要问题。 但是，只要有适合各种需要的产品，国内、外市场是很大的。我国在自动轮椅、假肢 和康复训练器材的研究成果较多，对多功能助行康复训练系统的研究尚处于起步阶 段。近年受到国家科技计划的支持开展了康复机器人和电动轮椅等课题的研究工作， j 下处于理论研究和试验研究阶段，项目产品的研究目标主要针对康复中心和医疗机 构。 1 3 本论文主要研究内容 康复训练系统作为医疗康复的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力 学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已 经成为了国际康复领域的一个研究热点。康复的含义是在受创伤或得病后恢复患者肢 体或器官的j 下常的形状或功能。康复工程就是致力于为患者提供此类辅助装置【1 2 】。把 先进的机器人技术引入到康复i j i l 练系统中，体现了康复医学和机器人技术的完美结 合。目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅 促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。 j 下是在这种背景下，本课题对多功能轮椅进行了全面的研究，首先通过功能强大 的三维设计软件p r o e 对此系统进行实体建模。利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具箱 搭建机构的运动学模型，进行仿真分析，可以为实际机构的设计和控制提供重要数据。 并讨论了如何将此模型进行简化导入到a n s y s 中，运用有限元方法对模型定义材料， 划分网格，施加约束和载荷，研究其在各种工况下的受力以及变形情况。使其满足各 功能要求：残障人的前、后、左、右移动功能，残障人的升降定位功能，残障人位置 及姿态( 坐、站) 变换功能等。达到使用者能够借助该系统自理生活，胜任适当的工 作，并能够辅助进行康复锻炼的目的。 如图1 4 所示为本论文主要研究内容的流程图。 l 绪论 图l _ 4 主要研究内容 f i g 1 - 4m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 本论文的主要内容可详述如下： ( 1 ) 在阅读大量国内、外文献的基础上，了解国内外康复训练系统的研究背景、 研究意义以及发展现状，总结了目前相关技术发展的成就和存在的问题，阐述本研究 工作的主要内容、目的、意义及实用价值。 ( 2 ) 根据人机工程学所注重的“人的因素”，从人体测量学、人体坐姿的生理 形态及体压分布入手，结合我国人体尺寸标准分析了人机工程学与轮椅舒适性的密切 关系，阐述了决定轮椅舒适性的坐垫和靠背的参数，并确定了坐挚和靠背舒适度调节 尺寸范围，以最大限度接近人机工程学要求，使轮椅更符合中国人体的尺寸，使用更 加舒适。 ( 3 ) 熟悉p r o e 软件的功能并对多功能轮椅进行三维建模并进行装配，应用p r 0 e 中的机构运动分析模块( m e c h a n i s m ) 对此系统的各个功能进行运动仿真，观察机构 的整体运动轨迹和各零件之间的相对运动。 ( 4 ) 对多功能轮椅的机构进行简化，从运动学方程的建立入手，以m a t l a b 的 动态仿真工具s i m u l i n k 为平台，建立机构运动分析的仿真模型，设置各项参数后执行 仿真，最后可方便、准确地得到机构的运动参数，并可即时进行机构参数优化，能为 机构的选型提供参考依据，更好的了解多功能轮椅的工作情况。 ( 5 ) 目前有限元分析的大型商业软件主要是a n s y s ，该软件功能强大，能够完 成复杂工程问题的计算。通过a n s y s 软件对多功能轮椅主要构件座椅架、旋转架以 及外框架进行有限元计算，简化各零部件的受力和约束，并选择合理的单元类型和网 格划分方法，然后根据分析类型合理施加载荷和约束后得到一个有限元分析模型。对 6 天津科技人学硕l ：学位论文 此模型进行有限元静力分析，获取应力分布、应力峰值、确定危险区域，及时发现结 构设计中存在的缺陷和不足，并及时采取有效措施进行改进。以系统重量最轻和改善 系统整体受力性能为目标，分析康复训练系统在运行过程中所处的载荷，确定零部件 在安全性和耐久性条件下所允许的最大应力和应变，判断零部件是否满足设计要求， 以检验设计的合理性。 ( 6 ) 多功能轮椅是由上百个零部件组成的，它的结构复杂，零件数目众多，加 上考虑电子控制系统的成本，所有这些因素都会增加它的制造成本。如果制造成本太 高，势必会影响它的市场销售情况，所以在设计阶段必须把成本因素考虑进去，在不 影响整个系统各个性能的情况下，采取各种措施尽可能的减少成本。 1 4 本章小结 本章在介绍了目自订我国残疾人数量不断增加、人口老龄化速度加快的社会现状的 基础上，简要地概述了多功能轮椅对此类肢体残障人群的重要性，接着又对康复工程 国内外的发展现状及发展趋势做了综述。最后针对实现人性化多功能轮椅的设计要 求，介绍了本课题的主要研究内容。 2 基于人机工程学的多功能轮椅尺寸设计 2 基于人机工程学的多功能轮椅尺寸设计 随着我国科学技术的发展和对外丌放，人们逐渐认识到人机工程学研究对国民经 济发展的重要性。目前，该学科的研究和应用已扩展工农业、交通运输、医疗卫生以 及教育系统等国民经济的各个部门。各种生产活动及人们r 常生活也越来越多地采用 多种多样的现代工业产品，涉及到工业生产及人们的衣、食、住、行等各个方面。现 代的工业产品造型设计不仅要求造型新颖、美观、大方，色彩符合现代人的欣赏习惯， 以及使用新材料、新工艺、新结构，还应满足人们对产品的各种要求，以达到人们使 用这些产品的舒适、高效、安全。所以在产品造型设计中，必须考虑人机关系这个重 要的设计因素。 2 1 人机工程学简介 2 1 1 人机工程学的概述 人机工程学( m a n m a c h i n ee n g i n e e r i n g ) 是研究人、机械及其工作环境之间相互 作用的学科。该学科在其自身的发展过程中，逐步打破了各学科间的界限，并有机地 融合了各相关学科的理论，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- - f l 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学科共有的特点，如学科名多样化、学科定义不统一、学科边界 模糊、学科内容综合性强、学科应用范围广泛等【l 列l l 4 。 作为一门完整的科学，人机工程学仍是相对较新的科学，同时它依赖于那些早己 产生的成熟的科学，如工程学、生理学、心理学等。它是以人的生理、心理特征为依 据，通过揭示人、机、环境三要素之问的相互关系的规律，以提高人的工作、生活质 量为目的，综合应用生理学、心理学、医学、卫生学、人体测量学、劳动科学、系统 工程学、社会学和管理学等多门学科知识和成果，研究生产领域内人与机械、人与环 境以及机械与环境之间的相互作用，确保人机一环境系统总体性能的最优化，为设计 操作简便省力、准确安全、高效舒适的人机环境系统提供理论依据和方法的科学。 因而也有人将它称为“人体工程学”、“人类工效学”、“人机环境系统工程”等。 人机工程学的显著特点是，在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上， 不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将使用“物”的人和所设计的“物”以及人 与“物”所共处的环境作为一个系统来研究，在人机工程学中将这个系统称为“人 机环境”系统。在这个系统中人、机、环境三个要素之间相互作用、相互依存的关系 决定着系统总体的性能。而运用人机系统设计理论，就是科学地利用三个要素之间的 有机联系来寻求系统的最佳参数。 随着人机工程学所涉及的研究和应用领域的不断扩大，从事本学科研究的专家所 涉及的专业和学科业就愈来愈多。国际人类工效学学会( e i a ) 在其会刊中指出【1 5 】，现 代人机工程学发展有三个特点： 8 天津科技人学硕：f ：学位论文 ( 1 ) 现代人机工程学着眼于机械装备的设计，使机器的操作不越出人类能力界 限之外。 ( 2 ) 密切与实际应用相结合，通过严密计划设定的广泛实验性研究，尽可能利 用所掌握的基本原理，进行具体的机械装备设计。利用人机工程学的知识对系统的组 成、人机联系、作业活动方式等内容进行方案分析。 ( 3 ) 力求使实验心理学、生理学、功能解剖学等学科的专家与物理学、数学、 工程学方面的研究人员共同努力、密切合作。并对系统的方案进行整体评价，以确定 方案是否可行。 现代人机工程学主要研究的方向就是把人机环境系统作为一个统一的整体，以 创造最适合于人操作的机械设备和作业环境，使人机环境系统相协调，从而获得系 统的最高综合效能。 2 1 2 多功能轮椅设计中人机工程学研究的目的和意义 系统设计的一般方法【1 6 】，通常是在明确系统总体要求的前提下，着重分析和研究 人、机、环境三个要素对系统总体性能的影响，应具备的各自功能及相互关系，如系 统中机和人的职能如何分工、如何配合；环境如何适应人；机对环境又有何影响等问 题，经过不断修j 下和完善三要素的结构方式，最终确保系统最优组合方案的实现。一 项优良的设计必然是人、环境、技术、经济、文化等因素巧妙平衡的产物。因此在设 计康复训练系统时，应从人机工程学和工业设计两学科的共同目标来评价，判断最佳 平衡点的标准，就是在设计中峰持以“人”为核心的主导思想。 人机工程学的根本目的【1 7 】是通过揭示人、机、环境三要素之阳j 按相互关系的规律， 从而确保人机环境系统总体性能的最优化。从其研究目的来看，就充分体现了本学 科主要是“人体科学、“技术科学”和“环境科学”之间的有机融合。在残障人室 内步行与康复训练系统中，“人”是指肢体残障的使用者；“机”对应为乘员操作控 制的对象即康复训练系统，“环境”对应为影响残障者驾驶和乘坐行为的作业空间。 康复训练系统总体设计中提出的人机工程方面的性能要求，例如姿态的合理性、乘坐 舒适性、手脚的伸及性、身体的容纳、上下车的方便性都是以“人”为主体提出来的。 针对多功能轮椅的设计进行人机工程学研究的主要目的有三个：舒适、安全和高效。 ( 1 ) 调查发现，老年人和残障用户长时间坐在轮椅上就会有不舒适感觉，主要 是因为普通轮椅，特别是可折叠式轮椅的坐挚和靠背，没有很好的结合人机工程学进 行设计，从而很难满足轮椅使用者的舒适性要求。舒适是人在工作时的最高的需求， 在一个舒适的状态下，对于提高效率是很有帮助的。在人与康复训练系统这样一个人 机系统中，人对轮椅的价值要求比较高，因而康复训练系统的结构设计要求就高。对 舒适需要的满足，也是人机工程的目的所在。而坐挚和靠背部分是决定轮椅舒适性的 关键因素，为了满足用户对轮椅舒适性的要求，本课题基于人机工程学所注重的“人 的因素”，从人体测量学、人体坐姿的生理形念及体压分布入手，结合我国人体尺寸 标准分析了人机工程学与轮椅舒适性的密切关系，阐述了决定轮椅舒适性的坐挚和靠 2 基于人机t 程学的多功能轮椅尺寸设计 背形状与结构参数，并确定了坐垫和靠背舒适度调节尺寸范围，以最大限度接近人机 工程学要求以保证轮椅舒适性。 ( 2 ) 安全是人类的基本要求，尤其是肢体残障者，由于他们步行时身体姿态异 常、平衡协调能力差，导致安全性差，并且他们肢体的残障对心理上造成的影响，使 得他们对安全的需求更为强烈，也更为必要。根据使用者的特性要求对传统轮椅进行 相应的设计和改善，保证使用者操作的安全性，满足使用者的安全需求。 ( 3 ) 高效率是人在满足安全感之后的另一需要。人机效率主要体现在人的使用 操作上，在人与轮椅之间，效率是两者相互依靠和相互制约的共同结果。在人机系统 中，充分发挥人与机械各自的特长，互补所短，以达到人机系统整体的最佳效率与总 体功能。在复杂的人机系统中，人是一个子系统，为使人机系统总体效能最优，必须 使机械设备与操作者之间达到最佳的配合，即达到最佳的人机匹配。要选用最有利于 发挥人的能力、提高人的操作可靠性的匹配方式来进行设计。应充分考虑有利于人能 很好地完成任务，既能减轻人的负担，又能使人在操作时感觉很舒服。 人机工程学的根本研究方向是通过揭示人、机、环境之问相互关系的规律，以达 到确保人机环境系统总体性能的最优化。就工业技术学科而言，它也是围绕人机工 程的根本研究方向来确定具体的研究内容。如图2 1 所示为人机工程学所研究内容的 流程图。 人 机 工 程 学 人体特性的研究 人体系统的总体设计 工作场所和信息传递装置的设 计 环境控制与安全保护设计 整体 性能 最优 化 图2 一1 人机工程学研究内容 f i g 2 1r e s e a r c hc o n t e n to fm a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n g 2 2 人体测量学简介 2 2 1 人体测量学定义 为了使各种与人体尺度有关的设计对象能符合人的生理特点，让人在使用时处于 舒适的状态和适宜的环境之中，就必须在设计中充分考虑人体的各种尺度，人体尺寸 是设计者确定其产品尺寸的重要依据之一。作为产品的设计者必须了解人体各部分的 尺寸，只有这样，才能预先确定产品的使用者在其有关位置上的能见范围和活动范围， 因而也就要求设计者能了解一些人体测量学方面的基本知识，并能熟悉有关设计所必 须的人体测量基本数据和使用条件。 1 0 天津科技人学硕一i ：学位论文 人体测量学( a n t h r o p o m e t r y ) 1 8 1 是研究用何种精密仪器和方法，测量产品设计时 所需的人体各有关参量。它是通过测量人体各部分尺寸来确定个体之问和群体之间在 人体尺寸上的差别，用以研究人的形态特征，从而为各种工业设计和工程设计提供人 体测量数据。人体尺寸测量是借助于人体各部分的尺寸和比例来研究人体的方法，是 人机工程学的基础。 从实用角度来看，人体测量内容一般有以下三类。 ( 1 ) 形态的测量：主要包括人体尺寸测定、人体体型测定、人体体积和重量的 测定以及人体表面积测定四部分。 ( 2 ) 生理的测定：主要内容有人体出力测定、人体触觉反应测定和任意疲劳测 定等。 ( 3 ) 运动的测定：主要内容有动作范围测定、动作过程测定、体型变化测定和 皮肤变化测定等。 2 2 2 人体测量学分类 人机工程学范围内的人体形态测量学【1 9 】【2 0 墩据主要有两类，即人体构造尺寸和功 能尺寸的测量数据。人体构造上的尺寸是指静态尺寸，主要取自静态、裸体并采取规 范化姿势的人体对象。人体功能上的尺寸是指动态尺寸，这种尺寸数据比较复杂，一 般具有三维空问，涉及由四肢挥动所占有的空间体积与极限。这时不仅要考虑人体的 静念尺寸，还必须考虑由关节类型和衣着所限定的约束类别。 人体测量学通过测量人体各部位尺寸来确定个体和群体之间在人体尺寸上的差 别。它用来研究人的形态，为工业产品造型设计和人机环境系统工程设计提供人体测 量数据。 静态和动态的人体测量学尺寸对产品设计有很大的帮助。静态，是指被测者静止 地站着或坐着进行的一种测量方式。静态测量的人体尺寸用以设计工作区间的大小。 它可以通过固定身体部位、标准姿势获得。静态人体测量学尺寸主要包括：身高、眼 高、手掌长度、腿高、坐高和臂长等。这些人体尺寸很容易通过人体测量仪器和工具 获得。动态人体尺寸测量是指被测者处于动作状态下所进行的人体尺寸测量。它的重 点是人在执行某种动作时的身体特征。动态尺寸是人在工作姿势下或在某种操作活动 下的测量的尺寸。动态人体测量的特点是在任何一种身体活动中，身体各部位的动作 并不是独立无关，而是协调一致的，具有连贯性和活动性。例如，臂能及的最大距离 除了手臂的长度和手的位置影n l h j 夕l - ，还受肩膀和躯干运动的影响。因而，获得和应用 功能尺寸比较麻烦。 2 2 3 人体测量中的主要统计函数 由于群体中个体和个体之间存在着差异，一般来说，某一个体的测量尺寸不能作 为设计的依据。为使产品适合于一个群体的使用，设计中需要的是一个群体的测量尺 寸。例如，在本课题中需要的就是老年人和下肢残障的群体的测量尺寸。但是全面测 量群体中每个个体的尺寸又是不现实的。通常是通过测量群体中较少量个体的尺寸， 2 基于人机t 程学的多功能轮椅尺寸设计 经过数据处理后而获得较为精确的所需群体尺寸。 由于人体测量中所得到的测量值都是离散的随机变量，因而可根据概率论与数理 统计理论对所测量的数据进行统计分析【2 1 1 ，从而获得所需群体尺寸的统计规律和特征 参数。 1 均值 表示样本的测量数据集中地趋向某一个值，该值称为均值。它与平均的意义相同。 是描述测量数据位置特征的值，可用来衡量一定条件下的测量水平和概括地表现测量 数据的集中情况。对于有n 个样本的测量值：x l ，x 2 ，x n ，其均值为： x2 吉喜葺 式( 2 山 2 方差 测量中各数据与样本平均数的差的平方和的平均数叫做均方差，它描述测量数据 在中心位置( 均值) 上下波动程度差异的值，通常称为方差。是测算离散趋势最常用的 指标，也是测算数值型数据离散程度的最重要的方法。方差表明样本的测量值是变量， 既趋向均值而又在一定范围内波动。对于均值为叉的n 个样本测量值：x l ，x 2 ，x n ， 其方差s 2 的定义为： s 2 = 击h 吲2 + ( 而吲2 + + ( 毛司2 】 2 击善( 葺) 2 式( 2 - 2 ) 也可使用与上式等价计算又比较有效的公式，即： s 2 = 士( 2 + 而2 + + 2 一r o t 2 ) 2 击( 善玉2 _ r 厅2 ) 式( 2 。) 如果测量值x i 全部靠近均值x ，则优先选用这个等价的计算式来计算方差。 3 标准差 标准差指用于衡量一组数值中某一数值与其平均值差异程度的指标。它被用来评 估价格可能的变化或波动程度。简单来说，标准差是一组数值自平均值分散开来的程 度的一种测量观念。一个较大的标准差，代表大部分的数值和其平均值之间差异较大； 一个较小的标准差，代表这些数值较接近平均值。总体标准差是通过随机抽取一定量 的样本并计算样本标准差估计的。方差的平方根s d 称为标准差。对于均值为叉的n 个样本测量值：x l ，x 2 ，x n ，其标准差s d 的一般计算式为： 1 2 天津科技人学硕一l ：学位论文 = e 1 c 窆lx 1 2 - 确 i 埘， 4 抽样误差 抽样误差是指样本指标值与被推断的总体指标值之差。它主要包括：样本平均数 与总体平均数之差；样本成数与总体成数之差。影响抽样误差的因素：抽样单位数的 多少，总体中被研究标志的变动程度的大小。抽样误差越大，表明样本均值与总体均 值的差别大；反之均值可靠性就高。概率论证明，当样本数据列的标准差为s d ，样本 容量为n 时，则抽样误差s x 的计算式为： q s i = 半式( 2 5 ) v n 由上式可知，均值的标准差s x 要比测量数据列的标准差s d 小，l 倍。当测量方 法一定，样本容量愈多，则测量结果精度愈高。因此，在可能范围内增加样本容量， 可以提高测量结果的精度。 5 百分位与百分位数 人体测量的数据常以百分位数p k 作为一种位置指标、一个界值。 ( 1 )百分位 百分位是指分布的横坐标用百分比来表示所得到的位置，用百分位可表示“适应 域”。一个设计只能取一定的人体尺寸范围，这部分人只占整个分布的一部分“域”， 称为适应域。 ( 2 ) 百分位数p k 百分位数是一种位置指标，一个界限值。百分位数是百分位对应数值，在人体尺 寸中就是测量值。一个百分位数将总体或样本的全部测量值分为两部分：有k 的测 量值等于和小于它，有( 1 0 0 一k ) 的测量值大于它。 当已知某项人体测量尺寸的均值为又，标准差为s d ，需要求任一百分位的人体测 量尺寸x 时，可用下式计算： x = 孑4 - ( s o k ) 式( 2 - 6 ) 式中k 为变换系数。 2 2 4 人体测量数据的应用方法 1 确定所设计产品的类型 在涉及人体尺寸的产品设计中，设定产品功能尺寸的主要依据是人体尺寸百分位 数，而人体尺寸百分位数的选用又与所设计产品的类型密切相关。 2 选择人体测量百分位数 2 基