基于SAMMIE的轮椅创新设计及人机工程分析

摘要：本文以人机工程学理论为基础，对轮椅进行结构和功能的创新设计。分析老年人的生理及心理特征，总结老年人多功能轮椅的设计要素，根据人机工程学、机械设计等相关理论进行轮椅创新设计，并利用人机分析软件SAMMIE对其进行可达域、静态力的分析，以验证设计方案的合理J性。

关键词：人机工程学；老年人；轮椅设计；SAMMIE

近年来轮椅行业保持快速发展，但是，我国轮椅行业产品结构单一，绝大部分产品为一般轮椅，产品价格低。高端产品如电动轮椅和运动轮椅研发投入不足，技术水平与国外相差很大，主要依靠进口。然而东西方人的体型差异很大，面向西方使用人群设计的轮椅未必就适合东方人使用，为了设计出真正适合中国老年人使用的轮椅，必须对轮椅使用人群的人体尺寸、心理特征、行为模式以及生活习惯等进行分析，为轮椅的尺寸提供参考，设计出安全、舒适、适合中国人使用的轮椅。

1SAMMIE在轮椅设计中的应用

人机工程学是应用人体测量学、生理学、人体力学等诸多学科来研究“人-机-环境”三者相互的关系的学科。本文中的研究对象主要是老年轮椅使用者，要考虑的人机工程要素主要包括：老年人人体尺寸、老年人生理及心理特征、人体力学等。

SAMMIE中录入了数十个国家的成年人人体尺寸数据库，包括中国98年成年人人体尺寸数据库，也可以根据需要定制人体模型，在人体关节活动范围内移动人体的肢体和关节，模拟各种操作姿势。它的基本功能主要包括：（1）可达域分析：在工作场所中使用手或脚可以触碰到的范围及物体。（2）合适性分析：用于评估近似人群对一定限制的工作空间的合适性。（3）工作姿势分析：调节人体关节的角度模拟人体工作姿势，并以此来评估人体工作姿势的可行性、舒适性和身体关节的受力等情况。（4）视野分析：根据人体视野特性模拟人体模型的视野，通过参照头部和颈部的运动，仿真人体实际操作过程中的视野，并以此来对产品的视野性能进行评估。

在具体轮椅设计活动中，人机工程学的应用主要体现在以下几个方面：

（1）为轮椅设计提供人体数据参考。结合人体测量学、人体力学、心理学、生理学等学科，对老年人体生理特征、机能结构进行分析，得到老年人的肢体可及范围、人体机能等特征参数，为轮椅的尺寸设计作参考。

（2）为轮椅设计提供造型和结构依据。人机工程学强调让机器适应人，而不是人适应机器。比如优秀的手持式产品设计，要考虑人的手掌、手指尺寸，对不同的手持姿势进行分析对比，找到最贴近人手的自然状态、最安全、最省力的一种操作方式；产品的外形要符合手握的姿势，线条自然流畅。

（3）为轮椅设计提供“环境因素”参考依据。在设计过程中，考虑人在不同使用场景中的适应能力和承受限度，分析环境中的光线、温度、湿度、振动等因素对人体生理和心理的影响，以保证最终设计的产品满足安全、舒适和高效的要求。

2老年人的生理及心理特征分析

人到老年身体形态和生理机能都会发生相应的变化，充分考虑分析老年人的生理及心理特征，才能设计出适用更多老年群体的产品。

2.1生理特征

在生理上，老年人的特征为：

（1）骨骼肌肉系统衰老：老年人肌腱、韧带萎缩僵硬，肌力降低，容易发生骨折且关节活动不利。

（2）感知系统衰老：老年人视觉、听觉下降，味觉、嗅觉、触觉敏感度降低，使老年人对伤害性刺激不敏感，因此在日常生活中易发生意外事故。

（3）思维系统衰老：临床上发现，老年人大脑出现脑萎缩，记忆力、注意力逐渐变差，生活效率也随之下降。

2.2心理特征

（1）离退休综合征：老年人离退休以后突然从忙忙碌碌转到无所事事，逐渐淡出原来的人际关系网，社交范围狭窄，一时间无所适从。

（2）孤独：当下国内“空巢”现象比较普遍，客观上造成老年人可以对话的对象少了，使老年人感到缺乏关爱，孤独感油然而生。

（3）固执或狭隘自负：部分老年人习惯用老眼光看事物，总觉得过去“老一套”好，很难接受新鲜事物。

（4）畏惧死亡：人到老年很少不生病，对疾病、死亡的忧虑、恐惧往往会对老年人产生超负荷的心理压力。

3基于SAMMIE的轮椅创新设计

3.1设计原则

根据以上对于老年人的生理及心理特征分析，总结概括出老年人轮椅的设计原则：

（1）舒适性。轮椅的设计应符合人机工程学，轮椅的尺寸尽可能符合人体的器官尺寸，让使用者脊柱保持正常的生理曲度，各部分肌肉处于放松状态，从而提高舒适性，保证使用者的身体心理健康。

（2）安全性。老人轮椅的设计应采用轻便、高效型材料，这既能提高老年人轮椅的使用性能，减轻重量，又能保障老人的使用安全。

（3）易用性。轮椅的操作方式简便易用，不会让老年人产生心理畏惧感，同时应弱化其护理产品的特殊性痕迹，做到人性化、温暖化。

（4）物美价廉。老年人轮椅设计要严格控制生产成本，简约大方，只有这样，电动老人康复轮椅才能够迅速普及，融入人们的家庭生活，造福老年人。

3.2提出方案

根据老年人的人因分析以及老年人轮椅的设计原则，设计出符合人机工程学的老年人轮椅，该轮椅的靠背和支撑脚角度能够调节，以适应不同使用者的身体尺寸。见图1、图2。

3.3SAMMIE人机分析

（1）构建人体模型。以《中国成年人人体尺寸GB/T10000-1988》和《在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则GB/T12985-91》为标准，选取P5男性、P5女性、P95男性、P95女性，建立4个人体模型，由于老年人普遍存在身高降低，肢体功能减弱的情况，需要对人w模型的尺寸进行一定的修正。由于研究轮椅设计，所以主要考虑坐姿下的人体尺寸，具体参数如图3：

（2）导入轮椅模型，将建立的轮椅模型导入SAMMIE中，为了方便分析，需要将轮椅模型简化，保留关键结构。将人体模型调整成坐姿状态，结合弯腰屈膝等动作，将人体模型的各部位调整至合适角度，使其与轮椅匹配，分析坐姿状态下的轮椅人机关系是否合理。如下图4，从左到右依次为P5女性、P95女性、P5男性、P95男性的坐姿分析图。

由上可知，将轮椅靠背与支撑脚做出不同程度的调整之后，除P95男性的小腿角度，其他角度均能满足四个百分位人体模型的舒适活动范围。四组模型的腰部曲线能与轮椅靠背吻合，使腰椎处于放松状态。

4结语

本文分析了老年人的生理及心理特征，结合特征分析总结了老年人对轮椅的设计需求，基于人因工程原理，进行了轮椅创新设计，并利用人机工程分析软件SAMMIE对设计进行了分析验证，证明该设计满足舒适性的要求。