楊 勤,王嘉斌,王衛(wèi)星

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550000)

0 引 言

社會(huì)的進(jìn)步和醫(yī)療條件的提升以及世界和平的大環(huán)境，人均壽命有了很大的提高。由于生育率的下降，人口老齡化現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重[1]，尤其是中國(guó)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，中國(guó)老齡化的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了世界上大多數(shù)的國(guó)家[2]。因?yàn)橹袊?guó)人口的基數(shù)巨大，所以無(wú)論是現(xiàn)在還是將來(lái)中國(guó)的老年人口的數(shù)量都是十分龐大的。隨著年齡的增加，老年人的身體機(jī)能會(huì)逐漸衰退，感覺(jué)延遲、反應(yīng)遲鈍、活動(dòng)能力下降，同時(shí)受到慢性病的影響，這些都會(huì)導(dǎo)致老年人的自理能力下降[3]，這會(huì)極大地影響著老年人的社會(huì)參與度，也極大地影響了老年人的生活品質(zhì)。老年人輔助裝置是為了解決老年人因?yàn)樯眢w機(jī)能的下降或者是其他原因?qū)е碌臒o(wú)法正常進(jìn)行某些活動(dòng)的問(wèn)題[4]。老年人輔助座椅可以輔助老年人更好地使用座椅，方便起坐和休息。

Jack軟件是在仿真和人機(jī)功效方面被評(píng)定在世界范圍內(nèi)最為成熟的一款軟件，具有十分豐富和全面的數(shù)字人體模型。一個(gè)數(shù)字人體模型包含69個(gè)部位(Segment)和68個(gè)關(guān)節(jié)(Joint)以及135個(gè)自由度，在進(jìn)行數(shù)字人體模型創(chuàng)建時(shí)可以自定義數(shù)字人體模型的身體的各個(gè)尺寸數(shù)據(jù)，使得人機(jī)功效分析更加具有針對(duì)性和準(zhǔn)確性[5]。在我國(guó)，運(yùn)用Jack軟件進(jìn)行人機(jī)功效分析已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在交通運(yùn)輸、航天等領(lǐng)域。但是運(yùn)用在座椅方面較少，尤其是老年人輔助座椅。本文運(yùn)用Jack軟件對(duì)設(shè)計(jì)的老年人輔助座椅的使用過(guò)程進(jìn)行仿真，并對(duì)舒適度、可視域、受力與可達(dá)域等方面進(jìn)行分析。

1 老年人需求分析

1.1 老年人定義

老年人的定義傳統(tǒng)上都是按照年齡來(lái)進(jìn)行界定的。通常對(duì)老年人的定義指的是60～65歲以上的人口[6]。但是隨著人均壽命的增長(zhǎng)，Sanderson等人[7-8]提出了“期望余壽”的老年人定義方式。彭希哲等人[9]也提出了按照老年人身體狀況和壽命水平來(lái)重新進(jìn)行老年人的定義。甚至世界衛(wèi)生組織曾經(jīng)提出過(guò)現(xiàn)在的70歲還不到以前60歲的說(shuō)法[10]。這些對(duì)傳統(tǒng)老年人的定義是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，但是基于當(dāng)前人們的普遍認(rèn)知以及現(xiàn)行各種規(guī)定，在本文中仍將老年人界定為65歲以上年齡的人口。

1.2 老年人身體情況

隨著年齡的增長(zhǎng)，人的身體從發(fā)育到成熟再到衰弱，這是生理上的不可逆轉(zhuǎn)的表現(xiàn)。老年人的身體已經(jīng)處于衰弱的狀態(tài)，無(wú)論是聽(tīng)覺(jué)還是味覺(jué)、嗅覺(jué)，甚至是觸覺(jué)都有著的極大衰退，身體各項(xiàng)器官的機(jī)能都有了極大的衰退，這導(dǎo)致了老年人的行為能力受到很大的限制[11]。大多數(shù)的老年人患有老年病，甚至是多病一體，導(dǎo)致老年人日常活動(dòng)能力(ADL)下降[12]。影響老年人使用座椅的身體狀況主要是上肢力量和下肢力量減弱、反應(yīng)速度變慢、維持平衡的能力下降以及腰腹力量下降等[13]。老年人的這些身體狀況嚴(yán)重影響著老年人正常使用座椅，甚至影響自理能力。

1.3 老年人對(duì)輔助座椅的需求

老年人輔助座椅是為老年人設(shè)計(jì)的具有一定輔助功能的座椅?？梢詭椭夏耆烁臃奖愫褪孢m地使用座椅。老年人在使用座椅的時(shí)候主要有3個(gè)動(dòng)作，那就是坐、躺和起。老年人身體狀況的變化可能?chē)?yán)重影響到了這3個(gè)動(dòng)作的進(jìn)行[14]。本文通過(guò)文獻(xiàn)的閱讀以及問(wèn)卷調(diào)查的方法，對(duì)養(yǎng)老院中50個(gè)老年人進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查他們對(duì)老年人輔助座椅的需求。本文通過(guò)前期對(duì)老年人身體狀況的調(diào)研，設(shè)置了助起、助坐、旋轉(zhuǎn)、助躺、躺起立等功能選項(xiàng)，請(qǐng)老年人自己選擇意向的座椅輔助功能，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析最終確定了老年人對(duì)輔助座椅的主觀(guān)功能需求是助起與助坐。

由于老年人身體的特殊性，所以老年人對(duì)輔助座椅的需求，除了主觀(guān)功能需求，還應(yīng)該有著客觀(guān)需求，就是老年人的受力參數(shù)。肌力是反映人的活動(dòng)能力和強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)，肌力即為肌肉力量。肌力的變化與肌肉的數(shù)量、質(zhì)量以及骨骼肌的含量息息相關(guān)，與這3個(gè)因素成正相關(guān)[15]。人的肌肉力量隨著人的生長(zhǎng)是不斷變化的，青春期(16～18歲)肌肉力量迅速增加，直到25歲，力量會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值，在此后的青中年階段，肌力會(huì)處于相對(duì)穩(wěn)定的平臺(tái)期，45歲之后，肌力會(huì)緩慢下降，50歲之后迅速下降[16]。50歲之后，肌肉生理橫斷面積會(huì)逐漸減少，橫截面積每增加1 cm2,肌肉力量會(huì)提升3～4 kg。研究表明，50歲之后，肌肉的橫斷面積會(huì)以每10年10%～15%的速度減少。這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致肌力的減少，每10年的肌肉力量的衰減能夠達(dá)到5%～10%，65歲以后的老年人的肌肉力量衰減更加迅速，每10年減少約為20%～30%[17]。綜合分析，65～75歲老年人的肌力比平均水平要削減約20%，75歲以上的老年人的肌力削減約為40%以上。所以在進(jìn)行老年人輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候，要考慮到老年人肌肉力量衰退的變化，如果是需要肌力進(jìn)行操作的過(guò)程應(yīng)該考慮到肌力的衰退。在進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析的時(shí)候，對(duì)受力承受的限度要根據(jù)老年人的客觀(guān)需求來(lái)進(jìn)行設(shè)定。

起坐相關(guān)的肌力主要是膝關(guān)節(jié)屈、伸肌力，本文中的輔助座椅相關(guān)的肌力主要是膝關(guān)節(jié)屈、伸肌力與肘關(guān)節(jié)屈、伸肌力，使用Jack軟件進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)仿真分析時(shí)，老年人的受力參數(shù)要根據(jù)老年人的客觀(guān)需求來(lái)進(jìn)行設(shè)定。

2 仿真流程

人機(jī)工程學(xué)仿真的建立必須具備2個(gè)條件，首先就是建立仿真對(duì)象，即分析對(duì)象的數(shù)字模型的建立。在本文中是老年人輔助座椅三維模型的建立。另一個(gè)條件就是仿真主體的建立，也就是數(shù)字人體模型，在本文中即座椅使用者老年人人體模型。2個(gè)條件具備之后，將建立的老年人輔助座椅模型和老年人人體模型導(dǎo)入到Jack軟件里，進(jìn)行老年人使用座椅過(guò)程的仿真，并進(jìn)行舒適度、可視域、受力、可達(dá)域的分析。整個(gè)人機(jī)工程學(xué)仿真與分析的流程如圖1所示。

圖1 人機(jī)工程學(xué)仿真分析流程

2.1 老年人輔助座椅模型創(chuàng)建

確定了老年人的功能需求，就確定了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方向和目標(biāo)。本文分析老年人對(duì)輔助座椅的助起與助坐的2個(gè)功能需求，提出2種實(shí)現(xiàn)方式，分別是椅面助起和扶手助起，通過(guò)椅面的升降與扶手的升降來(lái)達(dá)到輔助老年人起坐的目的。使用三維建模軟件Rhino構(gòu)建出本文所設(shè)計(jì)的老年人輔助座椅的基礎(chǔ)模型，座椅的基本人機(jī)尺寸如圖2所示。

圖2 老年人輔助座椅人機(jī)尺寸圖

2.2 仿真人體模型的創(chuàng)建

本文運(yùn)用Jack軟件來(lái)進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)仿真分析。Jack軟件本身具備強(qiáng)大成熟的數(shù)字人體模型庫(kù)，所以本文中的數(shù)字人體模型直接在Jack軟件中進(jìn)行創(chuàng)建。Jack軟件可以通過(guò)反向運(yùn)動(dòng)原理來(lái)進(jìn)行數(shù)字人體模型的調(diào)節(jié)[5]，即只需要對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)，不需要對(duì)所有部位進(jìn)行運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)，可以準(zhǔn)確地進(jìn)行動(dòng)作的設(shè)定。在Jack軟件的CHINESE數(shù)據(jù)庫(kù)中建立身高和體重百分位數(shù)為95、50、5的male和female的老年人數(shù)字模型，如圖3所示。本文選取百分位數(shù)為95的male進(jìn)行人機(jī)工程仿真分析。

圖3 老年人數(shù)字模型

3 基于Jack的仿真分析

3.1 舒適度分析

相較于年輕人，老年人使用座椅的時(shí)間相對(duì)要長(zhǎng)，使用座椅的姿勢(shì)會(huì)受到座椅外形和功能的影響。長(zhǎng)期以不合理的姿勢(shì)使用座椅會(huì)影響肌肉和骨骼的舒適度，讓使用者產(chǎn)生不舒服的感覺(jué)[18]。本文利用Jack軟件對(duì)座椅2種使用形式的給定姿勢(shì)進(jìn)行單關(guān)節(jié)舒適度分析，并選擇Dreyfuss 2D為參考數(shù)據(jù)庫(kù)，分析結(jié)果如圖4和圖5所示。由圖4可以看出，在直立的姿勢(shì)下，各個(gè)關(guān)節(jié)的柱狀數(shù)值均未超過(guò)指標(biāo)限定值，舒適度良好，符合生理要求。圖5顯示在半躺姿勢(shì)下，Trunk Thigh和Knee Included柱狀數(shù)值超過(guò)指標(biāo)限定值，2個(gè)關(guān)節(jié)的舒適度指標(biāo)異常，說(shuō)明在此姿勢(shì)下，這2個(gè)關(guān)節(jié)向下彎曲程度較大，導(dǎo)致2個(gè)關(guān)節(jié)舒適度相對(duì)較低，所以需要抬升腿的位置，減少2個(gè)關(guān)節(jié)的彎曲度。

圖4 直立狀態(tài)舒適度分析

圖5 半躺姿態(tài)舒適度分析

3.2 可視域分析

座椅具有2個(gè)最基本的功能，那就是承載功能和休息功能。承載功能指的就是承擔(dān)著為使用者進(jìn)行其他活動(dòng)載體的功能，老年人使用座椅進(jìn)行的活動(dòng)有很多，但是經(jīng)過(guò)分析，老年人在座椅上主要進(jìn)行看電視、讀書(shū)、觀(guān)看手機(jī)等一些娛樂(lè)活動(dòng)。所以產(chǎn)品要滿(mǎn)足老年人進(jìn)行這些娛樂(lè)活動(dòng)的需求。并且本文中老年人輔助座椅的設(shè)計(jì)還具備支撐手機(jī)進(jìn)行觀(guān)看視頻的功能。本文依然對(duì)老年人輔助座椅的直坐和半躺的2種狀態(tài)進(jìn)行仿真。在Jack軟件中應(yīng)用Visual Fields工具進(jìn)行分析，可視域范圍如圖6所示。

圖6 可視域范圍

圖7 視線(xiàn)集中屏幕姿勢(shì)圖

由圖6可以看出，處于直坐和半躺的2個(gè)姿勢(shì)下，使用正常的視覺(jué)姿勢(shì)進(jìn)行仿真，視域范圍都足夠大，完全能夠滿(mǎn)足使用者進(jìn)行交談和看電視等娛樂(lè)活動(dòng)的需求。但是在2個(gè)姿勢(shì)下手機(jī)支架的屏幕沒(méi)有在視域范圍內(nèi)。在Jack軟件中使用Look at Target命令對(duì)頭部姿勢(shì)進(jìn)行仿真調(diào)節(jié)，使視線(xiàn)集中在支架上的手機(jī)屏幕上，仿真如圖7所示，此時(shí)姿勢(shì)不符合正常的視覺(jué)姿勢(shì)，長(zhǎng)時(shí)間保持此姿勢(shì)進(jìn)行視頻的觀(guān)看會(huì)產(chǎn)生疲勞，影響身體健康。所以需要對(duì)手機(jī)屏幕位置進(jìn)行調(diào)整，使使用者處于正常的視覺(jué)姿勢(shì)。具體調(diào)整應(yīng)該是向上向中間方向調(diào)節(jié)。

3.3 受力分析

本文中的老年人輔助座椅的輔助功能主要是助起與助坐，對(duì)助起與助坐的過(guò)程進(jìn)行分解，2種實(shí)現(xiàn)方式都需要老年人自己手部或者是腰腹部用力或者是受力。老年人助起和助坐的過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，各關(guān)節(jié)和肌肉受力也是一個(gè)漸變的過(guò)程，由于老年人的身體機(jī)能有很大的衰退，如果受力過(guò)大或者是屈伸角度過(guò)大，會(huì)對(duì)老年人的身體造成極大的損傷，甚至造成不可逆的身體傷害[19]。在Jack軟件中通過(guò)ForceSolver工具對(duì)輔助座椅的2個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真。助起與助坐即是給定相應(yīng)segment一定方向和大小的力。本次仿真分析中，設(shè)定扶手位置的Palmcenter垂直向上為100 N的力。同時(shí)設(shè)定腰背部與腰背部平行向上的力為100 N，如圖8所示。由于老年人身體肌力衰退，所以在進(jìn)行受力分析的時(shí)候?qū)αΦ淖畲笙薅仍O(shè)置按照老年人客觀(guān)需求來(lái)進(jìn)行。力的限度設(shè)置為正常的60%，Percent Capable Threshold設(shè)置為90%。由于助起和助坐都是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，力的變化也是動(dòng)態(tài)的，所以在進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真時(shí)，截取有代表的時(shí)間或者空間節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行分析。本文仿真分析選定了3個(gè)節(jié)點(diǎn)：1)最初狀態(tài)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，即使用者處于直坐狀態(tài)，此節(jié)點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)為0 s；2)扶手輔助和坐面輔助停止作用的節(jié)點(diǎn)，在整個(gè)過(guò)程中的時(shí)間點(diǎn)為9 s；3)節(jié)點(diǎn)是各關(guān)節(jié)受力都符合限制的節(jié)點(diǎn)，此時(shí)的時(shí)間點(diǎn)為5.83 s。圖9為起身時(shí)老年人各關(guān)節(jié)受力圖。圖10為停止輔助時(shí)的各關(guān)節(jié)受力圖，圖11為各關(guān)節(jié)都符合限制的姿勢(shì)圖。

圖8 初始狀態(tài)

圖9 起身時(shí)老年人各關(guān)節(jié)受力圖

圖10 停止輔助時(shí)的各關(guān)節(jié)受力圖

圖11 各關(guān)節(jié)都符合限制的姿勢(shì)圖

通過(guò)對(duì)老年人使用座椅的助起和助坐整個(gè)過(guò)程的仿真以及受力數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)在整個(gè)助起過(guò)程中涉及的主要關(guān)節(jié)為Knee和Ankle，從開(kāi)始到5.83 s，這2個(gè)關(guān)節(jié)的Capable數(shù)值均在90%以下，都不在合理范圍內(nèi)，這一階段的輔助沒(méi)有達(dá)到最好的效果，所以應(yīng)該考慮減少0～5.83 s階段的Knee和Ankle的受力，使2個(gè)關(guān)節(jié)的受力處于合理范圍。應(yīng)該增加此階段的扶手和椅面支撐力。

3.4 可達(dá)域分析

老年人輔助座椅具有承載的功能，成為一個(gè)進(jìn)行其他活動(dòng)的“工位”，比如吃飯、下棋等生活中必須的活動(dòng)。如果老年人在使用座椅時(shí)因?yàn)榭刂品秶南拗撇坏貌黄鹕磉M(jìn)行操作，那么，這對(duì)老年人來(lái)講是一個(gè)額外的負(fù)擔(dān)和相對(duì)艱難的操作。所以，針對(duì)老年人這一特殊群體，輔助座椅應(yīng)該具有足夠的可達(dá)域從而減少老年人的額外操作以滿(mǎn)足正常生活需求。在Jack軟件中對(duì)老年人輔助座椅進(jìn)行可達(dá)域分析，使用Reach Zones分析工具對(duì)直立坐姿勢(shì)進(jìn)行仿真人最大可觸及范圍分析，當(dāng)Waist Flex Angle(腰部彎曲角度)為60°和Waist Lateral Angle(腰部側(cè)偏角度)為40°時(shí)，生成雙肩和腰部聯(lián)合運(yùn)動(dòng)下達(dá)到的最大區(qū)域，如圖12所示。通過(guò)Measure Distance工具測(cè)量，可及域的最遠(yuǎn)點(diǎn)距離座椅的直線(xiàn)距離為54 cm[20]，符合人們?nèi)粘Ｉ畈僮餍枰木嚯x。

圖12 可達(dá)域

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)Jack軟件對(duì)設(shè)計(jì)的老年人輔助座椅進(jìn)行了助起和助坐過(guò)程的仿真，并按老年人的身體客觀(guān)需求進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析，對(duì)產(chǎn)品提出了改進(jìn)方向，修改了原有設(shè)計(jì)中不符合人機(jī)工程學(xué)的地方，指導(dǎo)了設(shè)計(jì)的進(jìn)行。這樣可以加快產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)程，并且還可以節(jié)約生產(chǎn)成本，也可以對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒和參考作用。