朱桐，宋端樹(shù)，張善超，白道靖，劉立

基于Jack的老年電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)工程設(shè)計(jì)與優(yōu)化

朱桐，宋端樹(shù)*，張善超，白道靖，劉立

（江蘇師范大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

滿足行動(dòng)不便的老年用戶群體復(fù)雜的出行需求，提高電動(dòng)代步車(chē)類(lèi)工具使用過(guò)程中的舒適度。在傳統(tǒng)老年電動(dòng)代步車(chē)的基礎(chǔ)上附加輔助站立結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一款坐、立兩用的新型電動(dòng)代步車(chē)，并借助Jack仿真軟件，對(duì)老年用戶坐姿駕駛和輔助站立支撐狀態(tài)下的舒適度、可達(dá)域、可視域，以及上車(chē)過(guò)程中L4/L5下背部的受力情況進(jìn)行分析，以驗(yàn)證關(guān)鍵人機(jī)交互結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計(jì)的合理性及舒適性。通過(guò)驗(yàn)證和調(diào)整，對(duì)電動(dòng)代步車(chē)的初期設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化后的方案為老年電動(dòng)代步工具的設(shè)計(jì)提供了參考，可以為滿足老年用戶復(fù)雜的出行需求、提高電動(dòng)代步車(chē)類(lèi)工具使用過(guò)程中的舒適度和安全性提供幫助。

工業(yè)設(shè)計(jì)；人機(jī)工程學(xué)；老年代步車(chē)；Jack

電動(dòng)代步工具的普及和發(fā)展，為下肢活動(dòng)不便的老年人提供了方便，成為確保老年用戶自主出行的有效手段。研究表明，電動(dòng)代步車(chē)對(duì)老年人的活動(dòng)度、社會(huì)參與度和生活質(zhì)量均有顯著影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)電動(dòng)代步車(chē)的研究局限于外觀造型[1-3]、使用需求[4-6]和技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性[7]方面的研究，缺乏對(duì)人機(jī)合理性的研究。此外，老年群體久坐后易發(fā)生難以站立的情況，代步類(lèi)工具中的輔助站立結(jié)構(gòu)能夠促使老人進(jìn)行間接的站立活動(dòng)，從而緩解此類(lèi)癥狀[8-9]，然而，現(xiàn)有的代步車(chē)大多為坐姿駕駛模式，沒(méi)有兼顧到用戶坐、立兩用的復(fù)雜需求。綜合上述問(wèn)題，結(jié)合老年用戶的特征，設(shè)計(jì)出一款坐姿駕駛和輔助站立功能相結(jié)合的電動(dòng)代步車(chē)，并借助Jack仿真軟件對(duì)該款電動(dòng)車(chē)的主要交互結(jié)構(gòu)進(jìn)行人機(jī)合理性的驗(yàn)證，以提高功能集成后該設(shè)計(jì)的合理性、安全性和舒適性。

1 Jack的人機(jī)仿真驗(yàn)證流程

Jack是一款集三維仿真、虛擬人體建模、人因工效分析等主要功能于一體的仿真軟件[10]。用戶能夠自行導(dǎo)入三維模型來(lái)構(gòu)建虛擬的仿真環(huán)境，對(duì)具有生物力學(xué)特性的虛擬人分配任務(wù)，并通過(guò)分析其行為來(lái)獲得所需信息。范沁紅等[11]利用Jack的碰撞檢測(cè)分析工具，驗(yàn)證了虛擬人的背部與座椅靠背的貼合度；Liu等[12]通過(guò)分析Jack軟件中采集的仿真行為數(shù)據(jù)，得出人機(jī)操作過(guò)程中人體負(fù)荷的變化規(guī)律和趨勢(shì)預(yù)測(cè)；張文彥等[13]通過(guò)Jack的運(yùn)動(dòng)仿真功能對(duì)比分析出不同坐姿位置的舒適度；王年文等[14]借助Jack軟件分析座椅使用時(shí)對(duì)腰椎的受力情況，分析得出座椅的相對(duì)舒適角度區(qū)間。本文主要通過(guò)Jack對(duì)老年用戶使用電動(dòng)代步車(chē)的行為進(jìn)行仿真，評(píng)估其使用過(guò)程中的舒適度、可達(dá)域、可視域等方面，以驗(yàn)證文中所設(shè)計(jì)的電動(dòng)代步車(chē)結(jié)構(gòu)的合理性和舒適性，并對(duì)存在的人因問(wèn)題進(jìn)行改正和方案優(yōu)化。文中所涉及的仿真與驗(yàn)證流程如圖1所示。

圖1 Jack仿真及驗(yàn)證流程

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 電動(dòng)代步車(chē)的適老化設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)研分析老年人群的日常生活習(xí)慣，了解老年人的基本生理特點(diǎn)和心理特點(diǎn)，以及影響老年電動(dòng)代步車(chē)設(shè)計(jì)的相關(guān)因素。相關(guān)研究表明，老年用戶在生理方面出現(xiàn)身體尺寸變化、感官退化、肢體僵硬老化、活動(dòng)能力變差等現(xiàn)象。與此同時(shí)，其在心理方面由于處理信息的能力與效率降低，容易出現(xiàn)自卑、焦慮和孤獨(dú)等負(fù)面情緒。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)可以從舒適性、安全性、易用性、輕便性、靈活性等設(shè)計(jì)原則出發(fā)，在保證電動(dòng)代步車(chē)基本功能的同時(shí)，使其設(shè)計(jì)更加適老化。本文老年用戶特征所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)要素及后續(xù)評(píng)估要素，如表1所示。

2.2 電動(dòng)代步車(chē)的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)市場(chǎng)上現(xiàn)有老年代步工具的基本結(jié)構(gòu)和功能的調(diào)研，結(jié)合表1中用戶特征及設(shè)計(jì)因素分析進(jìn)行電動(dòng)代步車(chē)再設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的電動(dòng)代步車(chē)結(jié)構(gòu)可概括為操控部分、驅(qū)動(dòng)部分和傳動(dòng)部分。操控部分主要由操縱把手、膝板、胸托、座椅、扶手和安全帶等組成，如圖2所示；驅(qū)動(dòng)部分包括操縱把手的升降及轉(zhuǎn)向控制、座椅抬升控制和車(chē)輪控制等功能；傳動(dòng)部分由離合器、變速器、主減速器和差速器等部件組成，電動(dòng)代步車(chē)由上述三部分共同協(xié)作以實(shí)現(xiàn)正常行駛。

該電動(dòng)代步車(chē)以坐姿駕駛和輔助站立支撐兩種狀態(tài)為主，通過(guò)電動(dòng)控制操作把手和座椅自主抬升，以實(shí)現(xiàn)上述兩種主要狀態(tài)的自由切換。此外，面對(duì)下肢存在功能障礙的老年用戶的特殊需求，此款電動(dòng)代步車(chē)兩側(cè)設(shè)有扶手、可前后水平位移的椅面及可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)角度的靠背，以實(shí)現(xiàn)用戶自主地完成在日常坐具與代步車(chē)之間的遷移。本文主要依據(jù)表1中的評(píng)估要素，在Jack軟件中對(duì)所設(shè)計(jì)的電動(dòng)代步車(chē)操控部分的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，進(jìn)行人機(jī)工效方面的驗(yàn)證。

3 人機(jī)工程仿真分析

3.1 虛擬人模型建立

在Jack軟件的虛擬人尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)里中國(guó)人的尺寸是1989年18～60歲男性和18～55歲女性成年人體尺寸信息，不符合本文研究老年用戶的尺寸需求。目前，我國(guó)在老年人體尺寸方面的研究不夠完善，尚未建立一個(gè)能夠滿足適老化設(shè)計(jì)需求的人體尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)。所以本文在驗(yàn)證時(shí)，所需的虛擬人尺寸數(shù)據(jù)參考了胡海滔[15]研究的中國(guó)老年用戶身體尺寸。為驗(yàn)證該代步車(chē)可以最大程度地適應(yīng)不同身高體型的老年用戶，在Jack中所創(chuàng)建的被測(cè)虛擬人選取65～69歲年齡組中第95百分位男性老年用戶人體尺寸作為設(shè)計(jì)上限，第5百分位女性老年用戶人體尺寸作為設(shè)計(jì)下限，如圖3所示。

表1 老年用戶特征及相應(yīng)的設(shè)計(jì)與評(píng)估要素

Tab.1 Characteristics of elderly users and corresponding design and evaluation elements

圖2 電動(dòng)代步車(chē)的基本結(jié)構(gòu)

圖3 P5女和P95男虛擬人模型建立

3.2 舒適度分析

3.2.1 駕駛姿勢(shì)舒適度分析

圖4 電動(dòng)代步車(chē)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)定義

表2 P5女和P95男與坐姿相關(guān)的身體尺寸

Tab.2 Body dimensions related to sitting posture for P5female and P95male mm

圖5 坐姿舒適度分析圖

3.2.2 上車(chē)過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真分析

該代步車(chē)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)部分包括座椅椅面可平移及靠背可翻轉(zhuǎn)，使下肢功能障礙的用戶可借助兩側(cè)扶手實(shí)現(xiàn)從日常坐具遷移至代步車(chē)上，因此，保證這一過(guò)程中的舒適性和安全性尤為重要。上車(chē)過(guò)程描述：上車(chē)前，用戶可通過(guò)按動(dòng)座椅底部相應(yīng)的按鈕，將靠背向外側(cè)旋轉(zhuǎn)150°至座椅底部支撐柱相平行的位置，座椅椅面兩端向下折疊，座椅椅面可以根據(jù)需求向后平移，完成該系列準(zhǔn)備后用戶從代步車(chē)后側(cè)進(jìn)行遷移。在用戶完成遷移上車(chē)并調(diào)整好坐姿之后，可按動(dòng)座椅下方的按鍵，靠背、椅面可恢復(fù)原來(lái)位置。最后，手動(dòng)調(diào)節(jié)胸托至舒適位置并鎖定，連接靠背安全帶。為使產(chǎn)品更適用于老年用戶日常居家生活情景，本文選取用戶從床轉(zhuǎn)移到電動(dòng)代步車(chē)上的過(guò)程來(lái)研究，借助Jack中的動(dòng)畫(huà)制作工具Animation進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，并利用下背部受力分析工具（Lower Back Analysis）分析下背部L4/L5的受力情況，以驗(yàn)證遷移過(guò)程中的舒適性。

圖6 P95男在站立支撐狀態(tài)下靜態(tài)強(qiáng)度分析圖

在驗(yàn)證前搭建好完整的仿真環(huán)境，在Jack中導(dǎo)入電動(dòng)代步車(chē)的3D模型、標(biāo)準(zhǔn)單人床2 000 mm× 1 500 mm×610 mm的3D模型，與被測(cè)虛擬人模型進(jìn)行匹配。在Animation動(dòng)畫(huà)制作窗口依次添加虛擬人從床上轉(zhuǎn)移到代步車(chē)上的過(guò)程動(dòng)作，以完成該流程的動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)。以P95老年男性用戶為例，將用戶從床上轉(zhuǎn)移到代步車(chē)上的過(guò)程簡(jiǎn)化為四個(gè)階段，分別為：階段1，坐姿前伸雙手分別觸及兩側(cè)扶手；階段2，雙手支撐扶手起身；階段3，支撐扶手身體前移；階段4，雙手支撐扶手緩慢坐下。如圖7a～d所示。

圖7 P95男從床上轉(zhuǎn)移到代步車(chē)的過(guò)程

在仿真動(dòng)畫(huà)制作完成后，分別對(duì)這四個(gè)階段進(jìn)行受力分析，可將受力情況簡(jiǎn)化，如圖8所示，并滿足式（1）～（2）。

圖8 P95男上車(chē)姿勢(shì)靜力學(xué)分析圖

圖9 P95男在階段2時(shí)的L4/L5受力情況

表3 雙手受力為被試者體重的1/4時(shí)各階段的L4/L5受力情況

Tab.3 L4/L5 stress situation at each stage when the stress on both hands is 1/4 of the subject's body weight

3.3 可達(dá)域分析

3.4 可視域分析

圖10 虛擬人上肢可達(dá)域分析圖

圖11 P5女可視域分析圖

4 方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 方案優(yōu)化概述

上述分析結(jié)合人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)規(guī)定與推薦值[18]，對(duì)該款電動(dòng)代步車(chē)的初期設(shè)計(jì)方案進(jìn)行人機(jī)優(yōu)化，以確保不同身高體態(tài)的老年用戶能夠輕松地實(shí)現(xiàn)對(duì)該款代步車(chē)的操控，改進(jìn)前后的對(duì)比尺寸如表4所示，優(yōu)化后的方案如圖12所示。

表4 方案優(yōu)化前后的尺寸對(duì)照

Tab.4 Comparison of dimensions before and after scheme optimization

圖12 優(yōu)化后的方案效果圖

1）視野性能的改進(jìn)。操縱界面布局重新優(yōu)化并將其寬度擴(kuò)大至20 mm；固定護(hù)罩形狀優(yōu)化并將其高度修改為517 mm，避免身高較矮、視線較低的用戶忽視前端視野盲區(qū)障礙物。在固定護(hù)罩的形式上，考慮到用戶上下車(chē)的便利性，防止過(guò)程中造成不必要的磕碰，方案刪減掉固定護(hù)罩和踏板間的三角形連接裝飾物。

2）兩側(cè)扶手的改進(jìn)。經(jīng)過(guò)前文驗(yàn)證兩側(cè)扶手的固定高度設(shè)置為740 mm時(shí)，對(duì)不同用戶的適應(yīng)性最佳，因此優(yōu)化后的方案選用該高度，且仍采用后側(cè)上下車(chē)的方式。此外，依據(jù)人機(jī)工學(xué)抓握要求，將半徑修改為48 mm，且附加一定面積的防滑橡膠材質(zhì)，以便于用戶在使用的過(guò)程中既省力又安全。

3）座椅靠背的改進(jìn)。在駕駛過(guò)程中，舒適的駕駛坐姿座椅靠背的角度在100°～110°，將靠背默認(rèn)角度調(diào)整為100°，并可進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)；根據(jù)人體背部骨骼及肌肉特征，并為更好地貼合用戶身型將座椅靠背結(jié)構(gòu)前移54 mm。安全性方面，安全帶設(shè)置在座椅靠背的兩側(cè)，可伸縮調(diào)節(jié)，與胸托兩側(cè)的卡扣相連接，卡扣與卡槽處內(nèi)置磁吸結(jié)構(gòu)，方便用戶在使用時(shí)可自主定位連接位置。

4）操作把手與座椅的水平間距改進(jìn)。座椅與操縱把手之間的舒適距離通常為250～350 mm，座椅設(shè)置為可前后調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，前后可水平位移量為100 mm，兩側(cè)留有充分的容腳空間；此外，原固定件膝板設(shè)計(jì)為前后可水平位移的結(jié)構(gòu)，位移量設(shè)置為200 mm。

4.2 優(yōu)化后的方案驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化后的電動(dòng)代步車(chē)的結(jié)構(gòu)再次通過(guò)Jack進(jìn)行人機(jī)仿真，驗(yàn)證結(jié)果總結(jié)如表5所示。結(jié)果表明：優(yōu)化后的電動(dòng)代步車(chē)的舒適度、可達(dá)性、可視性在一定程度上都得到改善。

表5 優(yōu)化方案驗(yàn)證結(jié)果

Tab.5 Validation result of optimized scheme

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析老年用戶特性和使用需求，在傳統(tǒng)電動(dòng)代步車(chē)的基礎(chǔ)上添加了輔助站立支撐等適老化結(jié)構(gòu)。借助Jack軟件驗(yàn)證了設(shè)計(jì)過(guò)程中所參考的尺寸范圍的合理性，并依據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)電動(dòng)代步車(chē)進(jìn)行人機(jī)方面的優(yōu)化。有效提高了老年電動(dòng)代步車(chē)的安全性和舒適性，為今后設(shè)計(jì)人員驗(yàn)證和評(píng)估此類(lèi)產(chǎn)品提供了參考。在驗(yàn)證中虛擬人物尺寸所參考的老年用戶數(shù)據(jù)庫(kù)具有一定的局限性，后續(xù)研究中將選取更具代表性的尺寸數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步優(yōu)化電動(dòng)代步車(chē)的人機(jī)適配性。

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Structural Design and Layout Optimization of Electric Scooter Based on Jack

ZHU Tong, SONG Duanshu*, ZHANG Shanchao, BAI Daojing, LIU Li

(Jiangsu Normal University, Jiangsu Xuzhou 221116, China)

The work aims to meet the complex travel needs of elderly users with limited mobility and improve the comfort of electric scooter tools during use. On the basis of traditional electric scooters for the elderly, an auxiliary standing structure was added to innovate in the design of a new type of electric scooter that could be used for both sitting and standing. With the help of Jack simulation software, the comfort, accessibility, and visibility of elderly users in sitting and auxiliary standing support states, as well as the stress on the lower back of L4/L5 during the boarding process, were analyzed to verify the rationality and comfort of key human-machine interaction structures and size designs. Through verification and adjustment, the initial design scheme of electric scooters has been improved. The optimized scheme provides a reference for the design of electric scooters for the elderly, which can meet the complex travel needs of elderly users and improve the comfort and safety of electric scooter tools during use.

industrial design; ergonomics; elderly scooter; Jack

TB472

A

1001-3563(2024)04-0107-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.04.011

2023-09-08

江蘇師范大學(xué)研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2022XKT0361)；江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（社會(huì)發(fā)展）項(xiàng)目（BE2016651）；徐州市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（社會(huì)發(fā)展）項(xiàng)目（KC22281）