人机工程学课程设计.docx

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人机工程学课程设计

轮椅的结构优化及人机分析

摘要

摘要:

人机工程学是运用人体测量学、生理学、心理学等学科的研究手段和成果，即将人体特性、能力和活动限度等方面的数据用于机械系统及其所处环境的设计中去，使操作者能安全、舒适和高效率地工作。

人机工程学就是研究与解决“人—机—环境”三者协调统一，使人机系统和谐的学科。

轮椅是残疾人依靠手臂以车代步的一种工具，随着人类社会的进步，残疾人逐步受到重视，由于轮椅的运动特点，对于下肢肢残者可以通过轮椅进行适当的户外体育活动，轮椅越来越多的被残疾人使用，轮椅的安全性、高效率性、乘坐舒适性等人机工程学方面的因素得到了设计者更多的重视。

将轮椅置“人—机—环境”系统中，按人机工程学原理进行设计。

轮椅各方面的优化设计将会直接影响到残疾人的安全、健康及舒适程度。

按照人机工程学中“以人为本”的设计理念，在轮椅的设计过程中要跟家注重“人—轮椅—环境”的统一协调。

并要着重体现人性化设计的重要性。

本文基于人体测量学理论，以及人机结构的改进设计；针对不同消费水平和不同残疾程度的人群，通过人体百分位的计算。

在原有的结构基础上进行了改良设计。

使残疾人拥有更舒适的运动及娱乐体验。

关键词：

人机工程学；轮椅；结构优化；安全；舒

第一章引言

一.1研究背景

随着社会的不断的进步，人们对于残疾人的关注度也逐渐上升。

生产技术和互联网络的飞速发展把社会的生产技术设计的人性化推向了一个全新的阶段，设计的“人-机-环境”的相互统一与“以人为核心”的设计理念已经成为整个现代社会设计生活运作的重要基础，人们对于产品的舒适性以及安全性的要求也不断督促着设计者们的推陈出新。

随着智能时代的来临，专门为残疾人设计的设施也已逐渐成为一项大从的迫切需求，残疾人设施的人机因素的研究也越来越受到人们的重视。

轮椅作为残疾人的一种辅具，它以人作为动力，与人有着十分密切的关系。

在轮椅的设计与使用过程中，包含着大量的人机工程学问题。

为了使轮椅的设计更趋于成熟，为了使操作者在操作时更加方便和舒适，则需要运用人机工程学的原理来设计轮椅。

并通过对其结构的优化时使用者更加舒适和安全。

并基于人机工程学的原理和方法，根据人体测量数据，外形尺寸进行了设计，并对其结构尺寸、驱动系统和舒适性等进行了分析，设计出结构更加简单、操作更加方便、安全可靠的轮椅。

一.2本设计研究的初衷

随着时代的迅速发展，人们对于自身用品的安全性和舒适性的要求也越来越高！

残疾人的座椅的设计业慢慢的加入了人机工程学的设计因素，它设计中的人机工程学也越来越多的考虑到了残疾人的自身感受和愿望。

在轮椅的使用过程中，不断发现的不足也让人们不断的生产中改进这些缺陷。

因此，本文在读轮椅原本结构的人机分析后，对其结构进行优化。

让残疾人在使用过程中，更加感受到安全、舒适和灵活性！

一.2.1人机工程学意义和重要性

人机工程学是一门关于技术和人的协调关系的学科。

是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究人在工作中、家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。

该课程从不同的方面和角度向我们陈述讲解了人体工程学的知识。

用以设计使操作者能发挥最大效能的机械、仪器和控制装置，并研究控制台上各个仪表的最适位置。

图1人机工程分析与评价系统图

同时人体工程学是一门与人密切相关的学科，而人本身就是一种情感丰富却又敏感脆弱的动物，他们对于生活充满渴望和幻想，渴望生活、热爱生活、追求生活的人便会希望自己所生活的环境舒适、充满温情。

而这一梦想，便可以通过设计来实现。

原始社会的设计，就像人类所有的发明创造一样，总是抱着改天换地，方便生活的目的产生的。

每一件物品，每一个造物的过程，都在无意的探询人类之根本。

人们创造物品的同时，也在自发的追求着使用产品时的舒服，安全等，考虑人的不同要求。

其实人体工程学的重要性不是现在才显得尤为重要，而是早在远古时代，它就处在了不可缺少的的地位，只是随着时代的变迁、社会的进步，这一学科便变得日益重要。

一.2.2国内外人机工程学设计发展和现状

人机工程技术是21世纪信息领域需要解决的重大设计。

美国21世纪信息技术计划中的基础研究内容为4项：

软件、人机交互、网络、高性能计算机。

其中，人机建模研究在信息技术中被列为与软件技术和计算机技术等并列的六项国家关键技术之一，并被认为“对于计算机工业有着突出的重要性，对其它工业也很重要”。

美国国防关键技术计划不仅把人机交互列为软件技术发展的重要内容之一，而且还专门增加了与软件技术并列的人机界面这项内容。

日本也提出了FPIEND21计划（FuturePersonalizedInformationEnvironmentDevelopment），其目标就是要开发21世纪个性化的信息环境。

我国973、S-863、十五计划及未来的十一五计划均将人机交互列为主要内容。

在中国，人机工程学的研究在20世纪30年代开始即有少量和零星的开展，但系统和深入的开展则在“文革”以后。

1980年4月，国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委员会，统一规划、研究和审议全国有关人类工效学的基础标准的制定。

1984年，国防科工委成立了国家军用人－机－环境系统工程标准化技术委员会。

这两个技术委员会的建立，有力地推动了我国人机工程学研究的发展。

此后在1989年又成立了中国人类工效学学会，再在1995年9月创刊了学会会刊《人类工效学》季刊。

20世纪90年代初，北京航空航天大学首先成立了我国该专业的第一个博士学科点，随后南京航空航天大学、西北工大、北京理工大学、北大医学部等大学也先后成立了相应的专业。

当前，随着我国科技和经济的发展，人们对工作条件、生活品质的要求正逐步提高，对产品的人机工程特性也会日益重视。

一些厂商把“以人为本”、“人体工学”的设计作为产品的卖点，也正是出于对这种新的需求取向的意识。

1.13本设计的来源和研究内容

本设计来源于早期的轮椅设计。

根据早期轮椅的设计，从人机工程学的角度重新使其结构更加优化，使使用者更加感受到它的安全性和舒适性。

同是使人性化、绿色化和可持续化在现代设计中更充分的体现出来。

在早期的轮椅设计中，轮椅一般由专业人员使用，对其设计着重于追求功能、工作效率和工作的可靠性。

现在，轮椅越来越多地由非专业的残疾人使用，轮椅的设计要考虑它的使用和工作环境满足操作者的生理和心理要求，达到工作环境舒适、安全、操作方便、减轻操作疲劳的目的。

将轮椅置“人—机—环境”系统中，按人机工程学原理进行设计，主要从座椅系统、操纵系统和乘坐舒适性等方面讨论轮椅的人机工程学设计问题，对于轮椅与人的“人—机—环境”系统如图2所示

图2人－机－环境系统图

一.3问题定义

在北京残奥会召开后，人们在绿荫场上看到了一抹美丽的身影。

那是残疾运动员们在运动场上挥洒自如的表演和梦想的实现。

多少人在那一刻激动的留下了眼泪。

正因为轮椅的设计，它才让很多身体有残疾的人们有了实现梦想的工具。

而设计的发展总是要不断的创新才能更上一层楼，才能更符合人们的生活和学习的要求。

所以，本文是对轮椅的结构和外部材质进行改良设计，使其更加符合运动员和普通人群的使用。

一.3.1结构的优化与分析

轮椅的操纵者是在坐姿的状态下工作的，为了使操作者在使用时处于舒适的状态和适宜的环境中，在设计中就必须充分考虑人体坐姿的尺度。

以座椅的结构为例，主要考虑座宽、座高、座深的设计尺寸。

并为了使操作者在操作过程中始终处于安全和能够准确无误的完成操作，对轮椅的驱动轮的表面的材质进行一定的改和加工使使用者更加舒适。

同时对其座椅的形态和材质也进行一定的改变，让操作者在工作中不会处于疲劳的状态下。

从而使轮椅更加的发挥它的功能。

一.3.2研究范围

在市场上众多的轮椅产品中选择一款，通过和其他轮椅产品的比较和分析，对其进行市场调查得到反馈意见，从而进行改进。

然后进行人机分析和结构优化使其更加完美。

并在材质上也进行一定的改良，最好用一些耐用、吸汗性强和柔软的材质。

第二章三维人体模型的建立

二.1建立人体模型的基础数据及处理

在人机工程分析与评价系统中,三维人体建模有以下特点:

（1）人机系统中的虚拟人注重运动特性,要求能够仿真人机作业环境中的各种动作,为动态地进行人机评价做准备。

（2）基于人体测量数据的三维建模,设计者必须熟悉适用条件、百分位的选择等方面的知识,才能正确的应用有关的数据,明确设计对象,然后再确定以该群体中的哪些百分位数作为参照的标准,要求能够根据不同的适用环境构造不同的虚拟人体。

采用了基于表面型来进行人体建模,能够满足虚拟人的运动特性;以人体测量数据库为基础,能够按照给定参数（如男女、身高、体重、三围等）建立人体模型。

二.1.1所引用的主要人体测量数据

百分位数/%年龄分组

男（18-60）

151050909599

女（18-55）

151050909599

项目数据

坐高/mm

836858870908947958979

789809819855891901920

坐姿颈椎点高/mm

599615624657691701719

563579587617648657675

坐姿眼高/mm

729749761798836847868

678695704739773783803

坐姿肩高/mm

539557566598631641659

504518526556585594609

坐姿肘高/mm

214228235263291298312

201215223251277284299

坐姿大腿厚/mm

103112116130146151160

107113117130146151160

坐姿膝高/mm

441456461493523532549

410424431458485493507

小腿加足高/mm

372383389413439448463

331342350382399405417

坐深/mm

407421429457486494510

388401408433461469485

臀膝距/mm

499515524554585595613

481495502529561570587

坐姿下肢长/mm

892921937992104610631069

8268518659129609751005

坐姿人体尺寸

二.1.2人体测量数据的应用原则

人体尺寸

应用条件

百分位选择

注意事项

坐姿眼高

当视线时设计问题的中心时，确定视线和最佳视区要用到这个尺寸这类设计对象包括剧院、礼堂、教室和其他需要有良好视听条件的室内空间

假如有适当的可调节性，就能适应从第5百分位到第95百分位或者更大的范围

应该考虑本书中其他地方所述的头部与眼睛的转动范围、座椅软垫的弹性、座椅面距地面的高度和可调座椅的调节范围

臀部宽度

这些数据对于确定座椅内尺寸和设计酒吧、柜台和办公座椅极为有用

由于涉及到间距问题，应使用第95百分位的数据

根据具体条件，与两肘之间宽度和肩宽结合使用

大腿厚度

是设计柜台、书桌、会议桌、家具及其他一些室内设备的关键尺寸，而这些设备都需要把腿放在工作面下面。

特别是有适当的间隙，这些数据是必不可少的

由于涉及到间距的问题，应选用第95百分位的数据

在确定上述设备的尺寸时，其他一些因素也应该同时予以考虑，例如腿弯高度和座椅软垫的弹性

膝盖高度

是确定从地面到书桌、餐桌和柜台底面距离的关键尺寸，尤其适用于适用者需要把大腿部分放在家具下面定的场合。

坐着的人与家具底面之间的靠近程度是否是关键尺寸

要保证适当的间距，故应选用第95百分位的数据

要同时考虑座椅高度和坐垫的弹性

腿弯高度

是确定座椅面高度的关键尺寸，尤其对于确定座椅前缘的最大高度更为重要

确定座椅高度，应选用第5百分位的数据，因为如果座椅太高，大腿受到压力会使人感到不舒服。

例如一个座椅高度能适应小个子人，也就能适应大个子恩

选用这些数据时必须注意坐垫的弹性

臀部至腿弯长度

这个长度尺寸用于座椅的设计中，尤其适用于确定腿的位置、确定长凳和靠背椅等前面的垂直面以及确定椅面的长度

应该选用第5百分位的数据，这样能适应最多的使用者-臀部-膝腘部长度较长和较短的人。

如果选用第95百分位的数据，则只能适合这个长度较长的人，而不适合这个长度较短的人

要考虑椅面的倾斜度

人体测量数据的应用原则

2.13三维人体模型

如图3,模型设定为成年男子,其身高为17750mm,体重为75kg

图3

二.2坐姿的活动空间

根据坐姿活动空间的设计原则和设计要求来座椅的尺寸。

如图4所示为坐姿活动空间的示意图。

图4

图中：

-上身挺直机头向前倾的身体轮廓，为保持身体姿势而必须的平衡活动已考虑在内；

1.从髋关节起上身向前、向侧弯曲的活动空间；

2.上身不动，自肩关节起手臂向上和向两侧的活动空间；

3.上身从髋关节起向前、向两侧活动时手臂自肩关节起向前和两侧的活动空间；

4.自髋关节、膝关节起腿的伸、曲活动空间。

第三章轮椅的三维设计

3.1轮椅设计中的人机工程学

在早期的轮椅设计中，轮椅一般由专业人员使用，对其设计着重于追求功能、工作效率和工作的可靠性。

现在，轮椅越来越多地由非专业的残疾人使用，轮椅的设计要考虑它的使用和工作环境满足操作者的生理和心理要求，达到工作环境舒适、安全、操作方便、减轻操作疲劳的目的。

3.1.1人机工程学的研究目的、内容

人机工程学研究应包括理论和应用两个方面，但当今本学科研究的总趋势还是重于应用。

虽然人机工程学的研究内容和应用范围极其广泛，但本学科的根本研究方向却是通过揭示人、机、环境之间相互关系的规律，以达到确保人-机-环境系统总体性能的最优化。

对工业设计而言，主要研究的内容主要有以下几个方面：

1、人体特性的研究

2、人机系统的总体设计

3、工作场所和信息传递装置的设计

4、环境控制与安全保护

3.2轮椅的设计原则和设计依据

轮椅的设计原则应满足工作座椅的设计要求和基本准则。

并在此基础上还要更加注意一些细节的设计，以满足使用者在使用过程中的安全性和舒适性。

3.2.1工作座椅的设计原则和设计要求

首先，它应满足坐姿生理学。

包括脊柱结构；腰曲弧线和腰椎后突和前突；

其次，应满足坐姿生物力学。

包括肌肉活动度；体压分布；股骨受力分析；和椎间盘受力。

最后，应满足坐姿人体测量尺寸。

在设计时英充分考虑到坐垫的材料的柔软度和耐用以及透气性好和吸汗等特性。

并在其可调节部分的结构构造，必须易于调节，必须保证在轮椅使用过程中吧会改变已调节好的位置并不松动。

在其各零件的外露部分不得有易于伤人的尖叫锐边，各部结构不得存在可能造成挤压、剪钳伤人的部位等。

3.3轮椅运动员的坐姿舒适性及安全性

根据人机工程学中的“以人为本”的设计原则，在设计过程中应充分考虑到人的感受和使用过程中的坐姿舒适性。

所以，在设计时首先应考虑人的坐姿舒适性。

所以要根据座椅的设计准则和满足大多数人的人体尺度参数来标准的去设计轮椅。

图5

3.4轮椅的结构优化

3.4．1座椅系统

轮椅的操纵者是在坐姿的状态下工作的，为了使操作者在使用时处于舒适的状态和适宜的环境中，设计中就必须充分考虑人体坐姿的尺度。

以座椅的结构为例，主要考虑座宽、座高、座深的设计尺寸。

（1）座宽按人机工程学的要求应该满足臀部横向宽度所需要的尺寸，考虑到要包容大多数操作者，我国正常成人男女人体主要尺寸按GB10000－88标准如表1、表2，按成人女子95百分位数的臀部宽度，在设计中还要考虑衣服厚度和余量，座宽设计为400mm。

（2）座高是座面到踏板面的距离，主要为了保证从踏板到座面的距离，它相当于人体小腿长度加上脚的厚度，考虑到不同的人都能在舒适的状态下工作，则坐高应做成可调节的，其调节范围按成人女子P50百分位数到成年男子P95百分位数设计，最后设计可调范围为：

375mm~390mm。

（3）座深是座面的前后距离，它应能使臀部得到全部支撑，其深度一般相当于臀部至大腿全长的3/4，按成人男子，95百分位数应不超过446mm。

表1男性18~55岁主要尺寸

百分位数151050909599

身高（mm）1543158316041678175417751817

坐高（mm）836858870908947958979

臀宽（mm）284295300321347355369

前臂长（mm）206216220237253258268

大腿长（mm）413428436465496505523

小腿长（mm）324338344369396403419

表2女性18~55岁主要尺寸

百分位数151050909599

身高（mm）144948415031570164016591697

坐高（mm）789809819855891901920

臀宽（mm）295310318344374382400

前臂长（mm）185193198213229234242

大腿长（mm）387402410438467476494

小腿长（mm）300313319344370376390

3.4.2驱动轮的布置

在轮椅行驶过程中，轮椅的前进、后退和转弯是由操作驱动轮实现的，按人机工程学的要求设计最有利、最不易疲劳的驱动轮布置。

轮椅的驱动轮和骨架的布置从正面看成外八字型，

这样的设计扩大了轮椅的驱动轮与地面的接触面积，增进操作轮椅的稳定性，在驱动轮椅时能够使用较多的肩部肌肉，符合人机工程学的要求，达到省力不易疲劳的目的。

3.4.3舒适性设计

轮椅的乘坐舒适性主要取决于座椅系统能否为使用者提供舒适的坐姿。

舒适坐姿应保证腰曲弧处于自然状态，腰背肌肉松弛，上体通向大腿的血管不受压迫，血液循环正常。

人体质量作用在座椅和靠背的压力分布称为体压分布，它和坐姿密切相关。

根据人机工程学原理，最舒适的体压分布应保证人体的大部分质量以较大的支撑面积、较小的单位压力合理地分布到坐垫和靠背上，压力分布从小到大平滑过渡，无突变。

图6靠背体压分布图图图7座垫体压分布图

图6可以看出靠背上的体压分布应当是腰靠部位最高。

所以设计座椅靠背时应保证腰靠区能为人体提供舒适的支撑，以减轻腰部疲劳。

图7可以看出坐垫上的压力分布应是坐骨结节处最大，由此向外逐渐减小，直至与坐垫前缘接触的大腿下平面压力最小。

在设计坐垫时，应保证坐骨面的座面近似水平，使人体重量的大部分集中在坐骨结节处，达到最佳体压分布，减轻臀部疲劳。

图8靠背图图9座垫图

图8为设计的轮椅的座椅靠背形状，图9座垫图为设计的轮椅座椅坐垫形状，它们均采用合理的弧面，靠背符合人体背部曲线，坐垫符合人体臀部曲线，都符合体压分布，满足舒适性要求。

3.4.4轮椅三维实体造型

PRO/ENGINEER是由美国PTC公司推出的三维CAD/CAM软件系统，它具有它强大的造型功能，基于本文以上的设计，采用PRO/E工程软件，对轮椅进行三维造型，确定了零部件之间的装配关系。

其三维实体如图10所示。

图10

3．4.5轮椅静态强度分析

本文将PRO/E软件造好的三维实体模型导入IDEAS软件进行静态强度分析。

对轮椅进行有限元网格划分，轮椅车体采用三角形壳单元，车体的联接处采用三角形实体单元，靠背和坐垫在有限元分析中进行了简化。

做了一种工况的验算：

在驱动轮的轮轴上建立约束，载荷作用在支撑坐垫的支架上表面，工况载荷计算

如下。

（1）体重：

根据一般人体的体重与身高之间的关系，可取《中国成年人人体尺寸》中95百分位点的177.5cm身高的男性体重[3]。

WE＝H－100＝177.5－100＝77.5（kg）

（2）下肢重量：

根据美国、加拿大和欧洲男性坐姿各部分尺寸计算公式，可求得177.5cm身高的男性的小腿重量、大腿重量。

小腿重量：

WL＝0.042×WE＝3.225（kg）

大腿重量：

WB＝0.0946×WE＝7.332（kg）

（3）施加在脚架上载荷为

WF＝WL＋WB＝10.56（kg）

（4）施加在坐垫支架上表面载荷为

WC＝WE－WF＝77.5－10.56＝66.94（kg）

由应力云图7可知，最大应力σbmax=280MPa＜σb=375MPa。

最大应力在应力允许范围内。

3.5不同消费等级的轮椅

由于使用者的收入不同，所以在轮椅的设计上也要分成不同的等级来适应不同人群的使用。

主要在其使用的材质上分成不同的等级。

结构不会改变。

分为专业型、普通型和一般型。

通过分类，使不同收入的消费者都能接受和使用轮椅。

感受运动带给他们的快乐以及体会生命的美好。

第四章轮椅设计中的人机工程评价

4.1轮椅设计中人机工程评价的主要内容

在人机工程分析与评价系统中,常用的人机评价方法有视域、力和扭矩分析、舒适度分析、姿势预测、可及范围、疲劳和恢复、手动操作局限分析、新陈代谢能量消耗、快速上肢评估、静态受力预测等。

本文针对轮椅产品的特点,考虑到操作方便、舒适和省力等设计要素,主要实现了舒适度分析与评价、产品的容纳性、可及范围和姿势预测,姿态分析等分析与评价算法。

（1）舒适度评价,舒适度着重于作业环境对人的影响,舒适度概念指人在坐势下的关节角度和关节灵活度。

把人长时间在此姿势下能够接受,而且不会感到刺激和疲劳的区域定义为舒适的区域,通过计算关节的角度是否在这个舒适的区域内,则可以判断该部位是否处于舒适状态。

图11

通过对关节角度的分析动态进行舒适度评价如图11所示,从评价结果可以看出,前臂和手的舒适度感觉较差。

所以要对驱动轮的位置做适当的调整并对驱动轮的外表做一定的设计使手接触的时候更加的舒适。

图12舒适性评价

（2）容纳和伸及的合格性

根据一般产品90%或95%适应域的设计需要,选用90或95人体百分位,判定人体是否与产品发生干涉。

在人体尺寸选择方面,如未指定评价人群的性别,人体尺寸默认值选用两性中的较大值。

如男性的身高,女性的臀宽。

当然,在最终尺寸的确定中,还需要考虑着装、躯干和上肢活动空间、心理空间等方面的修正量。

伸及的合格性是指人体与产品“装配”定位后,手、足可否触及产品上特定部分,并实现预定操纵。

。

在人体百分位选用方面,根据一般产品的设计需要,分别满足使用人群的90%或95%。

（3）静态受力分析,人体在安全用力（人体所能承受的力）状态下完成任务。

这项分析按照标准的工作姿态进行分析,确定可接受的初始力和可接受的最大持续力,通过系统计算,可得90%的人能承受的最大的推力为186.832N,最大的持续力为97.864N。

根据对比受力标准可以看出,长期操作会引起手臂的肌肉劳损。

4.2人机工程