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文檔簡介
1、輪椅的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及人機分析摘 要摘要: 人機工程學是運用人體測量學、生理學、心理學等學科的研究手段和成果,立即人體特性、能力和活動限度等方面的數(shù)據(jù)用于機械系統(tǒng)及其所處環(huán)境的設(shè)計中去,使操作者能安全、舒適和高效率地工作。人機工程學確實是研究與解決“人機環(huán)境”三者協(xié)調(diào)統(tǒng)一,使人機系統(tǒng)和諧的學科。 輪椅是殘疾人依靠手臂以車代步的一種工具,隨著人類社會的進步,殘疾人逐步受到重視,由于輪椅的運動特點,關(guān)于下肢肢殘者能夠通過輪椅進行適當?shù)膽敉怏w育活動,輪椅越來越多的被殘疾人使用,輪椅的安全性、高效率性、乘坐舒適性等人機工程學方面的因素得到了設(shè)計者更多的重視。將輪椅置“人機環(huán)境”系統(tǒng)中,按人機工程學原理進行設(shè)
2、計。輪椅各方面的優(yōu)化設(shè)計將會直接阻礙到殘疾人的安全、健康及舒適程度。按照人機工程學中“以人為本”的設(shè)計理念,在輪椅的設(shè)計過程中要跟家注重“人輪椅環(huán)境”的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。并要著重體現(xiàn)人性化設(shè)計的重要性。本文基于人體測量學理論,以及人機結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計;針對不同消費水平和不同殘疾程度的人群,通過人體百分位的計算。在原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行了改良設(shè)計。使殘疾人擁有更舒適的運動及娛樂體驗。關(guān)鍵詞:人機工程學;輪椅;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;安全;舒引 言研究背景隨著社會的不斷的進步,人們關(guān)于殘疾人的關(guān)注度也逐漸上升。生產(chǎn)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的飛速進展把社會的生產(chǎn)技術(shù)設(shè)計的人性化推向了一個全新的時期,設(shè)計的“人-機-環(huán)境”的相互統(tǒng)一與“
3、以人為核心”的設(shè)計理念差不多成為整個現(xiàn)代社會設(shè)計生活運作的重要基礎(chǔ),人們關(guān)于產(chǎn)品的舒適性以及安全性的要求也不斷督促著設(shè)計者們的推陳出新。隨著智能時代的來臨,專門為殘疾人設(shè)計的設(shè)施也已逐漸成為一項大從的迫切需求,殘疾人設(shè)施的人機因素的研究也越來越受到人們的重視。輪椅作為殘疾人的一種輔具,它以人作為動力,與人有著十分緊密的關(guān)系。在輪椅的設(shè)計與使用過程中,包含著大量的人機工程學問題。為了使輪椅的設(shè)計更趨于成熟,為了使操作者在操作時更加方便和舒適,則需要運用人機工程學的原理來設(shè)計輪椅。并通過對其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化時使用者更加舒適和安全。并基于人機工程學的原理和方法,依照人體測量數(shù)據(jù),外形尺寸進行了設(shè)計,并對其
4、結(jié)構(gòu)尺寸、驅(qū)動系統(tǒng)和舒適性等進行了分析,設(shè)計出結(jié)構(gòu)更加簡單、操作更加方便、安全可靠的輪椅。本設(shè)計研究的初衷隨著時代的迅速進展,人們關(guān)于自身用品的安全性和舒適性的要求也越來越高!殘疾人的座椅的設(shè)計業(yè)慢慢的加入了人機工程學的設(shè)計因素,它設(shè)計中的人機工程學也越來越多的考慮到了殘疾人的自身感受和愿望。在輪椅的使用過程中,不斷發(fā)覺的不足也讓人們不斷的生產(chǎn)中改進這些缺陷。因此,本文在讀輪椅原本結(jié)構(gòu)的人機分析后,對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。讓殘疾人在使用過程中,更加感受到安全、舒適和靈活性!人機工程學意義和重要性人機工程學是一門關(guān)于技術(shù)和人的協(xié)調(diào)關(guān)系的學科。是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種
5、因素;研究人和機器及環(huán)境的相互作用;研究人在工作中、家庭生活中和休假時如何樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學科。該課程從不同的方面和角度向我們陳述講解了人體工程學的知識。用以設(shè)計使操作者能發(fā)揮最大效能的機械、儀器和操縱裝置,并研究操縱臺上各個儀表的最適位置。 圖1人機工程分析與評價系統(tǒng)圖同時人體工程學是一門與人緊密相關(guān)的學科,而人本身確實是一種情感豐富卻又敏感脆弱的動物,他們關(guān)于生活充滿渴望和幻想,渴望生活、熱愛生活、追求生活的人便會希望自己所生活的環(huán)境舒適、充滿溫情。而這一夢想,便能夠通過設(shè)計來實現(xiàn)。原始社會的設(shè)計,就像人類所有的發(fā)明制造一樣,總是抱著改天換地,方便生活的目的
6、產(chǎn)生的。每一件物品,每一個造物的過程,都在無意的探詢?nèi)祟愔?。人們制造物品的同時,也在自發(fā)的追求著使用產(chǎn)品時的舒服,安全等,考慮人的不同要求。事實上人體工程學的重要性不是現(xiàn)在才顯得尤為重要,而是早在遠古時代,它就處在了不可缺少的的地位,只是隨著時代的變遷、社會的進步,這一學科便變得日益重要。國內(nèi)外人機工程學設(shè)計進展和現(xiàn)狀人機工程技術(shù)是世紀信息領(lǐng)域需要解決的重大設(shè)計。美國2世紀信息技術(shù)打算中的基礎(chǔ)研究內(nèi)容為項:軟件、人機交互、網(wǎng)絡(luò)、高性能計算機。其中,人機建模研究在信息技術(shù)中被列為與軟件技術(shù)和計算機技術(shù)等并列的六項國家關(guān)鍵技術(shù)之一,并被認為“關(guān)于計算機工業(yè)有著突出的重要性,對其它工業(yè)也專門重要
7、”。美國國防關(guān)鍵技術(shù)打算不僅把人機交互列為軟件技術(shù)進展的重要內(nèi)容之一,而且還專門增加了與軟件技術(shù)并列的人機界面這項內(nèi)容。日本也提出了FPND21打算(Future Persoalized nfoaton EnvirmeDelopmet),其目標確實是要開發(fā)2世紀個性化的信息環(huán)境。我國97、-863、十五打算及以后的十一五打算均將人機交互列為要緊內(nèi)容。在中國,人機工程學的研究在2世紀30年代開始即有少量和零星的開展,但系統(tǒng)和深入的開展則在“文革”以后。1980年4月,國家標準局成立了全國人類工效學標準化技術(shù)委員會,統(tǒng)一規(guī)劃、研究和審議全國有關(guān)人類工效學的基礎(chǔ)標準的制定。14年,國防科工委成立了國
8、家軍用人機環(huán)境系統(tǒng)工程標準化技術(shù)委員會。這兩個技術(shù)委員會的建立,有力地推動了我國人機工程學研究的進展。此后在189年又成立了中國人類工效學學會,再在995年9月創(chuàng)刊了學會會刊人類工效學季刊。20世紀90年代初,北京航空航天大學首先成立了我國該專業(yè)的第一個博士學科點,隨后南京航空航天大學、西北工大、北京理工大學、北大醫(yī)學部等大學也先后成立了相應的專業(yè)。當前,隨著我國科技和經(jīng)濟的進展,人們對工作條件、生活品質(zhì)的要求正逐步提高,對產(chǎn)品的人機工程特性也會日益重視。一些廠商把“以人為本”、“人體工學”的設(shè)計作為產(chǎn)品的賣點,也正是出于對這種新的需求取向的意識。.13本設(shè)計的來源和研究內(nèi)容本設(shè)計來源于早期的
9、輪椅設(shè)計。依照早期輪椅的設(shè)計,從人機工程學的角度重新使其結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化,使使用者更加感受到它的安全性和舒適性。同是使人性化、綠色化和可持續(xù)化在現(xiàn)代設(shè)計中更充分的體現(xiàn)出來。在早期的輪椅設(shè)計中,輪椅一般由專業(yè)人員使用,對其設(shè)計著重于追求功能、工作效率和工作的可靠性。現(xiàn)在,輪椅越來越多地由非專業(yè)的殘疾人使用,輪椅的設(shè)計要考慮它的使用和工作環(huán)境滿足操作者的生理和心理要求,達到工作環(huán)境舒適、安全、操作方便、減輕操作疲勞的目的。將輪椅置“人機環(huán)境”系統(tǒng)中,按人機工程學原理進行設(shè)計,要緊從座椅系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)和乘坐舒適性等方面討論輪椅的人機工程學設(shè)計問題,關(guān)于輪椅與人的“人機環(huán)境”系統(tǒng)如圖2所示圖 人-機環(huán)境系
10、統(tǒng)圖問題定義在北京殘奧會召開后,人們在綠蔭場上看到了一抹漂亮的身影。那是殘疾運動員們在運動場上揮灑自如的表演和夢想的實現(xiàn)。多少人在那一刻興奮的留下了眼淚。正因為輪椅的設(shè)計,它才讓專門多軀體有殘疾的人們有了實現(xiàn)夢想的工具。而設(shè)計的進展總是要不斷的創(chuàng)新才能更上一層樓,才能更符合人們的生活和學習的要求。因此,本文是對輪椅的結(jié)構(gòu)和外部材質(zhì)進行改良設(shè)計,使其更加符合運動員和一般人群的使用。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與分析輪椅的操縱者是在坐姿的狀態(tài)下工作的,為了使操作者在使用時處于舒適的狀態(tài)和適宜的環(huán)境中,在設(shè)計中就必須充分考慮人體坐姿的尺度。以座椅的結(jié)構(gòu)為例,要緊考慮座寬、座高、座深的設(shè)計尺寸。并為了使操作者在操作過程
11、中始終處于安全和能夠準確無誤的完成操作,對輪椅的驅(qū)動輪的表面的材質(zhì)進行一定的改和加工使使用者更加舒適。同時對其座椅的形態(tài)和材質(zhì)也進行一定的改變,讓操作者在工作中可不能處于疲勞的狀態(tài)下。從而使輪椅更加的發(fā)揮它的功能。研究范圍在市場上眾多的輪椅產(chǎn)品中選擇一款,通過和其他輪椅產(chǎn)品的比較和分析,對其進行市場調(diào)查得到反饋意見,從而進行改進。然后進行人機分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化使其更加完美。并在材質(zhì)上也進行一定的改良,最好用一些耐用、吸汗性強和柔軟的材質(zhì)。三維人體模型的建立建立人體模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及處理在人機工程分析與評價系統(tǒng)中,三維人體建模有以下特點:( 1) 人機系統(tǒng)中的虛擬人注重運動特性,要求能夠仿真人機作業(yè)環(huán)
12、境中的各種動作,為動態(tài)地進行人機評價做預備。() 基于人體測量數(shù)據(jù)的三維建模, 設(shè)計者必須熟悉適用條件、百分位的選擇等方面的知識,才能正確的應用有關(guān)的數(shù)據(jù),明確設(shè)計對象, 然后再確定以該群體中的哪些百分位數(shù)作為參照的標準, 要求能夠依照不同的適用環(huán)境構(gòu)造不同的虛擬人體。采納了基于表面型來進行人體建模,能夠滿足虛擬人的運動特性; 以人體測量數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),能夠按照給定參數(shù)(如男女、身高、體重、三圍等) 建立人體模型。所引用的要緊人體測量數(shù)據(jù)百分位數(shù) 年齡分組男(1860) 5 1 50 0 95 9女(1-5) 5 09 5 99項目 數(shù)據(jù)坐高/mm83 85708 47 958 9799 8 8
13、9 85581 1 920坐姿頸椎點高/mm59 61624 657 1 701 795635797 1 648 65 65坐姿眼高/mm729 4761 79 836 47 868678 6950739 77378380坐姿肩高/mm539 566598 6316504518 2 556 85 5 69坐姿肘高/mm214 28235 269298 3122 215 251 27 28499坐姿大腿厚/mm10311 116 130 146 11 16007 1 17 130 46 151 10坐姿膝高/mm41 456461 43 3 3 4941 4243 58 45 493 0小腿加足
14、高/mm2 383 89 4 44 46331 342350 38 39901坐深/m7 421 429 45786 494 10388 01 48 43 4649 45臀膝距/m49515 24 554 58555 6134 95 50 52 6150587坐姿下肢長/mm82 21 37 99204 1063106926 851 6 92 9 975 1005坐姿人體尺寸人體測量數(shù)據(jù)的應用原則人體尺寸應用條件百分位選擇注意事項坐姿眼高當視線時設(shè)計問題的中心時,確定視線和最佳視區(qū)要用到那個尺寸這類設(shè)計對象包括劇院、禮堂、教室和其他需要有良好視聽條件的室內(nèi)空間假如有適當?shù)目烧{(diào)節(jié)性,就能適應從第
15、5百分位到第5百分位或者更大的范圍應該考慮本書中其他地點所述的頭部與眼睛的轉(zhuǎn)動范圍、座椅軟墊的彈性、座椅面距地面的高度和可調(diào)座椅的調(diào)節(jié)范圍臀部寬度這些數(shù)據(jù)關(guān)于確定座椅內(nèi)尺寸和設(shè)計酒吧、柜臺和辦公座椅極為有用由于涉及到間距問題,應使用第95百分位的數(shù)據(jù)依照具體條件,與兩肘之間寬度和肩寬結(jié)合使用大腿厚度是設(shè)計柜臺、書桌、會議桌、家具及其他一些室內(nèi)設(shè)備的關(guān)鍵尺寸,而這些設(shè)備都需要把腿放在工作面下面。特不是有適當?shù)拈g隙,這些數(shù)據(jù)是必不可少的由于涉及到間距的問題,應選用第95 百分位的數(shù)據(jù)在確定上述設(shè)備的尺寸時,其他一些因素也應該同時予以考慮,例如腿彎高度和座椅軟墊的彈性膝蓋高度是確定從地面到書桌、餐桌
16、和柜臺底面距離的關(guān)鍵尺寸,尤其適用于適用者需要把大腿部分放在家具下面定的場合。坐著的人與家具底面之間的靠近程度是否是關(guān)鍵尺寸要保證適當?shù)拈g距,故應選用第95百分位的數(shù)據(jù)要同時考慮座椅高度和坐墊的彈性腿彎高度是確定座椅面高度的關(guān)鍵尺寸,尤其關(guān)于確定座椅前緣的最大高度更為重要確定座椅高度,應選用第5百分位的數(shù)據(jù),因為假如座椅太高,大腿受到壓力會使人感到不舒服。例如一個座椅高度能適應小個子人,也就能適應大個子恩選用這些數(shù)據(jù)時必須注意坐墊的彈性臀部至腿彎長度那個長度尺寸用于座椅的設(shè)計中,尤其適用于確定腿的位置、確定長凳和靠背椅等前面的垂直面以及確定椅面的長度應該選用第百分位的數(shù)據(jù),如此能適應最多的使用
17、者臀部-膝腘部長度較長和較短的人。假如選用第95百分位的數(shù)據(jù),則只能適合那個長度較長的人,而不適合那個長度較短的人要考慮椅面的傾斜度人體測量數(shù)據(jù)的應用原則2.13三維人體模型如圖3,模型設(shè)定為成年男子,其身高為750m ,體重為75kg圖3坐姿的活動空間依照坐姿活動空間的設(shè)計原則和設(shè)計要求來座椅的尺寸。如圖4所示為坐姿活動空間的示意圖。 圖4圖中:- 上身挺直機頭向前傾的軀體輪廓,為保持軀體姿勢而必須的平衡活動已考慮在內(nèi);從髖關(guān)節(jié)起上身向前、向側(cè)彎曲的活動空間;上身不動,自肩關(guān)節(jié)起手臂向上和向兩側(cè)的活動空間;上身從髖關(guān)節(jié)起向前、向兩側(cè)活動時手臂自肩關(guān)節(jié)起向前和兩側(cè)的活動空間;自髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)起
18、腿的伸、曲活動空間。第三章 輪椅的三維設(shè)計3輪椅設(shè)計中的人機工程學在早期的輪椅設(shè)計中,輪椅一般由專業(yè)人員使用,對其設(shè)計著重于追求功能、工作效率和工作的可靠性?,F(xiàn)在,輪椅越來越多地由非專業(yè)的殘疾人使用,輪椅的設(shè)計要考慮它的使用和工作環(huán)境滿足操作者的生理和心理要求,達到工作環(huán)境舒適、安全、操作方便、減輕操作疲勞的目的。3.1人機工程學的研究目的、內(nèi)容人機工程學研究應包括理論和應用兩個方面,但當今本學科研究的總趨勢依舊重于應用。盡管人機工程學的研究內(nèi)容和應用范圍極其廣泛,但本學科的全然研究方向卻是通過揭示人、機、環(huán)境之間相互關(guān)系的規(guī)律,以達到確保人-機-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的最優(yōu)化。對工業(yè)設(shè)計而言,要緊
19、研究的內(nèi)容要緊有以下幾個方面:1、人體特性的研究2、人機系統(tǒng)的總體設(shè)計3、工作場所和信息傳遞裝置的設(shè)計4、環(huán)境操縱與安全愛護3.2輪椅的設(shè)計原則和設(shè)計依據(jù)輪椅的設(shè)計原則應滿足工作座椅的設(shè)計要求和差不多準則。并在此基礎(chǔ)上還要更加注意一些細節(jié)的設(shè)計,以滿足使用者在使用過程中的安全性和舒適性。.2.工作座椅的設(shè)計原則和設(shè)計要求首先,它應滿足坐姿生理學。包括脊柱結(jié)構(gòu);腰曲弧線和腰椎后突和前突;其次,應滿足坐姿生物力學。包括肌肉活動度;體壓分布;股骨受力分析;和椎間盤受力。最后,應滿足坐姿人體測量尺寸。在設(shè)計時英充分考慮到坐墊的材料的柔軟度和耐用以及透氣性好和吸汗等特性。并在其可調(diào)節(jié)部分的結(jié)構(gòu)構(gòu)造,必須
20、易于調(diào)節(jié),必須保證在輪椅使用過程中吧會改變已調(diào)節(jié)好的位置并不松動。在其各零件的外露部分不得有易于傷人的尖叫銳邊,各部結(jié)構(gòu)不得存在可能造成擠壓、剪鉗傷人的部位等。3.輪椅運動員的坐姿舒適性及安全性依照人機工程學中的“以人為本”的設(shè)計原則,在設(shè)計過程中應充分考慮到人的感受和使用過程中的坐姿舒適性。因此,在設(shè)計時首先應考慮人的坐姿舒適性。因此要依照座椅的設(shè)計準則和滿足大多數(shù)人的人體尺度參數(shù)來標準的去設(shè)計輪椅。圖54 輪椅的結(jié)構(gòu)優(yōu)化3.1 座椅系統(tǒng)輪椅的操縱者是在坐姿的狀態(tài)下工作的,為了使操作者在使用時處于舒適的狀態(tài)和適宜的環(huán)境中,設(shè)計中就必須充分考慮人體坐姿的尺度。以座椅的結(jié)構(gòu)為例,要緊考慮座寬、座
21、高、座深的設(shè)計尺寸。(1)座寬按人機工程學的要求應該滿足臀部橫向?qū)挾人枰某叽?考慮到要包容大多數(shù)操作者,我國正常成人男女的體要緊尺寸按GB100088 標準如表1、表2,按成人女子95百分位數(shù)的臀部寬度,在設(shè)計中還要考慮衣服厚度和余量,座寬設(shè)計為40m。(2)座高是座面到踏板面的距離,要緊為了保證從踏板到座面的距離,它相當于人體小腿長度加上腳的厚度,考慮到不同的人都能在舒適的狀態(tài)下工作,則坐高應做成可調(diào)節(jié)的,其調(diào)節(jié)范圍按成人女子50 百分位數(shù)到成年男子P95百分位數(shù)設(shè)計,最后設(shè)計可調(diào)范圍為: mm3m。() 座深是座面的前后距離,它應能使臀部得到全部支撐,其深度一般相當于臀部至大腿全長的3
22、,按成人男子,9百分位數(shù)應不超過446 m。表1男性185 歲要緊尺寸百分位數(shù) 1 5 0 0 90 95 9身高(mm) 543 153 160 68 174 175 1817 坐高(m) 836 58 870 98 947 958 979 臀寬(mm) 284 9 0 321 34 355 39 前臂長(m) 206 16 20 23 253 5 6大腿長(mm) 413 428 465 496 505 3 小腿長(mm) 32 338 4 6 396 43 1表2 女性1855 歲要緊尺寸百分位數(shù) 5 10 0 9 95 99身高(m) 1449 84 1503 157 160 59 1
23、坐高(mm) 789 89 819 85 81 90 20臀寬(mm) 295 0 38 344 374 32 0前臂長(m) 15 13 198 213 229 23 242大腿長(m) 7 402 10 438 467 46 494小腿長(mm) 00 3 319 344 370 7 393.4.2 驅(qū)動輪的布置在輪椅行駛過程中,輪椅的前進、后退和轉(zhuǎn)彎是由操作驅(qū)動輪實現(xiàn)的,按人機工程學的要求設(shè)計最有利、最不易疲勞的驅(qū)動輪布置。輪椅的驅(qū)動輪和骨架的布置從正面看成外八字型,如此的設(shè)計擴大了輪椅的驅(qū)動輪與地面的接觸面積,增進操作輪椅的穩(wěn)定性,在驅(qū)動輪椅時能夠使用較多的肩部肌肉,符合人機工程學的要
24、求,達到省力不易疲勞的目的。3.3 舒適性設(shè)計輪椅的乘坐舒適性要緊取決于座椅系統(tǒng)能否為使用者提供舒適的坐姿。舒適坐姿應保證腰曲弧處于自然狀態(tài),腰背肌肉松弛,上體通向大腿的血管不受壓迫,血液循環(huán)正常。 人體質(zhì)量作用在座椅和靠背的壓力分布稱為體壓分布,它和坐姿緊密相關(guān)。依照人機工程學原理,最舒適的體壓分布應保證人體的大部分質(zhì)量以較大的支撐面積、較小的單位壓力合理地分布到坐墊和靠背上,壓力分布從小到大平滑過渡,無突變。圖 6 靠背體壓分布圖圖 圖7座墊體壓分布圖圖 6能夠看出靠背上的體壓分布應當是腰靠部位最高。因此設(shè)計座椅靠背時應保證腰靠區(qū)能為人體提供舒適的支撐,以減輕腰部疲勞。圖 7 能夠看出坐墊
25、上的壓力分布應是坐骨結(jié)節(jié)處最大,由此向外逐漸減小,直至與坐墊前緣接觸的大腿下平面壓力最小。在設(shè)計坐墊時,應保證坐骨面的座面近似水平,使人體重量的大部分集中在坐骨結(jié)節(jié)處,達到最佳體壓分布,減輕臀部疲勞。 圖8靠背圖 圖9 座墊圖圖 為設(shè)計的輪椅的座椅靠背形狀,圖9座墊圖為設(shè)計的輪椅座椅坐墊形狀,它們均采納合理的弧面,靠背符合人體背部曲線,坐墊符合人體臀部曲線,都符合體壓分布,滿足舒適性要求。3.4.4 輪椅三維實體造型PO/ENGINE 是由美國PC 公司推出的三維D/AM軟件系統(tǒng),它具有它強大的造型功能,基于本文以上的設(shè)計,采納PRO/E工程軟件,對輪椅進行三維造型,確定了零部件之間的裝配關(guān)系
26、。其三維實體如圖 所示。 圖13.5輪椅靜態(tài)強度分析本文將PRO/ 軟件造好的三維實體模型導入DEA 軟件進行靜態(tài)強度分析。對輪椅進行有限元網(wǎng)格劃分,輪椅車體采納三角形殼單元,車體的聯(lián)接處采納三角形實體單元,靠背和坐墊在有限元分析中進行了簡化。做了一種工況的驗算:在驅(qū)動輪的輪軸上建立約束,載荷作用在支撐坐墊的支架上表面,工況載荷計算如下。(1)體重:依照一般人體的體重與身高之間的關(guān)系,可取中國成年人人體尺寸中95 百分位點的775 cm 身高的男性體重3。W=H0=775-10077.5(k)(2)下肢重量:依照美國、加拿大和歐洲男性坐姿各部分尺寸計算公式,可求得77.5 m身高的男性的小腿重
27、量、大腿重量。小腿重量:WL.042E3.225(kg)大腿重量:WB0.946WE=7.332(k)()施加在腳架上載荷為W=WLW1056(g)(4)施加在坐墊支架上表面載荷為W=WE-F77.510.56=669(k)由應力云圖7 可知,最大應力bmax =28 Pab37Pa。最大應力在應力同意范圍內(nèi)。35 不同消費等級的輪椅由于使用者的收入不同,因此在輪椅的設(shè)計上也要分成不同的等級來適應不同人群的使用。要緊在其使用的材質(zhì)上分成不同的等級。結(jié)構(gòu)可不能改變。分為專業(yè)型、一般型和一般型。通過分類,使不同收入的消費者都能同意和使用輪椅。感受運動帶給他們的歡樂以及體會生命的美好。第四章 輪椅設(shè)
28、計中的人機工程評價4. 輪椅設(shè)計中人機工程評價的要緊內(nèi)容在人機工程分析與評價系統(tǒng)中,常用的人機評價方法有視域、力和扭矩分析、舒適度分析、姿勢預測、可及范圍、疲勞和恢復、手動操作局限分析、新陳代謝能量消耗、快速上肢評估、靜態(tài)受力預測等。本文針對輪椅產(chǎn)品的特點,考慮到操作方便、舒適和省力等設(shè)計要素,要緊實現(xiàn)了舒適度分析與評價、產(chǎn)品的容納性、可及范圍和姿勢預測, 姿態(tài)分析等分析與評價算法。( 1) 舒適度評價,舒適度著重于作業(yè)環(huán)境對人的阻礙, 舒適度概念指人在坐勢下的關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)靈活度。把人長時刻在此姿勢下能夠同意,而且可不能感到刺激和疲勞的區(qū)域定義為舒適的區(qū)域, 通過計算關(guān)節(jié)的角度是否在那個舒適
29、的區(qū)域內(nèi), 則能夠推斷該部位是否處于舒適狀態(tài)。圖11通過對關(guān)節(jié)角度的分析動態(tài)進行舒適度評價如圖1 所示, 從評價結(jié)果能夠看出,前臂和手的舒適度感受較差。因此要對驅(qū)動輪的位置做適當?shù)恼{(diào)整并對驅(qū)動輪的外表做一定的設(shè)計使手接觸的時候更加的舒適。 圖舒適性評價( 2)容納和伸及的合格性依照一般產(chǎn)品90%或9%適應域的設(shè)計需要, 選用0 或95 人體百分位,判定人體是否與產(chǎn)品發(fā)生干涉。在人體尺寸選擇方面,如未指定評價人群的性不,人體尺寸默認值選用兩性中的較大值。如男性的身高,女性的臀寬。因此,在最終尺寸的確定中,還需要考慮著裝、軀干和上肢活動空間、心理空間等方面的修正量。伸及的合格性是指人體與產(chǎn)品“裝配
30、”定位后,手、足可否觸及產(chǎn)品上特定部分,并實現(xiàn)預定操縱。在人體百分位選用方面,依照一般產(chǎn)品的設(shè)計需要, 分不滿足使用人群的9%或95%。( ) 靜態(tài)受力分析, 人體在安全用力( 人體所能承受的力)狀態(tài)下完成任務。這項分析按照標準的工作姿態(tài)進行分析, 確定可同意的初始力和可同意的最大持續(xù)力, 通過系統(tǒng)計算, 可得9%的人能承受的最大的推力為16832, 最大的持續(xù)力為9.864N。依照對比受力標準能夠看出,長期操作會引起手臂的肌肉勞損。4 人機工程評價系統(tǒng)構(gòu)成人機工程評價系統(tǒng)由實驗法、模擬裝置法和實際運行測定法構(gòu)成。通過這些方法來對各種產(chǎn)品進行人機評價。折疊輪椅設(shè)計和制作的前景展望輪椅是康復的重
31、要工具,它不僅是肢體傷殘者的代步工具,更重要的是使他們借助于輪椅進行軀體鍛煉和參與社會活動。隨著社會的進展和人類文明程度的提高,人們特不是殘疾人愈來愈需要運用現(xiàn)代高新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量和生活自由。再加上當今世界各大都市都面臨老齡化問題,依照聯(lián)合國預測,1990220年世界老齡人口平均年增速度為.5%,同期我國老齡人口的遞增速度為.3%,老齡化速度快于世界老齡化速度。隨著我國經(jīng)濟的迅猛進展和人民生活水平的不斷提高,可能在不久的今后,輪椅的社會需求總量逐年增長,這給輪椅行業(yè)帶來巨大的市場空間。 人機工程學輪椅設(shè)計的前景 輪椅開發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)隨著社會的進展,也在快速的進展,隨著社會消費水平及消費
32、檔次的提升,以后輪椅設(shè)計技術(shù)也會有專門大的提升,將逐步向輔助行動、方便輕巧、功能多樣等等方面進展。還有隨著社會的進展和人類文明程度的提高,人們特不是殘疾人愈來愈需要運用現(xiàn)代高新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量和生活自由度。因為各種交通事故、天災人禍和種種疾病,每年均有成千上萬的人喪失一種或多種能力(如行走、動手能力等)。因此,對用于關(guān)心殘障人行走的機器人輪椅的研究已逐漸成為熱點,如HYPERLINK N:整理后htp:www.hudwiki%E8A%BF%7%8FAD%E7%9%9西班牙、HYPERLINK N:整理后http:www.uong.omwiki%E%84%8F%E%A4A%E5%8%意大
33、利等國,HYPERLINK N:整理后htp:w.hudog.owiki%E4%8%A%E5%B%D%7%A7%91%E%AD%A6%E9%99%A2 o中國科學院自動化研究所也成功研制了一種具有視覺和口令導航功能并能與人進行語音交互的機器人輪椅。機器人輪椅關(guān)鍵技術(shù)是HYPERLINK N:整理后http:wwwhong.mk%E5%A%89E5%5%A8%E5%AFC%E88%AA安全導航問題,采納的差不多方法是靠超聲波和紅外測距,個不也采納了口令操縱。HYPERLINK N:整理后htp:ww.hudong.cmwiki%8%B%8%E5%A3%0%A2 o 超聲波 t blan超聲波和H
34、YPERLINK N:整理后ht:www.hudwi%E7%BA2E54%965%ABC%8%8%AA o 紅外導航 t bak紅外導航的要緊不足在于可控測范圍有限,視覺導航能夠克服這方面的不足。在機器人輪椅中,輪椅的使用者應是整個系統(tǒng)的中心和積極的組成部分。對使用者來講,機器人輪椅應具有與人交互的功能。這種交互功能能夠?qū)iT直觀地通過人機語音對話來實現(xiàn)。盡管個不現(xiàn)有的移動輪椅可用簡單的口令來操縱,但真正具有交互功能的移動機器人和輪椅尚不多見。有理由相信,以后的輪椅設(shè)計領(lǐng)域?qū)⒂袑挸ǖ倪M展空間。人機工程學輪椅制作的前景當今世界各大都市都面臨老齡化問題,依照聯(lián)合國預測,1990-2020年世界老齡人
35、口平均年增速度為25%,同期我國老齡人口的遞增速度為3.3%,老齡化速度快于世界老齡化速度。與其他國家相比,中國社會人口老齡化程度高,已逐步進入老齡化社會。許多大都市,如上海、北京,老年人的比例已接近2%。在他們當中,有相當多的人因行走不便不得不依靠輪椅才能夠正常生活。依照中華人民共和國國務院新聞辦公室20年2月在北京公布的中國老齡事業(yè)的進展報告提供的數(shù)據(jù),0年底,中國60歲以上老年人口.4億,占總?cè)丝诘谋壤_11。世界上0歲以上人口超過1億的只有中國?,F(xiàn)在我國60歲以上老年人口每年以3的速度遞增。在0歲以上的老年人口中,有相當一部分老年人在日常生活和工作中,在疾病治療和康復過程中,都需要借助
36、使用輪椅。另據(jù)第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)推算,全國各類殘疾人的總數(shù)為826萬人。其中肢體殘疾有2412萬人,占290%;多重殘疾1352萬人,占16.30%。在肢體殘疾和多重殘疾的群體中,有相當一部分在生活、工作中,在治療疾病和康復訓練中,也需要使用輪椅?,F(xiàn)在,隨著老年群體病人的增加,輪椅的社會需求總量逐年增長,這給輪椅行業(yè)帶來巨大的市場空間。我國輪椅產(chǎn)品在國際上的競爭力專門強,其成本優(yōu)勢比較明顯,從臺灣地區(qū)“統(tǒng)計局”公布的對美出口的輪椅及代步車情況來看,我國大陸出口的輪椅及代步車價格普遍低于韓國和我國的臺灣地區(qū)。203年臺灣對美的平均出口價為641美元/輛,韓國對美的平均出口價為56美元輛,而我國大陸僅僅為377美元/輛。價格差距十分的明顯。只是正因為價格低廉,因此我國輪椅產(chǎn)品在國際上的競爭具有較大的優(yōu)勢,出口市場十分看好。我國輪椅的出口市場多且規(guī)模都不小,尤其是歐美、澳、日和一些中東、東南亞國家和地區(qū)。我國輪椅出口市場潛力還有待進一步開發(fā),潛力巨大。當
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