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1、陕西理工学院课程设计 第 1 页 共 31 页 人机工程学轮椅设计说明人机工程学轮椅设计说明 设计说明书设计说明书 题题 目目: 人机工程学轮椅设计说明 学生姓名学生姓名: 学学 号号: 所所在在院院 ( (系系) ): : 机械工程学院 专业班级专业班级: : 工业设计 081 班 指导教师指导教师: : 2010 年 12 月 27 日 陕西理工学院课程设计 第 2 页 共 31 页 课程 设计任务书 院(系) 机 械 工 程 学 院 专业班级 工业设计 082 学生姓名 一、课程设计题目 轮椅的人机分析与创新设计 、 二、课程设计工作自_ 2010 _年_ 12 月_ 20 日 起至_
2、2010 _年 1 月 14 日止。 三、课程设计进行地点: 校内 四、课程设计的内容要求: 设计内容设计内容 1、市场调研:通过对你所研究的产品进行人机方面的调研(包括该产品与人体尺寸的匹 配,操纵或显示装置的感知、认知分析,操纵机构的宜人性、安全性分析,用户视觉感受与使用心 理的分析等) ,总结、分析,撰写调研报告; 2、在分析的基础上,总结现有该产品在人机方面存在的问题或不足; 3、针对所存在的问题,提出多个解决方案;(或进行创新设计)要绘制草图并用文字加 以说明 ; 4、经过分析论证,进行方案的比较、筛选,优化设计方案,并最终确定设计方案; 5、建立三维模型,绘制产品外观尺寸图; 6、
3、进行渲染,制作效果图; 7、对你设计的产品要进行设计说明。 设计要求:设计要求: 1、设计说明书 A4 幅面,统一采用计算机打印; 2、设计说明书撰写规范参考陕西理工学院毕业设计(论文) 格式及计要求; 3、所有图纸打印幅面 A4(工程图、设计草图、效果图、展板) ,单独装订成册; 4、设计说明书、图册、所有源文件的刻录光盘一并装入资料带,并填写清单; 5、课程设计题目参见选题表及题目清单,每位同学可从中自行选择其中之一,或自拟 题目,但必须经过指导教师同意,方可进行; 6、每位同学独立设计,完成所有设计任务。 指 导 教 师 系(教 研 室) 工业设计系 系(教研室)主任签名 批准日期 陕西
4、理工学院课程设计 第 3 页 共 31 页 目录目录 目录3 第一章引言.5 1.1.研究背景.5 1.2.研究现状.6 1.3.研究目的与意义.6 第二章轮椅的概述 .7 2.1.轮椅的种类.7 2.1.1.一般轮椅.7 2.1.2.特制轮椅7 2.1.3.电动轮椅.7 2.1.4.特制运动轮椅.7 2.1.5.代步车.7 2.2.轮椅组成部分 .7 2.3.轮椅适用人群 .8 2.4.轮椅的使用年限 .9 第三章轮椅设计中的人机工程学 .10 3.1.老年人、残疾人的特征.10 3.1.1.老年人.10 3.1.2.残疾人.10 3.2.人体尺寸.11 3.3.轮椅各部分结构的人机分析 1
5、2 3.4.安全性设计.13 3.5.舒适型设计.13 第四章轮椅在人机方面存在的不足.14 4.1.设计的不合理性导致使用者不恰当的坐姿.14 4.2.安全性不够导致的安全隐患.14 4.3.使用过程中的人机问题.14 第五章人机工程学轮椅的设计.15 5.1.三维人体模型的建立.15 5.2.人机工程学轮椅三维设计.17 5.2.1.材料选择.17 5.2.2.各部分尺寸选择.19 5.2.3.轮椅三维实体造型.21 5.2.4.轮椅静态强度分析.21 5.3.创新设计.22 5.3.1.安全性设计.22 5.3.2.舒适性设计.22 陕西理工学院课程设计 第 4 页 共 31 页 5.4
6、.使用说明.23 5.4.1.自行使用.23 5.4.2.辅助者使用.23 5.4.3.注意事项.24 第六章效果图.25 第七章致谢.26 第八章参考文献.27 附录28 陕西理工学院课程设计 第 5 页 共 31 页 第一章第一章引言引言 1.1.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
7、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。 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
8、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。 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,
9、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。 人机工程技术是 21 世纪信息领域需要解决的重大课题。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
10、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(Future Personalized Information Environment Development) ,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 陕西理工学院课程设计 第 6 页 共 31 页 统和深入的开展则在“文革”
11、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
12、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。 1.2.研究现状 由于现代医学的发展和进步,人类的寿命正逐渐的往上提升,致使各国老年人口 将不断增加,然而高龄化的社会结构已然成为世界各国的重大挑战。针对这些年长而 行动不方便的使用者而言,其身体各部分器官正逐渐退化,再加上神经肌肉萎缩,自 行驱动轮椅是非常困难的事,因此他们将不适合使用具有手轮圈的自推型轮椅,而手 推型轮椅较能符合其需要。 现在市场上的大多数轮椅都是以实现功能为主要目的,我们称之为机械式轮椅, 很少考虑到人机工程学的
13、因素。一款符合人的行为习惯以及生理上和心理上因素的轮 椅显得非常有必要。 1.3.研究目的与意义 轮椅的主要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,从而使轮椅更好的发挥它的功能。 陕西理工学院课程设计 第 7 页 共 31 页 第第二二章章轮轮椅椅的的
14、概概述述 2.1.轮椅的种类 2.1.1.一般轮椅 顾名思义,就是一般医疗器材行销售的轮椅,大致上就是个 椅子的形状,四个 轮子,后轮较大,加个手 推轮,刹车也加在后轮,前轮较小,用来转向,轮椅后面 在加个防倾轮, 一般轮椅比较轻便,可以摺叠收起 , 适用一般有情况,或短期行 动不便者,不适合久坐 。 从材质上还可以分为:铁管烤漆(重量在 40-50 斤) 、钢管电镀(重量在 40- 50 斤) 、铝合金(重量在 20-30 斤) 、航太铝合金(重量在 15-30 斤) 、铝镁合金 (重量在 15-30 斤) 。 2.1.2.特制轮椅 一患者情况而定,有多种不同配件,例如加强载重量,特殊坐垫或
15、靠背,颈 部支撑系统、腿部可调节、可拆卸餐桌 等等。既然名为特制,价钱当然大不相 同,在使用上,也因配件繁多,比较麻烦,通常是用在重症或严重肢体或躯干变形 者 2.1.3.电动轮椅 就是加上电动马达的轮椅 。 依操纵方式,有用摇杆的,也有用头部或吹吸系 统等等各式开关控制的 。 最于重度瘫痪或需要较大移动距离者,只要其认知能力不错的话,使用电动轮椅 是个不错的选择,不过需要较大活动空间。 2.1.4.特制运动轮椅 特殊设计的轮椅,用来从事休闲运动或竞赛 常见的有竞速或篮球,跳舞用 的也很常见 一般来说,轻量化与耐用是特点,许多高科技材质都会用上 2.1.5.代步车 属于广义的轮椅,许多老人都在
16、用大致上分为三轮及四轮 ,以电动马达驱动 , 时速限制 15km/h,以负载能力分级。 2.2.轮椅组成部分 2.2.1.大车轮:承载主要的重量。除了少数使用环境要求而用实心轮胎外, 多用充气轮胎。 陕西理工学院课程设计 第 8 页 共 31 页 2.2.2.小车轮:直径大的小轮易于越过小的障碍物和特殊的地毯。但直径太 大使整个轮椅所占空间变大,行动不方便。正常小轮在大轮之前,但在下肢截瘫 者用的轮椅,常将小轮放在大轮之后。操作中要注意的是小轮的方向最好可与大 轮垂直,否则易倒。 2.2.3.轮胎:有实心的、有充气内胎和无内胎充气型三种。实心型在平地走 较快且不易爆破,易推动,但在不平路上振动
17、大,且卡入与轮胎同宽的沟内时不 易拔出;有充气内胎的较难推,也易刺破,但振动比实心的小;无内胎充气型因 无内胎不会刺破,而且内部也充气、坐起来舒服,但比实心者较难推。 2.2.4.刹车:大轮应每轮均有刹车,当然象偏瘫者只能用一只手时,只好用 单手刹车,但也可装延长杆,操纵两侧刹车。刹车有两种:(1) 凹口式刹车。 此刹车安全可靠,但较费力。调整后在斜坡上也能刹住,若调到 1 级在平地上不 能刹住为失效。 (2) 肘节式刹车。利用杠杆原理,通过几个关节而后制动,其 力学优点比凹口式刹车强,但失效较快。为加大患者的刹车力,常在刹车上加延 长杆,但此杆易损伤,如不经常检查会影响安全。 2.2.5.座
18、椅:其高、深、宽取决于患者的体型,其材料质地也取决于病种。 2.2.6.坐垫:为避免压疮,对垫子要高度注意,有可能尽量用蛋篓型,这 种垫由一在坐位时,坐骨结节承压很大,常超出正常毛细血管端压力的116 倍,易于缺血形成压疮。为避免此处压力过大,常在相应处的垫子上挖去一块, 让坐骨结节架空,挖时前方应在坐骨结节前 2.5cm 处,侧方应在该结节外侧 2.5cm 处,深度在 7.5cm 左右,挖后垫子呈凹字形,缺口在后,若 采用上述垫 子加上切口,可以相当有效地防止压疮的产生。 2.2.7.脚托及腿托:腿托可为横跨两侧式,或两侧分开式,这两种托都以 采用能摇摆到一边和可以拆卸的为最理想。必须注意脚
19、托的高度。脚托过高,则 屈髋角度过大,体重就更多地加在坐骨结节上,易引起该处压疮。 2.2.8.靠背:靠背有高矮及可倾斜和不可倾斜之分。如患者对躯干的平衡 和控制较好,可选用低靠背的轮椅,使患者有较大的活动度。反之,要选用高靠 背轮椅。 2.2.9.扶手及臂托:一般高出椅座面 22.525cm,有些臂托可调节高度。 还可在臂托上架上搭板供读书、用餐。 陕西理工学院课程设计 第 9 页 共 31 页 2.3.轮椅适用人群 轮椅的使用人群是一个比较特殊的人群,早期的轮椅是专门对专业人员使用的, 随着社会的发展,人口的老年化日渐严重,老年人、残疾人这以弱势群体逐渐被重视, 现在的轮椅主要是针对这一人
20、群使用的。 2.4.轮椅的使用年限 轮椅作为一种代步辅助运动的工具,消费者一般不会购买第二次,所以,在某 种程度上轮椅是一种一次性消费产品,这就要求轮椅的使用寿命足够长,一般轮椅 的使用年限5、6年左右,超过这个年限还使用就存在许多安全隐患了。所以,轮 椅在设计之初就应该考虑到它的回收,以便材料的重复使用,防止不必要的浪费。 陕西理工学院课程设计 第 10 页 共 31 页 第第三三章章轮轮椅椅设设计计中中的的人人机机工工程程学学 3.1.老年人、残疾人的特征 3.1.1.老年人 1、运动反应迟缓老年人的感官系统随着机体的衰老,将发生反应迟缓,传输信号 减慢或减低,而这样的变化常常表现在老人们
21、的行走,持物动作,发音,等诸方面。 老年人的反应速度较比青年和成年人的反应速度减慢 20%-30%,可以出现显而易见的 迟缓表象。 2、记忆能力的错位:人的记忆力在 45 岁之后将进入逐渐衰退的阶段,达到 70 岁 之后又将进入另一个记忆力明显降低的阶段。因此记忆力降低是老年人一个显著的特 征。 3、思维衰退速度较慢:年老过程中思维的衰退出现较晚,尤其是熟悉的专业有关 的思维能力在年老时仍能保持。但老年人由于感知和记忆力方面的衰退,在概念、逻 辑推理和问题解决方面的能力有所减退,而其中尤为明显的则是思维的敏捷性、流畅 性、灵活性、独特性以及创造性。 4、人格的改变:老年人的价值、信念较少改变,
22、因而常给人一种保守的印象;老 年人由于脑生理功能衰退,表现出心理能量的减少,在生活中表现出一种被动、退缩 和迟缓的印象,这不是消极的,而是一种主动地自我保护,老年人学会了将有限的生 活能量用在最有效的生存活动上,是一种适应性变化。老年人由于生理功能减退和慢 性疾病发病率高使其常常体验到躯体不适,因而容易产生抑郁感和孤独感。 5、老年人的情绪特点: 1.老年人更善于控制自己的情绪;2.老年人的情绪体验比较强烈而持久;3.有些 老年人容易产生消极情绪;4.绝大多数老年人有积极的情绪体验。 3.1.2.残疾人 残疾人心理是社会人群心理型中一个比较特殊的类型。目前,我国大约有 6000 万 残疾人,身
23、体的残疾导致了他们特殊的心理特点及与众不同的生活和行为模式。 残疾人的心理特征: 1.自卑和孤独心理。这是残疾人普遍存在的心理特点,由于生理和心理上的缺陷, 使他们在学习、生活和就业方面遇到诸多困难,得不到足够的支持和帮助,甚至遭到 厌弃或歧视,因此产生自卑心理。生理或心理上的缺陷,还导致他们活动受限,无法 陕西理工学院课程设计 第 11 页 共 31 页 进行正常的交流,缺少朋友,久而久之就会产生孤独感,这种孤独感会随着年龄的增 长而逐渐增强。 2.敏感多疑自尊心强。残疾状态会导致残疾人注意力过度集中,过多的注意别人 对自己的态度,对别人的评价极为敏感。别人对自己带有贬义的、不恰当甚至是无意
24、 的称呼,常常会引起他们的反感。如果他们的自尊心受到损害,就会当即流露出愤怒 情绪或采取自卫的手段加以报复。 3.深刻的抱怨心理。抱怨父母、抱怨领导、抱怨命运;认为天地之间,难以容身; 人海茫茫,唯我多余。 4.情绪不稳定但富有同情心。他们对外界的情绪反应强烈,容易与别人发生冲突。 而残疾人对残疾人有特别深厚的同情心,却较少与非残疾人交流,除了“话不投机” 的原因外,还与交流不方便有关。5.不同类型残疾人的性格特征。残疾人交往的圈子 比较小,周围环境与普通人不同,于是就形成了某些特殊的性格特征,如孤僻和自卑 是各类残疾人的共同性格特征。但每异类残疾人又有其独具的性格特征。 盲人性格内向,温文尔
25、雅,有丰富的内心世界,情感体验深沉而含蓄。由于没有 视觉信息的干扰,而形成了爱思考、善思考的习惯,抽象思维和逻辑思维比较发达, 言语听觉能力发达,记忆力比较好,词汇比较丰富,促成了他们语言能力强的特点。 探索问题深刻、健谈、说话有条理、词汇丰富、语言生动、说理充分。 聋哑人与盲人不同,他们性格外向,情感反应强烈,频度高但持续时间短,性格 豪爽耿直。他们通过兴趣、具体行动和自己的情感表达来分析生活,观察问题往往只 看到表象,不太注意内在联系,多倾向于眼前世界,较少考虑长远利益。 肢体残疾者性格特点主要表现为屈强和自我克制,“忍”字当头,只有在忍无可 忍时才会爆发。 3.2.人体尺寸 百分位数/%
26、 年龄分组 项目 数据 男(18-60) 1 5 10 50 90 95 99 女(18-55) 1 5 10 50 90 95 99 坐高/mm836 858 870 908 947 958 979789 809 819 855 891 901 920 坐姿颈椎点高/mm599 615 624 657 691 701 719563 579 587 617 648 657 675 坐姿眼高/mm729 749 761 798 836 847 868678 695 704 739 773 783 803 陕西理工学院课程设计 第 12 页 共 31 页 坐姿肩高/mm539 557 566 59
27、8 631 641 659504 518 526 556 585 594 609 坐姿肘高/mm214 228 235 263 291 298 312201 215 223 251 277 284 299 坐姿大腿厚/mm103 112 116 130 146 151 160107 113 117 130 146 151 160 坐姿膝高/mm441 456 461 493 523 532 549410 424 431 458 485 493 507 小腿加足高/mm372 383 389 413 439 448 463331 342 350 382 399 405 417 坐深/mm407
28、421 429 457 486 494 510 388 401 408 433 461 469 485 臀膝距/mm499 515 524 554 585 595 613481 495 502 529 561 570 587 坐姿下肢长/mm892 921 937 992 1046 1063 1069826 851 865 912 960 975 1005 坐姿人体尺寸 3.3.轮椅各部分结构的人机分析 1、坐垫可说是与使用者最贴身的地方,设计上会依照使用者的臀部尺寸和形 状曲线进行设计。坐垫载重后下压的幅度不可太深,也就是支援力要够,否则乘 坐者会坐得不舒服。 2、靠背区分为可调整与固定角度
29、两大类,靠背一般会根据人体背部曲线设计, 以舒适性和安全性为原则。 3、把手可分为定向及双向,双向把手因为可以换向推行,故可以面对乘坐者。 另外也有把手可以调整高低,这是针对不同的身高而设计的。使用上注意不要将 其他民物品挂在把手上,以免重心不稳而翻覆,伤到乘坐者。 4、轮椅骨架若为铁管,通常重量较重,但是有很好的刚度及强度保证;铝管 重量较轻,但是在安全保证方面不如铁管。新型材料铝合金的合成解决了这一问 题,在轻巧方便的同时又有很好的安全保证。 5、遇到较不平坦的路面时,柔软的坐垫已无法提供可靠的舒适性,因此一般 轮椅均设有防震功能,以因应颠簸路面,防震装置一般装设前轮组合或者后轮组, 在挑
30、选时可将车放置于地面,轻压车架测试期弹性程度。 6、刹车装置具有减速的功能,当婴儿车停在斜面地形上时,操作者无法将车 架握住时,轮椅随时会产生滑动而翻覆倾倒,容易给乘坐者造成莫大的危险;即 因如此,刹车装置是轮椅必备的安全设备之一。 7、驱动装置是轮椅不可缺少的一部分,驱动装置的设计通常以方便灵活、省 陕西理工学院课程设计 第 13 页 共 31 页 力安全为原则。 3.4.安全性设计 轮椅是供残疾人、老年人乘坐,以便达到代步辅助运动的目的,而老年人和残疾 人这一人群自身行动十分困难,所以安全性必须是设计师考虑的重中之重,任何潜在 的安全隐患都有可能伤害到乘坐者。 3.5.舒适型设计 轮椅的设
31、计对象是人,这一点我们应该首先明确,而且还是行动极为不方便的老 年人和残疾人,如何使他们坐的舒服,是我们必须考虑的问题,例如,靠背的形状、 高度和坐垫的形状、高度以及厚度都必须符合人体的曲线分布。 陕西理工学院课程设计 第 14 页 共 31 页 第四章第四章轮椅轮椅在人机方面存在的不足在人机方面存在的不足 4.1.设计的不合理性导致操作者不恰当的坐姿 因为轮椅的乘坐着大多数时间都是坐着的状态,所以在轮椅的设计过程中如 何使乘坐着在长时间的坐姿状态下,不感觉到疲劳或是减少这种疲劳状态,一直 困扰着设计师,而现在市场上的轮椅并没有解决这一问题,长时间的乘坐轮椅经 常导致乘坐着肩痛、腰痛和一些颈椎
32、病。 4.2.安全性不够导致的安全隐患 1、整车强度不合格,原因是使用的材料强度不够。 2、制动装置强度不合格 ,在使用过程中可能会因制动装置突然失效而发生意外 伤害。 3、阻燃性能不合格 ,儿童推车标准中对推车上的纺织面料要求有一定的阻燃性 能,应有“警告:切勿近火”的提示语。 由于轮椅的使用者缺乏自我保护意识和能力,任何潜在问题都可能造成严重后果, 因此在选购轮椅时更应谨慎。 4.3.使用过程中的人机问题 1、现有轮椅把手可分为定向及双向;双向把手因为可以换向推行,故可以面对乘 坐者,方便照顾乘坐者。另外也有把手可以调整高低,这是针对不同的身高而设计的。 但有个普遍缺点就是把手杆的角度与推
33、车者的角度不协调,很可能会引起其重心不稳 而翻覆,伤到乘坐者。 2、乘坐者在自行驱动轮椅时,是通过双手对驱动轮的作用来完成的,这个过程是 非常不容易的,且在这一过程中容易造成重心失衡。 3、坐垫和拷贝只是简单的达到承载负荷的目的,并不符合人体的臀部曲线和背部 曲线,长时间乘坐很容易造成乘坐者过度疲劳。 4、脚踏设计没有考虑人的坐姿尺寸 ,只是简单的承载小腿部的重量, 如果脚 踏能够调整斜度就更佳。 但现今市面上的 轮椅由于“闭门造车” ,没有征对这些问 题进行人机方面的调研分析,没考虑到这些问题 ,给乘坐者 造成极大的安全隐患。 5、驱动轮知识承载了符合,没有考虑到使用者的给力方向,和运动中轮
34、椅的 平衡性。 6、许多尺寸只是套用座椅系统的尺寸,没有考虑使用人群的特征,尺寸没有 经过校正。 7、承载主要符合的大轮宽度尺寸不合适,有一些太窄,还有的太宽,窄了 陕西理工学院课程设计 第 15 页 共 31 页 整体不够稳定,宽了有太笨重,市场上的产品没有很好的解决这一问题。 第五章第五章人机工程学轮椅的设计人机工程学轮椅的设计 5.1.三维人体模型的建立 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
35、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。 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 能适从 5 百分位到第 95 百分 位或者更大的范围 应该考虑
36、本书中其他地 方所述头部与眼睛的转 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 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 两肘之间度和肩宽结合 使用 陕西理工学院课程设计 第 16 页 共 31 页 大腿厚度 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,一些因素也应 该同时予以考虑,例如 腿
37、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 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
38、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 选用第 5 百分位的数据,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 陕西理工学院课程设计 第 17 页 共 31 页 坐姿活动空间的示意图。 成年男子坐姿,身高为 1775.0mm ,体重为 75kg 5.2.人机工程学轮椅三维设计 5.2.1.材料选择 轴向拉伸与压缩是杆件变形中最简单的形式。在机械和仪器中,承受拉伸和压缩 作用的杆件最多,在折叠轮椅的过程中,联接常常用到螺栓,被拧紧后,螺栓
39、就承受 拉力。分析受轴向拉伸或轴向压缩作用的杆件的受力情况可知,杆件拉伸和压缩的受 力特点是作用在杆件两端的两力大小相等、方向相反,且作用线与杆件的轴线相重合。 其变形的特点是杆件沿轴向伸长或缩短,而其横截面变细或变粗,分别如图 3.2.1(a) 、 (b)所示 陕西理工学院课程设计 第 18 页 共 31 页 图 3.2.1 拉伸与压缩 由上可知,不论是受拉伸还是压缩,杆件横截面上的内力均沿着杆件的轴线,这 种力称为轴力,轴力可以是拉力,也可以是压力。以受拉杆件横截面上的内力分部来 确定横截面上各点的应力,杆件在外力的作用下不仅要产生内力,同时还要产生变形, 而且内力与变形之间是密切相关的。
40、所以可以实验来观察变形,以了解内力的分布。 取一等截面直杆,在其表面画两条垂直于杆轴的横线 ab 和 cd,并在两条横线间 画两条平行于杆轴的纵向线。然后在杆两端加上一对轴向拉力,使杆件产生拉伸变形。 从杆件表面可观察到:ab 和 cd 直线分别平移至 a1b1 和 c1d1 位置,仍为直线且和杆轴 垂直;两条纵向线伸长,且伸长量相等,并仍然与杆轴平行。根据观察到的表面现象, 可作出平面假设:变形前为平面的横截面,变形后仍为平面,但沿轴线发生了平移。 如图 3.2.2 所示 图 3.2.2 受拉杆件截面上的应力 根据平面假设可知,任意两横截面间的各纵向线的伸长(或缩短)均相同。由材 料的均匀连
41、续性假设可知,横截面上的内力是均匀分布的,即各点的应力相等。 设杆件横截面的面积为 A,横截面上的轴力为 N,则该横截面上的正应力为 =N/A (的正负号与轴力相同,当 N 为正时,也为正,称为拉应力;当 N 为负时, 也为负,称为压应力。 ) 由上所述可知,杆件的材料所能承受的应力是有限的,要保证杆件正常工作,则 杆件的工作应力必须不超过其材料的许用应力,因此,杆件受拉伸或压缩时的强度条 件为 A FN () a MP 陕西理工学院课程设计 第 19 页 共 31 页 式中表示杆件材料的许用应力。 a MP 本课题所设计的已知轮椅主结构将采用直径为 200mm,厚度 2.5mm 的管材,假设
42、 需通过 200kg 的重量,即截面积 A=314 (mm ),即根据杆件受拉伸或压缩时的 2 4 d 2 强度公式 A FN () a MP 得=63.7 A FN a MP 目前市场上轮椅的材料大多数都使用硬铝合金管材,其最大的抗拉强度是 370 ,即最大许用应力为 370,而计算所得到的结果远远小于其最大许用应力, a MP a MP 故轮椅的主结构采用硬铝合金。 5.2.2.各部分尺寸选择 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 GB1000088 标准如表 1、表 2, 按成人女子 95 百分位数的臀部宽
43、度,在设计中还要考虑衣服厚度和余量,两边各留 25mm,座宽设计为 400 mm。 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:375 mm390 mm。 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 446 mm。 4、扶手高度:进过调查研究,我们发现扶手高度高出座椅面 225250mm 乘坐 着最为
44、舒适。 5、驱动轮:大轮选用直径尺寸应在 510660mm,经校正后我们选择 600mm。 小轮直径尺寸应在 120200mm 之间,最后选择 160mm。 6、坐垫: 为了舒服和防止褥疮,轮椅的椅坐上应放坐垫。常见的坐垫有泡沫橡 胶垫(510cm 厚)或凝胶垫。为防止座位下陷可在坐垫下放一张 0.6cm 厚的胶合板。 7、靠背高度:靠背越高,越稳定,靠背越低,上身及上肢的活动就越大,这个尺 陕西理工学院课程设计 第 20 页 共 31 页 寸我们选择 95 百分位。低靠背:测量坐面至腋窝的距离(一臂或两臂向前平伸) ,将 此结果减 100mm。高靠背:测量坐面至肩部或后枕部的实际高度。 百分
45、位数 1 5 10 50 90 95 99 身高(mm) 1543 1583 1604 1678 1754 1775 1817 坐高(mm) 836 858 870 908 947 958 979 臀宽(mm) 284 295 300 321 347 355 369 前臂长(mm) 206 216 220 237 253 258 268 大腿长(mm) 413 428 436 465 496 505 523 小腿长(mm) 324 338 344 369 396 403 419 表 1 男性 1855 岁主要尺寸 百分位数 1 5 10 50 90 95 99 身高(mm) 1449 484
46、1503 1570 1640 1659 1697 坐高(mm) 789 809 819 855 891 901 920 臀宽(mm) 295 310 318 344 374 382 400 前臂长(mm) 185 193 198 213 229 234 242 大腿长(mm) 387 402 410 438 467 476 494 小腿长(mm) 300 313 319 344 370 376 390 表 2 女性 1855 岁主要尺寸 8、大轮的布置: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 陕西理工学院课程设计 第 21 页 共 31 页 现的,按人机工程学的要求设计最有利
47、、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,即两个大轮和地面成 75 度夹角,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。 5.2.3.轮椅三维实体造型 3D Max 具有它强大的造型功能,基于本文以上的设计,采用 3D Max 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 5.2.4.轮椅静态强度分析 本文将 3D Max 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,工作载荷计算如下。 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 177.5 cm 身高的男性体重。 WEH100177.510077.5
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