基于CATIA的多功能运动轮椅三维数字化建模及其优化设计

杨俊　田相克　郭春凤

【摘 要】针对仅适用于单一运动形式的普通轮椅无法满足残疾人员的运动需求，分析了残疾运动人员的身体特征及运动轮椅的特点，结合“人—机—环境”人机工程学思想，利用CATIA计算机辅助设计软件，对新型多功能运动轮椅进行三维数字化建模及其优化，满足轮椅运动人员的各项要求。

【关键词】人机工程学；多功能运动轮椅；CATIA；三维建模；优化

目前，残疾人体育工作已经成为我国“全民健身计划”的重要内容和“奥运争光计划”的重要组成部分。在社会各界的热情支持下，经过广大残疾人、残疾工作者以及体育工作者的积极参与和共同努力，我国的残疾人体育运动工作取得了历史性的进展。残疾人运动员不能像健全人一样跳和转，下肢有永久性的功能障碍，所有参与者均需坐在灵敏度较高的轮椅上进行比赛，因此运动员所使用的轮椅的性能对于操作者来说就是非常重要的，轮椅在某种程度上就是运动员的“腿”，它的结构设计、所用材料及是否易于训练都区别于普通的轮椅并且具有较高的要求。市场上现有的运动轮椅具有一定的功能局限性，且造价高昂，制约了轮椅运动在广大残疾人群体中的普及，很大程度上影响了国家残疾人体育工作的开展。因此，本文通过对多功能运动轮椅进行人机工程学研究，设计一款适合轮椅运动的多功能运动轮椅。

1 人机工程学理论

人机工程学是从20世纪50年代开始迅速发展起来的一门新兴的边缘学科，它是以人的生理、心理特性为依据，运用系统工程的观点，分析研究人与机械、人与环境以及机械与环境之间的相互作用，为设计操作简便省力、安全舒适、人—机—环境的配合达到最佳状态的工程系统，提供理论和方法的科学。人机工程学是运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学及工程学等学科的研究方法和手段，综合地进行人体结构、功能、心理以及力学等问题研究的学科。它的研究内容和应用范围极其广泛，在各种产品设计、系统设计等设计阶段必须用系统的方法考虑人机工程学。

“人—机—环境”系统的思想是指导多功能运动轮椅总体设计的核心。在“人—机—环境”系统中，“人”是指运动员，对应为残疾人使用者；“机”对应为运动员操作控制的对象，即多功能运动轮椅，“环境”对应为影响运动员驾驶和乘坐行为的作业空间。多功能运动轮椅中的人机工程设计主要研究“人—多功能运动轮椅—环境”系统中的运动员、运动员操作控制的对象、作业空间三要素之间的相互作用和相互关系。

2 多功能运动轮椅的人机工程学研究

2.1 运动员坐姿的生理学特征

坐姿是轮椅运动员的主要工作姿势，运动员的不正确的坐姿或者不合理的座椅设计会使运动员容易产生疲劳，甚至会给身体造成无法恢复的永久损坏。坐姿驾驶状态下，与座椅设计合理程度直接相关的几个受影响人体部位为腿部、臀部、腰部以及颈部等。

2.1.1 腿部

影响腿部的因素主要有座面高度和座面前沿高度两项。座面过高时，腿部肌肉得不到充分放松，血流下沉，会造成腿部酸胀。座面前沿过高或者过于靠前会压迫大腿下侧的血管和神经，造成血流不畅和麻木感。

2.1.2 臀部

对于臀部的影响主要来自座面。平而硬的座面使压力集中在坐骨结节下面的臀部肌肉，时间长了会造成坐疮。太软的座面会使臀部陷的太深，使压力从最主要的支撑点坐骨结节转移到臀部四周的肌肉，造成肌肉的酸痛。

2.1.3 腰部

不良的坐姿对腰部的影响最大，会造成椎间盘突出和腰部肌肉劳损等疾病。腰部挺直的坐姿对脊椎骨十分有利。而腰部挺直的坐姿会造成腰部肌肉的疲劳。当躯干向前弯曲时，腰部肌肉比较松弛，但脊柱的弯曲会造成椎间盘内外压力不均匀，形成压力梯度，严重的会造成坐骨神经极度疼痛。比较有效的方法是使躯干交替的处于两种姿态，这对两者都有好处。

2.1.4 颈部

躯干过分前倾或是过分后倾会使头部的重心移出颈部的范围，加重了颈部肌肉的负担。除上述几点外，长时间保持坐姿会使腹部脂肪堆积，脏器功能下降，进而造成整个体制下降。经常改变姿态对人的各个部分都是有利的。

2.2 运动轮椅的作业空间设计分析

1）作业空间设计必须从人的要求出发，这是保证运动员安全、效率、舒适的最基本的原则。

2）运动员和操作部件的位置关系，应根据人体生物力学、人体解剖学和生理学的特性，遵循便于运动员迅速而有效地进行运动的原则，重要和常用的部件应布置在运动员最容易达到的位置。

3）将功能相互联系的装置布置在一起，以利于运动员进行操纵。操作区域应按运动员在操作过程中的使用顺序合理布置。

3 多功能运动轮椅的三维人体模型建立

针对运动轮椅在人机工程设计过程中，人坐在运动轮椅的座椅上，该空间能使作业空间保证大百分位的运动员的人体尺寸，座宽必须依据大身材人体尺寸进行设计。臀宽以女性群体尺一寸上限为设计依据：为使运动员能调整坐姿，座宽取适当大于臀宽。人体模型的体表形状是建立在上述人体运动简化模型基础之上的，并随着运动简化模型的运动而运动。除了直观上的视觉效果和空间干涉检查的作用外，对人体模型的运动情况不产生任何影响。在选择体表形状的表示方法时，逼真性和显示速度是两个主要的考虑方面。人体建模系统在多功能运动轮椅设计的特定CAD系统环境（CATIA环境）下被调用并显示出来时，调用与显示过程所占系统资源越小、所花时间越少，则越为有利。

CATIA软件提供三种显示方式的人体模型，分别用枝节、椭圆和人体体表形状表示人体模型，它必须能准确地反映有关人体参数的数据。基于这种特定工作环境与效率的需要，并结合实际人机工程评价的要求，本文对于多功能运动轮椅设计中的人体模型选择人体体表形状模型，这种三维人体模型可以进行直接视觉性的空间量和干涉检查。本文人机系统中的虚拟人注重运动特性，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。

4 多功能运动轮椅结构的优化设计

针对轮椅篮球、轮椅网球和轮椅乒乓球等轮椅运动的比赛要求和各类运动轮椅的功能要求，本项目在设计中基于人机工程学的理论，对目前市场上现有的一款国内某厂生产的篮球运动轮椅进行优化设计，方案如下：

1）轮轴倾斜方式的改进。采用两次弯曲的方法，减少应力集中，增加支撑强度。

2）人体重心位置改进设计。从设计学的观点，由于运动轮椅需要满足急拐、急停等动作，要求人体重心尽量靠近两轮中心轴，现有的轮椅重心太靠前，应进行必要的改进，并最好可以调整。

3）防撞圈改进设计。经过广泛调研及分析发现，现有的防撞圈有许多缺点，有些防撞圈直接和结构框架焊在一体，不利于减振；有些防撞圈则太小，不能起到保护轮椅使用者的作用；有些传统的很难保证大规模生产的要求，应该向简约化、系列化目标改进；有些防撞圈呈折线形状，在成型时出易出现应力集中，降低了碰撞强度。在新型运动轮椅的设计中，将防撞圈单独作为一个零件，与车体结构框架间增加缓振连接。同时按照人机工程学中的人体尺寸来设计防撞圈的尺寸，保证轮椅使用者的安全。在防撞圈形状设计上，尽量使形状简洁、流畅，增加过渡圆角，减小应力集中，提高碰撞强度。

根据上述改进方案，应用CATIA画图软件对多功能运动轮椅进行三维实体建模，如图1所示。

【参考文献】

[1]马笑玲.一种新型篮球运动轮椅的设计与分析[D].大连交通大学，2007.

[2]李爱萍.多功能轮椅的结构设计与研究[D].天津科技大学，2010.

[3]冯云龙.基于人机工程学的篮球轮椅设计[D].天津科技大学，2014.

[4]李霞.基于人机工程学的爬楼梯轮椅的设计[J].机械，2009.

[责任编辑：王楠]