基于数字人机技术的老年肢体残障者轮椅可用性研究

    张静　王秋惠

    

    

    摘要：

    文章运用数字人机技术（ANYBODY软件）将人体模型和轮椅模型相结合进行模拟仿真实验并进行逆向动力学分析，分别改变轮椅大轮与手推轮之间的距离（0.05m、0 07m和0.09m）进行实验，根据实验数据选取人体躯干肌肉最大活跃度和手臂肱二头肌肌肉力两项数据，比较改变距离时两者的变化。结果证明在手与大轮不摩擦的前提下大轮与手推轮之间的距离较小时（0.05m），乘坐人能够更加舒适和省力。

    关键词：

    数字人机技术 轮椅 仿真 可用性

    引言

    早在1999年，我国就提前进入老龄化社会，2015年以后我国将进入人口老龄化迅速发展的时期，预测显示，到2020年，我国60岁及以上老年人口比重超过17%，人口总量达到2.48亿。与此同时，由于老年人普遍存在高血压、高血脂、高血糖等体征表现，容易遭遇跌倒、骨折、关节脱臼等危险，可能会导致下肢肌力衰退甚至瘫痪。当老年人存在这些疾病时往往需要轮椅为老年人代步以此提高老年人的流动性和独立性。因此现在社会对轮椅的需求也不断增加，人们对轮椅的品质和舒适性有了更高的要求。以轮椅为代表的助残设备对患者身心的康复、生活品质的提高具有重要意义，并在生活中占据重要的位置。

    市面上现有的轮椅分为手动轮椅和电动轮椅，占较大比重的为手动轮椅。手动轮椅由轮椅架、车轮、刹车装置及座靠四部分组成。而车轮部分又由轮胎、轮毂、大轮和手推轮四部分组成。本文通过数字人机技术（ANYBODY软件）对轮椅的车轮部件进行重点分析，分析大轮与手推轮之间的距离与老年人运行轮椅时手臂产生的肌肉变化是否有一定的联系，以确定大轮与手推轮之间的最佳距离，使老年人在乘坐轮椅时得到最舒适的体验。

    ANYBODY软件是一款人体建模仿真软件，其关键技术在于应用逆向动力学方法求解人体运动，并获取人体运动中各个肌肉的力学和运动学参数。数字人体模型的构造是一个系统工程，涉及人体测量学、生物力学、统计学、计算机图形学、计算几何以及专业科学等多学科、多领域的理论和技术。ANYBODY程序能够计算人体模型各肌肉和关节的受力、变形、肌腱的弹性能、反抗肌肉运动和其他对于工作中的人体的特性，并且有系统的人体模型库，这些模型库中的人体模型都是在严谨的人体解剖学的基础上建立的，经过了实际的人体测验，对其进行逆向动力学分析产生的数据真实可靠。ANYBODY软件是高效的，基于产品优化的一款软件，相对于迄今存在的任何其他软件技术来说可以处理更庞大的和更复杂的人体模型。

    1.运用数字人机技术软件进行人体建模

    首先导入模型库中基本人体站立姿势的模型，然后对其各个关节的角度进行调节，以符合人们在使用轮椅时的普遍姿势。由于本文主要分析肢体残障的乘坐者在坐姿状态下手臂的运动，因此去掉人体模型中腰部以下的部位使分析过程更加便捷和迅速。首先对模拟实验的数值进行定义，轮椅的基本尺寸和乘坐者的初始姿势具体设置如下：座椅高度为0.17m，大轮半径为0.30m，手推轮半径0.27m，大轮到手推轮的距离为0.05m，向前推进的速度为1m/s，轮椅的重量为2.SKG；乘坐者端坐在轮椅上，背部倾斜10°，双肘弯曲与竖直地面呈87°夹角，双手放在轮椅的手推轮上。如图1模拟乘坐者的初始姿势。

    2.模拟过程及结果

    对模拟轮椅的大轮与手推轮之间的距离进行调整，距离分别为0.05m，0.07m和0.09m，然后根据改变的距离对模拟乘坐者手臂的位置与角度进行相应的调整，模仿乘坐者在运行轮椅时的姿态。为了对轮椅活动进行全面的分析，分析主要集中在两个方面：一是乘坐者躯干肌肉的最大活跃度；二是手臂肱二头肌的反应力。乘坐者躯干肌肉的最大活跃度体现了全身肌肉的使用程度；而乘坐者在推进轮椅时主要进行肘部屈伸的运动，此时肱二头肌承担大部分的肌肉活动，有较明显的肌电变化。这两点的分析可以从整体和部分上对手臂的肌肉变化有一个较全面的认识，使分析的结果更加准确。

    2.1当大轮与手推轮的距离为0.05m时

    此时不用对乘坐者的姿势做任何调整，在初始姿势下运行程序后进行逆向动力学分析。结果发现乘坐者躯干最大活跃度没有显著变化，从13%下降到11%。肱二头肌的肌肉反应力从16N下降到2N后回升到6N（如图2、图3）。

    2.2当大轮与手推轮的距离为0.07m时

    此时需要对乘坐者的姿势做调整，调整其手臂的角度以适应距离的改变，而后进行逆向动力学分析。结果发现乘坐者躯干最大活跃度没有显著变化，从31%下降到18%。肱二头肌的肌肉反应力从17N下降到2N后回升到5N。（如图2、图3）

    2.3当大轮与手推轮的距离为0.09m时

    此时需要对乘坐者的姿势做调整，调整其手臂的角度以适应距离的改变，而后进行逆向动力学分析。结果发现乘坐者躯干最大活跃度没有显著变化，从34%下降到16%。肱二头肌的肌肉反应力从19N下降到ON后回升到4N（如图2、图3）。

    3.分析与讨论

    （1）在人体躯干最大活跃度方面，对大轮与手推轮的距离分别为0.05m、0.07m和0.09m时进行比较，可以发现距离为0.05m时与0.07m和0.09m时的数据有显著的不同；而当距离为0.07m和0.09m时区别不大。数据可得当大轮与手推轮的距离为0.07m和0.09m时乘坐者在推动轮椅时的躯干最大活跃程度较大，为躯干最大活动程度的31%和34%；而在距离为0.05m的初始姿势时乘坐者躯干最大活跃程度较小，为13%，两者有明显的差距。说明当大轮与手推轮的距离越大，乘坐者的躯干最大肌肉活跃性越强，需要更多的力去维持轮椅前进的活动（如图2）。

    （2）在手臂肱二头肌方面，对大轮与手推轮的距离分别为0 05m、0.07m和0.09m时的数据进行比较，发现在0.05m和0.07m时曲线变化情况基本类似，但是在运动开始时0.07m比0.05m的肌肉力要高。而0.09m时的曲线变化与0.05m和0.07m的不同，运动开始时肌肉力比o.06m和0.07m时的都要高，且出现肌肉力为0的情况，此时肱二头肌没有处于激活状态。说明在进行轮椅推进的活动中，当大轮与手推轮的距离相差不大时（大于0.05m小于0.07m）肱二头肌的肌肉反应力变化不大，手臂的用力程度基本相同；而在大轮与手推轮的距离增大至0.09m之后，肱二头肌的肌肉肌肉反应力先快速下降至0再稳步回升，此时手臂可能会出现用不上力的情况，可能影响乘坐者对轮椅的控制（如图3）。

    4.结论

    通过人体躯干肌肉最大活跃度和手臂肱二头肌的肌肉力分析得出，在轮椅运行开始时，人体躯干肌肉最大活跃度和手臂肱二头肌的肌肉力与大轮和手推轮之间的距离表现出明显的正相关关系，也就是随着距离的增加而增大。而在轮椅运行过程中当大轮与手推轮之间的距离不断增大时，人体的整个躯干的肌肉活跃度随之不断提升；而手臂肱二头肌的肌肉力随着距离的增大而减小，变化幅度不大，且会出现瞬时数值为0的状况，也就是手臂用不上力的状态。综合所有数据分析，轮椅大轮和手推轮之间的最佳距离为0.05m。在这个距离下乘坐者的躯干肌肉和手臂肌肉都处于较轻松的状态，乘坐者可以更高效更舒适地完成轮椅前进的运动。本文的研究对轮椅的设计具有一定的借鉴作用，为轮椅的手推轮部位的设计提供了一个比较准确的数据参照，比较直观地展示乘坐者使用轮椅时躯干和手臂的力量消耗，给乘坐轮椅者提供更舒适的轮椅体验。

    基金项目：1、天津艺术科学规划项目“天津老年公共文化设施发展模式与构建体系研究”（E12046）。2、天津工业大学研究生教育创新计划项目（15121）