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。1.2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！1.2.1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。1.2.2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1.3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。1.3.1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。1.3.2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2.1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。2.1.1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/mm836858870908947958979789809819855891901920坐姿颈椎点高/mm599615624657691701719563579587617648657675坐姿眼高/mm729749761798836847868678695704739773783803坐姿肩高/mm539557566598631641659504518526556585594609坐姿肘高/mm214228235263291298312201215223251277284299坐姿大腿厚/mm103112116130146151160107113117130146151160坐姿膝高/mm441456461493523532549410424431458485493507小腿加足高/mm372383389413439448463331342350382399405417坐深/mm407421429457486494510388401408433461469485臀膝距/mm499515524554585595613481495502529561570587坐姿下肢长/mm8929219379921046106310698268518659129609751005坐姿人体尺寸2.1.2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。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坐着的人与家具底面之间的靠近程度是否是关键尺寸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