网球轮椅的结构优化及人机分析
摘 要
中文摘要: 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。 轮椅网球是残疾人依靠手臂以车代步在网球场上进行比赛的一种特殊的体育项目，随着人类社会的进步，残疾人体育活动逐步受到重视，由于网球轮椅的运动特点，对于下肢肢残者可以通过网球轮椅进行适当的户外体育活动，网球轮椅越来越多的被残疾人使用，网球轮椅的安全性、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。将网球轮椅置“人—机—环境”系统中，按人机工程学原理进行设计。网球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，在网球轮椅的设计过程中要跟家注重“人—网球轮椅—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；网球轮椅；结构优化；安全；舒适
Wheelchair Tennis optimization and human-computer analysis of
structure
Abstract
英文摘要: The man-machine engineering is the scientific research methods and the achievement that use anthropometry、physiology、psychology and so on, apply human body characteristic, ability and active limit data to the design of mechanical system and the environment, enable the operator work safely, comfortable and efficiently. The man-machine engineering is a discipline which study and solve "the human - machine - environment" to make them unified and to make the man-machine system harmonious. Wheelchair tennis is to arm people with disabilities rely on cars to compete on the tennis court is a special sport, with the progress of human society, the disabled sports and gradually be taken seriously, due to the movement characteristics of wheelchair tennis for the physically disabled lower limb those who can make the appropriate outdoor tennis wheelchair sports, wheelchair tennis has been an increasing number of people with disabilities, tennis, wheelchair safety, efficiency being reckless, comfort and other ergonomic factors have been the designer more and more importance. Tennis wheelchair will be set "man - machine - environment" system, designed according to ergonomic principles. Wheelchair tennis in all aspects of the optimal design will directly affect the safety of persons with disabilities, health and comfort. In accordance with ergonomics in the "people-oriented" design philosophy, in the tennis wheelchair design process Yaogen family-oriented "person - Wheelchair Tennis - Environment" harmonization. And to focus on the importance of design
reflects the human. This theory, based on anthropometry, as well as improved human-machine structure design; the level of consumption for different levels and different groups of people with disabilities, through the human body percentile calculations. On the basis of the original structure, carried out a improved design. Enable persons with disabilities have a more comfortable sports and entertainment experience.
Key words: Ergonomics; Wheelchair Tennis; Optimization; safe; comfort;
目 录
摘 要 ................................................................................................................................................. I Abstract……………………………………………………………………………………………………………….II1 目录…………………………………………………………………………………………….….1-2
第一章 引 言 ................................................................................................................................. 3-7
1.1研究的背景 .................................................................................................................................. 4
1.2 本课题研究初衷………………………………………………………………………...4-7
1.2.1人机工程学意义和重要性 ......................................................................................... 4-5
1.2.2 国内外人机工程学设计发展和现状 ........................................................................ 5-6
1.2.3 本课题的来源和研究内容 ........................................................................................ 6-7
1.3 问题定义 ..................................................................................................................................... 7
1.3.1 结构的优化与分析 ....................................................................................................... 7
1.3.2 研究范围 ....................................................................................................................... 7
第二章 三维人体模型的建立 ................................................................................................. …8-12
2.1 建立人体模型的基础数据及处理 ............................................................................................. 8
2.1.1 所引用的主要人体测量数据 ................................................................................... .8-9
2.1.2 人体测量数据的应用原则 ......................................................................... ……….9-10
2.1.3 三维人体模型 ............................................................................................. ……...10-11
2.2坐姿的活动空间 ................................................................................................................... 11-12
第三章 网球轮椅的三维设计…………………………………………………………………13-18
3.1 网球轮椅设计中的人机工程学…………………………………………………………13
3.1.1 人机工程学的研究目的、内容……………………………………………………..13
3.2网球轮椅的设计原则和设计依据…………..…………………………………...........13-14
3.2.1 工作座椅的设计原则和设计要求………………………………………………13-14
3.3 网球轮椅运动员的坐姿舒适性及安全性……………………………………................14
3.4网球轮椅的结构优化………………………………………………………………....14-18
3.4.1 座椅系统…………………………………………………………………………14-16
3.4.2 驱动轮的布置……………………………………………………………………….16
3.4.3 舒适性设计……………………………………………………………………....16-17
3.4.4 网球轮椅三维实体造型…………………………………………………………….17
3.4.5 网球轮椅静态强度分析………………………………………………………....17-18
3.5不同消费等级的网球轮椅………………………………………………………………..18
第四章 网球轮椅设计中的人机工程评价…………………………………………………....19-20
4.1 网球轮椅设计中人机工程评价的主要内容…………………………………….....19-20
4.2 人机工程评价系统构成………………………………………………………………..20
第五章 结论……………………………………………………………………………………….21
5.1 结论……………………………………………………………………………………..21
5.2 结束语…………………………………………………………………………………..21
参考文献…………………………………………………………………………………………...22
致谢………………………………………………………………………………………………...23 附录……………………………………………………………………………………………..24-27
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。
北京残奥会完美谢幕，更让我们看到了这一预言的实现。
在残奥会上，许多残疾人运动员自强不息的精神永远留在我们的心中，同样给我们留下深刻印象的还有这些画面：和许多残疾人相依相伴的各式各样的轮椅，有篮球场上的篮球轮椅，有网球场上的网球轮椅，有跑道上的竞速轮椅……轮椅，为残奥会上的残疾运动员插上了梦想的翅膀，也让他们残缺的身躯照样能够在运动场上驰骋，在美丽的人生舞台上展现绚丽多姿的风采。有人说，轮椅不但是肢体残疾人士生活里的好“助手”，更成了他们在运动场上的忠实“伙伴”。
网球轮椅作为残疾人进行网球运动的一种辅具，它以人作为动力，与人有着十分密切的关系。在网球轮椅的设计与使用过程中，包含着大量的人机工程学问题。为了使网球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网球轮椅。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、安全可靠的网球轮椅。
1.2 本课题研究的初衷
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。从简单的轮椅到网球轮椅、篮球轮椅……不同的轮椅让残疾者感到了设计的人性化和美好。
在网球轮椅的使用过程中，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，本文在读网球轮椅原本结构的人机分析后，对其结构进行优化。让残疾运动员在使用过程中，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本课题的来源和研究内容
本课题来源于早期的网球轮椅设计。根据早期网球轮椅的设计，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。
在早期的网球轮椅设计中，网球轮椅一般由专业运动员使用，对其设计着重于追求功能、工作效率和工作的可靠性。现在，网球轮椅越来越多地由非专业的残疾人使用，网球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。将网球轮椅置“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网球轮椅的人机工程学设计问题，对于网球轮椅与人的“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。正因为网球轮椅的设计，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，本文是对网球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
网球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。从而使网球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
坐姿人体尺寸
2.1.2 人体测量数据的应用原则
人体测量数据的应用原则
2.13三维人体模型
如图3,模型设定为成年男子,其身高为17750mm ,体重为75kg
图3
2.2 坐姿的活动空间
根据坐姿活动空间的设计原则和设计要求来座椅的尺寸。如图4所示为坐姿活动空间的示意图。
图4
图中： 上身挺直机头向前倾的身体轮廓，为保持身体姿势而必须的平衡活动已考虑在
内；
… 从髋关节起上身向前、向侧弯曲的活动空间；
-.- 上身不动，自肩关节起手臂向上和向两侧的活动空间；
— 上身从髋关节起向前、向两侧活动时手臂自肩关节起向前和两侧的活动空间；
…。自髋关节、膝关节起腿的伸、曲活动空间。 -
第三章 网球轮椅的三维设计
3.1网球轮椅设计中的人机工程学
在早期的网球轮椅设计中，网球轮椅一般由专业运动员使用，对其设计着重于追求功能、
工作效率和工作的可靠性。现在，网球轮椅越来越多地由非专业的残疾人使用，网球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。
3.1.1人机工程学的研究目的、内容
人机工程学研究应包括理论和应用两个方面，但当今本学科研究的总趋势还是重于应用。
虽然人机工程学的研究内容和应用范围极其广泛，但本学科的根本研究方向却是通过揭示人、机、环境之间相互关系的规律，以达到确保人-机-环境系统总体性能的最优化。对工业设计而言，主要研究的内容主要有以下几个方面：
1、人体特性的研究
2、人机系统的总体设计
3、工作场所和信息传递装置的设计
4、环境控制与安全保护
3.2网球轮椅的设计原则和设计依据
网球轮椅的设计原则应满足工作座椅的设计要求和基本准则。并在此基础上还要更加注
意一些细节的设计，以满足使用者在使用过程中的安全性和舒适性。
3.2.1工作座椅的设计原则和设计要求
首先，它应满足坐姿生理学。包括脊柱结构；腰曲弧线和腰椎后突和前突；
其次，应满足坐姿生物力学。包括肌肉活动度；体压分布；股骨受力分析；和椎间盘受
力。
最后，应满足坐姿人体测量尺寸。
在设计时英充分考虑到坐垫的材料的柔软度和耐用以及透气性好和吸汗等特性。并在其
可调节部分的结构构造，必须易于调节，必须保证在轮椅使用过程中吧会改变已调节好的位置并不松动。在其各零件的外露部分不得有易于伤人的尖叫锐边，各部结构不得存在可能造成挤压、剪钳伤人的部位等。
3.3网球轮椅运动员的坐姿舒适性及安全性
根据人机工程学中的“以人为本”的设计原则，在设计过程中应充分考虑到人的感受和
使用过程中的坐姿舒适性。所以，在设计时首先应考虑人的坐姿舒适性。所以要根据座椅的设计准则和满足大多数人的人体尺度参数来标准的去设计网球轮椅。
图5
3.4 网球轮椅的结构优化
3.4．1 座椅系统
网球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，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。
（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GB10000－88 标准如表1、表2，按成人女子P
95
百分位数的臀部宽度，在设计中还要考虑衣服厚度和余量，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 mm~390 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，P95 百分位数应不超过446 mm。
表 1 男性18~55 岁主要尺寸
表2 女性18~55 岁主要尺寸
3.4.2 驱动轮的布置
在网球轮椅行驶过程中，网球轮椅的前进、后退和转弯是由操作驱动轮实现的，按人机
工程学的要求设计最有利、最不易疲劳的驱动轮布置。网球轮椅的驱动轮和骨架的布置从正面看成外八字型，
这样的设计扩大了网球轮椅的驱动轮与地面的接触面积，增进操作网球轮椅的稳定性，
在驱动网球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。
3.4.3 舒适性设计
网球轮椅的乘坐舒适性主要取决于座椅系统能否为使用者提供舒适的坐姿。舒适坐姿应
保证腰曲弧处于自然状态，腰背肌肉松弛，上体通向大腿的血管不受压迫，血液循环正常。 人体质量作用在座椅和靠背的压力分布称为体压分布，它和坐姿密切相关。根据人机工程学原理，最舒适的体压分布应保证人体的大部分质量以较大的支撑面积、较小的单位压力合理地分布到坐垫和靠背上，压力分布从小到大平滑过渡，无突变。
图 6 靠背体压分布图图 图7 座垫体压分布图
图 6 可以看出靠背上的体压分布应当是腰靠部位最高。所以设计座椅靠背时应保证腰靠
区能为人体提供舒适的支撑，以减轻腰部疲劳。
图 7 可以看出坐垫上的压力分布应是坐骨结节处最大，由此向外逐渐减小，直至与坐垫
前缘接触的大腿下平面压力最小。在设计坐垫时，应保证坐骨面的座面近似水平，使人体重
量的大部分集中在坐骨结节处，达到最佳体压分布，减轻臀部疲劳。
图8 靠背图 图9 座垫图
图 8 为设计的网球轮椅的座椅靠背形状，图9座垫图为设计的网球轮椅座椅坐垫形状，它们均采用合理的弧面，靠背符合人体背部曲线，坐垫符合人体臀部曲线，都符合体压分布，满足舒适性要求。
3.4.4 网球轮椅三维实体造型
PRO/ENGINEER 是由美国PTC 公司推出的三维CAD/CAM 软件系统，它具有它强大的造型功能，基于本文以上的设计，采用PRO/E 工程软件，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
3．4.5 网球轮椅静态强度分析
本文将PRO/E 软件造好的三维实体模型导入IDEAS 软件进行静态强度分析。对网球轮椅进行有限元网格划分，网球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，工况载荷计算
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[3]。
WE＝H－100＝177.5－100＝77.5（kg）
（2）下肢重量：根据美国、加拿大和欧洲男性坐姿各部分尺寸计算公式，可求得177.5 cm 身高的男性的小腿重量、大腿重量。
小腿重量：WL＝0.042×WE＝3.225（kg）
大腿重量：WB＝0.0946×WE＝7.332（kg）
（3）施加在脚架上载荷为
WF＝WL＋WB＝10.56（kg）
（4）施加在坐垫支架上表面载荷为
WC＝WE－WF＝77.5－10.56＝66.94（kg）
由应力云图7 可知，最大应力σbmax =280 MPa＜σb=375 MPa。最大应力在应力允许范围内。
3.5 不同消费等级的网球轮椅
由于使用者的收入不同，所以在网球轮椅的设计上也要分成不同的等级来适应不同人群的使用。主要在其使用的材质上分成不同的等级。结构不会改变。分为专业型、普通型和一般型。
通过分类，使不同收入的消费者都能接受和使用网球轮椅。感受运动带给他们的快乐以及体会生命的美好。
第四章 网球轮椅设计中的人机工程评价
4.1 网球轮椅设计中人机工程评价的主要内容
在人机工程分析与评价系统中,常用的人机评价方法有视域、力和扭矩分析、舒适度分析、姿势预测、可及范围、疲劳和恢复、手动操作局限分析、新陈代谢能量消耗、快速上肢评估、静态受力预测等。本文针对轮椅产品的特点,考虑到操作方便、舒适和省力等设计要素,主要实现了舒适度分析与评价、产品的容纳性、可及范围和姿势预测, 姿态分析等分析与评价算法。
( 1) 舒适度评价, 舒适度着重于作业环境对人的影响, 舒适度概念指人在坐势下的关节角度和关节灵活度。把人长时间在此姿势下能够接受,而且不会感到刺激和疲劳的区域定义为舒适的区域, 通过计算关节的角度是否在这个舒适的区域内, 则可以判断该部位是否处于舒适状态。
图11
通过对关节角度的分析动态进行舒适度评价如图11 所示, 从评价结果可以看出,前臂和手的舒适度感觉较差。所以要对驱动轮的位置做适当的调整并对驱动轮的外表做一定的设计使手接触的时候更加的舒适。
图12舒适性评价
( 2) 容纳和伸及的合格性
根据一般产品90%或95%适应域的设计需要, 选用90 或95 人体百分位,判定人体是否与产品发生干涉。在人体尺寸选择方面,如未指定评价人群的性别,人体尺寸默认值选用两性中的较大值。如男性的身高,女性的臀宽。当然,在最终尺寸的确定中,还需要考虑着装、躯干和上肢活动空间、心理空间等方面的修正量。伸及的合格性是指人体与产品“装配”定位后,手、足可否触及产品上特定部分,并实现预定操纵。。在人体百分位选用方面,根据一般产品的设计需要, 分别满足使用人群的90%或95%。
( 3) 静态受力分析, 人体在安全用力( 人体所能承受的力)状态下完成任务。这项分析按照标准的工作姿态进行分析, 确定可接受的初始力和可接受的最大持续力, 通过系统计算, 可得90%的人能承受的最大的推力为186.832N, 最大的持续力为97.864N。根据对比受力标准可以看出,长期操作会引起手臂的肌肉劳损。
4.2 人机工程评价系统构成
人机工程评价系统由实验法、模拟装置法和实际运行测定法构成。通过这些方法来对各种产品进行人机评价。
第五章 结论
5.1 结论
本文从人机工程学角度对网球轮椅进行了“以人为本”的合理的结构优化设计。进行了三维造型和静态强度分析，对网球轮椅的舒适性和安全性进行了分析比较，从中找到使使用者更加舒适的轮椅结构。结果表明本文设计的网球轮椅满足静态强度要求。网球轮椅作为一种残疾人进行网球运动的辅具，在不断的发展中，使残疾人享受到更多的舒适和安全。并更加清晰的体现出人机工程学中的“以人为本”的设计理念。为网球轮椅更好地为残疾人服务，全方位地考虑人机工程学的设计要求是十分有益和必要的。
5.2 结束语
人机工程学的产生与发展，使工业产品设计日益满足“人的因素”，从而为使用者创造一个舒适宜人以及安全的生活、学习环境。设计者若能充分掌握和运用人机工程学原理，无疑给产品带来无限生机。工业设计只有充分运用人机工程学原理, 才能使产品设计真正成为“为人”的设计。利用人类工效学原理来增强产品的设计是工业设计发展的必然。许多大汽车公司都已做出奥斯卡人体模型, 用模型可以检测座姿设计以及由眼睛的位置所能看到外界的种种状况, 以便设计出更符合人的需求的产品。
参考文献：
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[ 5 ] 郑午.人因工程设计[M].北京: 化学工业出版社,2006.
[ 6 ] 柴春雷.面向家电产品的人机工程分析和评价系统[J].计算机辅助设计
与图形学学报,2006.(1).
致谢
为期近一学期的人机工程学的课程早已结束，而再次基础上的人机工程学课程设计的论文写作也即将画上一个圆满的句号，在人机工程学的学习和论文写作的过程中，所有的知识的积累和升华，都得益于我的人机老师-刘云峰老师的悉心指导和匠心点拨。
他的每一次的授课中总是闪烁着智慧的火花，让我受益匪浅。并让我们这些青涩的学生们渐渐的找到了前进的信心和智慧。在此，谨向刘老师表示我最衷心地感谢和最诚挚的敬意。
附录
关于网球轮椅的市场调查问卷
轮椅调查问卷
您好,我是内蒙古科技大学工业设计专业的学生，希望您能抽出一点时间来帮忙做一下网球轮椅的调查问卷，以便我能结合您的意见来改进和完善我的设计。麻烦您能抽空填写完调查问卷并以附件的形式发送给我,我的邮箱是[email protected],再次对支持我们工作的同胞们表示诚挚的感谢!也祝您一切顺利,心想事成!
一、对于目前社会各界对残疾人事业所给予的关注和支持,您认为 ？
A 、足够 B、 不够 C、 远远不够
二、您对网球轮椅了解吗？
A 、非常了解 B、了解 C、知道，但不是很了解 D、 不了解
三、关于轮椅，一些消费者有顾虑，您认为这种担心有必要吗？请表态打“√”。 5很担心 4担心 3一般 2不担心 1很不担心
（1）用轮椅担心操作不便。 —— —— —— —— ——
（2）用轮椅担心经常出现故障。 —— —— —— —— ——
（3）担心价格太贵，买不起。 —— —— —— —— ——
（4）担心轮椅的安全性能不高。 —— —— —— —— ——
四、您认为以下一些因素，对您购买网球轮椅是否有影响？请表态打“√”。 5有影响 4比较有影响 3说不清 2有点影响 1没影响
（1）轮椅的安全性。 —— —— —— —— ——
（2）轮椅的操作方法。 —— —— —— —— ——
（3）轮椅的形状、重量。 —— —— —— —— ——
（4）轮椅的颜色、色彩。 —— —— —— —— ——
（5）价格高低（是否能够承受）。—— —— —— —— ——
（6）售后服务如何。 —— —— —— —— ——
（7）轮椅的结构。 —— —— —— —— ——
（8）轮椅的功能。 —— —— —— —— ——
五、您对网球轮椅功能、舒适性和安全性的要求，请表态打“√”。
5很重要 4重要 3一般 2不重要 1很不重要
（1）坐在轮椅上舒适。 —— —— —— —— ——
（2）可以躺在轮椅上休息。 —— —— —— —— ——
（3）轮椅靠背的角度可以调节。 —— —— —— —— ——
（4）轮椅座椅的高度可以调节。 —— —— —— —— ——
（5）刹车方便、灵敏。 —— —— —— —— ——
（6）方向容易控制。 —— —— —— —— ——
（7）操作起来方便省力。 —— —— —— —— ——
六、您对轮椅性能的要求，请表态打“√”。
5很重要 4重要 3一般 2不重要 1很不重要
（1）安全可靠。 —— —— —— —— ——
（2）轮椅操作方面，一学就会。 —— —— —— —— ——
（3）结构良好，不易损坏。 —— —— —— —— ——
七、您对网球轮椅形态的选择，
5喜欢 4比较喜欢 3无所谓 2不太喜欢 1不喜欢
（1）厚重、结实。 —— —— —— —— ——
（2）轻巧、灵便。 —— —— —— —— ——
（3）简约、大方。 —— —— —— —— ——
（4）现代、时尚。 —— —— —— —— ——
八、您对轮椅色彩的要求，
5同意 4比较同意 3无所谓 2不太同意 1不同意
（1）轮椅有几种颜色搭配。 —— —— —— —— ——
（2）轮椅使用一种颜色。 —— —— —— —— ——
（3）轮椅颜色明亮鲜艳。 —— —— —— —— ——
（4）轮椅颜色淡雅大方。 —— —— —— —— ——
九、你对网球轮椅材质的选择，
A、铸铁 B、钢管。 C、铝合金。 D、有机塑料。 E、碳钢 F、材料自选。
十、您购买轮椅可以接受的价格范围是多少？请表态选择。
A、800元以下 B、800～1500元 C、1500～2500元
D、2500～4000元 E、4000元以上
十一、您使用过网球轮椅或正在使用吗？
A、正在使用 B、使用过 C、没有用过
十二、您使用轮椅多长时间了：
A、半年以内 B、半年以上 C、一年以上 D、三年以上 F、未使用过
十三、您打算使用轮椅多长时间：
A、康复使用，视情况而定 B、长时间使用 C、轮椅和拐杖交替使用 D、以后考虑换假肢 E、如果有更好的产品可代替考虑换掉
非常感谢您的参与，再次祝您身体健康，一切顺心！
市场上的轮椅产品
网球轮椅的结构优化及人机分析
摘 要
中文摘要: 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。 轮椅网球是残疾人依靠手臂以车代步在网球场上进行比赛的一种特殊的体育项目，随着人类社会的进步，残疾人体育活动逐步受到重视，由于网球轮椅的运动特点，对于下肢肢残者可以通过网球轮椅进行适当的户外体育活动，网球轮椅越来越多的被残疾人使用，网球轮椅的安全性、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。将网球轮椅置“人—机—环境”系统中，按人机工程学原理进行设计。网球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，在网球轮椅的设计过程中要跟家注重“人—网球轮椅—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；网球轮椅；结构优化；安全；舒适
Wheelchair Tennis optimization and human-computer analysis of
structure
Abstract
英文摘要: The man-machine engineering is the scientific research methods and the achievement that use anthropometry、physiology、psychology and so on, apply human body characteristic, ability and active limit data to the design of mechanical system and the environment, enable the operator work safely, comfortable and efficiently. The man-machine engineering is a discipline which study and solve "the human - machine - environment" to make them unified and to make the man-machine system harmonious. Wheelchair tennis is to arm people with disabilities rely on cars to compete on the tennis court is a special sport, with the progress of human society, the disabled sports and gradually be taken seriously, due to the movement characteristics of wheelchair tennis for the physically disabled lower limb those who can make the appropriate outdoor tennis wheelchair sports, wheelchair tennis has been an increasing number of people with disabilities, tennis, wheelchair safety, efficiency being reckless, comfort and other ergonomic factors have been the designer more and more importance. Tennis wheelchair will be set "man - machine - environment" system, designed according to ergonomic principles. Wheelchair tennis in all aspects of the optimal design will directly affect the safety of persons with disabilities, health and comfort. In accordance with ergonomics in the "people-oriented" design philosophy, in the tennis wheelchair design process Yaogen family-oriented "person - Wheelchair Tennis - Environment" harmonization. And to focus on the importance of design
reflects the human. This theory, based on anthropometry, as well as improved human-machine structure design; the level of consumption for different levels and different groups of people with disabilities, through the human body percentile calculations. On the basis of the original structure, carried out a improved design. Enable persons with disabilities have a more comfortable sports and entertainment experience.
Key words: Ergonomics; Wheelchair Tennis; Optimization; safe; comfort;
目 录
摘 要 ................................................................................................................................................. I Abstract……………………………………………………………………………………………………………….II1 目录…………………………………………………………………………………………….….1-2
第一章 引 言 ................................................................................................................................. 3-7
1.1研究的背景 .................................................................................................................................. 4
1.2 本课题研究初衷………………………………………………………………………...4-7
1.2.1人机工程学意义和重要性 ......................................................................................... 4-5
1.2.2 国内外人机工程学设计发展和现状 ........................................................................ 5-6
1.2.3 本课题的来源和研究内容 ........................................................................................ 6-7
1.3 问题定义 ..................................................................................................................................... 7
1.3.1 结构的优化与分析 ....................................................................................................... 7
1.3.2 研究范围 ....................................................................................................................... 7
第二章 三维人体模型的建立 ................................................................................................. …8-12
2.1 建立人体模型的基础数据及处理 ............................................................................................. 8
2.1.1 所引用的主要人体测量数据 ................................................................................... .8-9
2.1.2 人体测量数据的应用原则 ......................................................................... ……….9-10
2.1.3 三维人体模型 ............................................................................................. ……...10-11
2.2坐姿的活动空间 ................................................................................................................... 11-12
第三章 网球轮椅的三维设计…………………………………………………………………13-18
3.1 网球轮椅设计中的人机工程学…………………………………………………………13
3.1.1 人机工程学的研究目的、内容……………………………………………………..13
3.2网球轮椅的设计原则和设计依据…………..…………………………………...........13-14
3.2.1 工作座椅的设计原则和设计要求………………………………………………13-14
3.3 网球轮椅运动员的坐姿舒适性及安全性……………………………………................14
3.4网球轮椅的结构优化………………………………………………………………....14-18
3.4.1 座椅系统…………………………………………………………………………14-16
3.4.2 驱动轮的布置……………………………………………………………………….16
3.4.3 舒适性设计……………………………………………………………………....16-17
3.4.4 网球轮椅三维实体造型…………………………………………………………….17
3.4.5 网球轮椅静态强度分析………………………………………………………....17-18
3.5不同消费等级的网球轮椅………………………………………………………………..18
第四章 网球轮椅设计中的人机工程评价…………………………………………………....19-20
4.1 网球轮椅设计中人机工程评价的主要内容…………………………………….....19-20
4.2 人机工程评价系统构成………………………………………………………………..20
第五章 结论……………………………………………………………………………………….21
5.1 结论……………………………………………………………………………………..21
5.2 结束语…………………………………………………………………………………..21
参考文献…………………………………………………………………………………………...22
致谢………………………………………………………………………………………………...23 附录……………………………………………………………………………………………..24-27
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。
北京残奥会完美谢幕，更让我们看到了这一预言的实现。
在残奥会上，许多残疾人运动员自强不息的精神永远留在我们的心中，同样给我们留下深刻印象的还有这些画面：和许多残疾人相依相伴的各式各样的轮椅，有篮球场上的篮球轮椅，有网球场上的网球轮椅，有跑道上的竞速轮椅……轮椅，为残奥会上的残疾运动员插上了梦想的翅膀，也让他们残缺的身躯照样能够在运动场上驰骋，在美丽的人生舞台上展现绚丽多姿的风采。有人说，轮椅不但是肢体残疾人士生活里的好“助手”，更成了他们在运动场上的忠实“伙伴”。
网球轮椅作为残疾人进行网球运动的一种辅具，它以人作为动力，与人有着十分密切的关系。在网球轮椅的设计与使用过程中，包含着大量的人机工程学问题。为了使网球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网球轮椅。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、安全可靠的网球轮椅。
1.2 本课题研究的初衷
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。从简单的轮椅到网球轮椅、篮球轮椅……不同的轮椅让残疾者感到了设计的人性化和美好。
在网球轮椅的使用过程中，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，本文在读网球轮椅原本结构的人机分析后，对其结构进行优化。让残疾运动员在使用过程中，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本课题的来源和研究内容
本课题来源于早期的网球轮椅设计。根据早期网球轮椅的设计，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。
在早期的网球轮椅设计中，网球轮椅一般由专业运动员使用，对其设计着重于追求功能、工作效率和工作的可靠性。现在，网球轮椅越来越多地由非专业的残疾人使用，网球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。将网球轮椅置“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网球轮椅的人机工程学设计问题，对于网球轮椅与人的“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。正因为网球轮椅的设计，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，本文是对网球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
网球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。从而使网球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
坐姿人体尺寸
2.1.2 人体测量数据的应用原则
人体测量数据的应用原则
2.13三维人体模型
如图3,模型设定为成年男子,其身高为17750mm ,体重为75kg
图3
2.2 坐姿的活动空间
根据坐姿活动空间的设计原则和设计要求来座椅的尺寸。如图4所示为坐姿活动空间的示意图。
图4
图中： 上身挺直机头向前倾的身体轮廓，为保持身体姿势而必须的平衡活动已考虑在
内；
… 从髋关节起上身向前、向侧弯曲的活动空间；
-.- 上身不动，自肩关节起手臂向上和向两侧的活动空间；
— 上身从髋关节起向前、向两侧活动时手臂自肩关节起向前和两侧的活动空间；
…。自髋关节、膝关节起腿的伸、曲活动空间。 -
第三章 网球轮椅的三维设计
3.1网球轮椅设计中的人机工程学
在早期的网球轮椅设计中，网球轮椅一般由专业运动员使用，对其设计着重于追求功能、
工作效率和工作的可靠性。现在，网球轮椅越来越多地由非专业的残疾人使用，网球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。
3.1.1人机工程学的研究目的、内容
人机工程学研究应包括理论和应用两个方面，但当今本学科研究的总趋势还是重于应用。
虽然人机工程学的研究内容和应用范围极其广泛，但本学科的根本研究方向却是通过揭示人、机、环境之间相互关系的规律，以达到确保人-机-环境系统总体性能的最优化。对工业设计而言，主要研究的内容主要有以下几个方面：
1、人体特性的研究
2、人机系统的总体设计
3、工作场所和信息传递装置的设计
4、环境控制与安全保护
3.2网球轮椅的设计原则和设计依据
网球轮椅的设计原则应满足工作座椅的设计要求和基本准则。并在此基础上还要更加注
意一些细节的设计，以满足使用者在使用过程中的安全性和舒适性。
3.2.1工作座椅的设计原则和设计要求
首先，它应满足坐姿生理学。包括脊柱结构；腰曲弧线和腰椎后突和前突；
其次，应满足坐姿生物力学。包括肌肉活动度；体压分布；股骨受力分析；和椎间盘受
力。
最后，应满足坐姿人体测量尺寸。
在设计时英充分考虑到坐垫的材料的柔软度和耐用以及透气性好和吸汗等特性。并在其
可调节部分的结构构造，必须易于调节，必须保证在轮椅使用过程中吧会改变已调节好的位置并不松动。在其各零件的外露部分不得有易于伤人的尖叫锐边，各部结构不得存在可能造成挤压、剪钳伤人的部位等。
3.3网球轮椅运动员的坐姿舒适性及安全性
根据人机工程学中的“以人为本”的设计原则，在设计过程中应充分考虑到人的感受和
使用过程中的坐姿舒适性。所以，在设计时首先应考虑人的坐姿舒适性。所以要根据座椅的设计准则和满足大多数人的人体尺度参数来标准的去设计网球轮椅。
图5
3.4 网球轮椅的结构优化
3.4．1 座椅系统
网球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，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。
（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GB10000－88 标准如表1、表2，按成人女子P
95
百分位数的臀部宽度，在设计中还要考虑衣服厚度和余量，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 mm~390 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，P95 百分位数应不超过446 mm。
表 1 男性18~55 岁主要尺寸
表2 女性18~55 岁主要尺寸
3.4.2 驱动轮的布置
在网球轮椅行驶过程中，网球轮椅的前进、后退和转弯是由操作驱动轮实现的，按人机
工程学的要求设计最有利、最不易疲劳的驱动轮布置。网球轮椅的驱动轮和骨架的布置从正面看成外八字型，
这样的设计扩大了网球轮椅的驱动轮与地面的接触面积，增进操作网球轮椅的稳定性，
在驱动网球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。
3.4.3 舒适性设计
网球轮椅的乘坐舒适性主要取决于座椅系统能否为使用者提供舒适的坐姿。舒适坐姿应
保证腰曲弧处于自然状态，腰背肌肉松弛，上体通向大腿的血管不受压迫，血液循环正常。 人体质量作用在座椅和靠背的压力分布称为体压分布，它和坐姿密切相关。根据人机工程学原理，最舒适的体压分布应保证人体的大部分质量以较大的支撑面积、较小的单位压力合理地分布到坐垫和靠背上，压力分布从小到大平滑过渡，无突变。
图 6 靠背体压分布图图 图7 座垫体压分布图
图 6 可以看出靠背上的体压分布应当是腰靠部位最高。所以设计座椅靠背时应保证腰靠
区能为人体提供舒适的支撑，以减轻腰部疲劳。
图 7 可以看出坐垫上的压力分布应是坐骨结节处最大，由此向外逐渐减小，直至与坐垫
前缘接触的大腿下平面压力最小。在设计坐垫时，应保证坐骨面的座面近似水平，使人体重
量的大部分集中在坐骨结节处，达到最佳体压分布，减轻臀部疲劳。
图8 靠背图 图9 座垫图
图 8 为设计的网球轮椅的座椅靠背形状，图9座垫图为设计的网球轮椅座椅坐垫形状，它们均采用合理的弧面，靠背符合人体背部曲线，坐垫符合人体臀部曲线，都符合体压分布，满足舒适性要求。
3.4.4 网球轮椅三维实体造型
PRO/ENGINEER 是由美国PTC 公司推出的三维CAD/CAM 软件系统，它具有它强大的造型功能，基于本文以上的设计，采用PRO/E 工程软件，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
3．4.5 网球轮椅静态强度分析
本文将PRO/E 软件造好的三维实体模型导入IDEAS 软件进行静态强度分析。对网球轮椅进行有限元网格划分，网球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，工况载荷计算
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[3]。
WE＝H－100＝177.5－100＝77.5（kg）
（2）下肢重量：根据美国、加拿大和欧洲男性坐姿各部分尺寸计算公式，可求得177.5 cm 身高的男性的小腿重量、大腿重量。
小腿重量：WL＝0.042×WE＝3.225（kg）
大腿重量：WB＝0.0946×WE＝7.332（kg）
（3）施加在脚架上载荷为
WF＝WL＋WB＝10.56（kg）
（4）施加在坐垫支架上表面载荷为
WC＝WE－WF＝77.5－10.56＝66.94（kg）
由应力云图7 可知，最大应力σbmax =280 MPa＜σb=375 MPa。最大应力在应力允许范围内。
3.5 不同消费等级的网球轮椅
由于使用者的收入不同，所以在网球轮椅的设计上也要分成不同的等级来适应不同人群的使用。主要在其使用的材质上分成不同的等级。结构不会改变。分为专业型、普通型和一般型。
通过分类，使不同收入的消费者都能接受和使用网球轮椅。感受运动带给他们的快乐以及体会生命的美好。
第四章 网球轮椅设计中的人机工程评价
4.1 网球轮椅设计中人机工程评价的主要内容
在人机工程分析与评价系统中,常用的人机评价方法有视域、力和扭矩分析、舒适度分析、姿势预测、可及范围、疲劳和恢复、手动操作局限分析、新陈代谢能量消耗、快速上肢评估、静态受力预测等。本文针对轮椅产品的特点,考虑到操作方便、舒适和省力等设计要素,主要实现了舒适度分析与评价、产品的容纳性、可及范围和姿势预测, 姿态分析等分析与评价算法。
( 1) 舒适度评价, 舒适度着重于作业环境对人的影响, 舒适度概念指人在坐势下的关节角度和关节灵活度。把人长时间在此姿势下能够接受,而且不会感到刺激和疲劳的区域定义为舒适的区域, 通过计算关节的角度是否在这个舒适的区域内, 则可以判断该部位是否处于舒适状态。
图11
通过对关节角度的分析动态进行舒适度评价如图11 所示, 从评价结果可以看出,前臂和手的舒适度感觉较差。所以要对驱动轮的位置做适当的调整并对驱动轮的外表做一定的设计使手接触的时候更加的舒适。
图12舒适性评价
( 2) 容纳和伸及的合格性
根据一般产品90%或95%适应域的设计需要, 选用90 或95 人体百分位,判定人体是否与产品发生干涉。在人体尺寸选择方面,如未指定评价人群的性别,人体尺寸默认值选用两性中的较大值。如男性的身高,女性的臀宽。当然,在最终尺寸的确定中,还需要考虑着装、躯干和上肢活动空间、心理空间等方面的修正量。伸及的合格性是指人体与产品“装配”定位后,手、足可否触及产品上特定部分,并实现预定操纵。。在人体百分位选用方面,根据一般产品的设计需要, 分别满足使用人群的90%或95%。
( 3) 静态受力分析, 人体在安全用力( 人体所能承受的力)状态下完成任务。这项分析按照标准的工作姿态进行分析, 确定可接受的初始力和可接受的最大持续力, 通过系统计算, 可得90%的人能承受的最大的推力为186.832N, 最大的持续力为97.864N。根据对比受力标准可以看出,长期操作会引起手臂的肌肉劳损。
4.2 人机工程评价系统构成
人机工程评价系统由实验法、模拟装置法和实际运行测定法构成。通过这些方法来对各种产品进行人机评价。
第五章 结论
5.1 结论
本文从人机工程学角度对网球轮椅进行了“以人为本”的合理的结构优化设计。进行了三维造型和静态强度分析，对网球轮椅的舒适性和安全性进行了分析比较，从中找到使使用者更加舒适的轮椅结构。结果表明本文设计的网球轮椅满足静态强度要求。网球轮椅作为一种残疾人进行网球运动的辅具，在不断的发展中，使残疾人享受到更多的舒适和安全。并更加清晰的体现出人机工程学中的“以人为本”的设计理念。为网球轮椅更好地为残疾人服务，全方位地考虑人机工程学的设计要求是十分有益和必要的。
5.2 结束语
人机工程学的产生与发展，使工业产品设计日益满足“人的因素”，从而为使用者创造一个舒适宜人以及安全的生活、学习环境。设计者若能充分掌握和运用人机工程学原理，无疑给产品带来无限生机。工业设计只有充分运用人机工程学原理, 才能使产品设计真正成为“为人”的设计。利用人类工效学原理来增强产品的设计是工业设计发展的必然。许多大汽车公司都已做出奥斯卡人体模型, 用模型可以检测座姿设计以及由眼睛的位置所能看到外界的种种状况, 以便设计出更符合人的需求的产品。
参考文献：
[ 1 ] 丁玉兰. 人机工程学[M ]. 北京:北京理工大学出版社, 19911
[ 2 ] 严扬. 人机工程学[M ]. 北京:北京理工大学出版社, 19981
[ 3 ] 阮宝湘. 工业设计人机工程[M]. 北京：机械出版社，2005
[ 4 ] 叶彪. 客车乘客座椅的乘坐舒适性[J]. 客车技术与研究，2003
[ 5 ] 郑午.人因工程设计[M].北京: 化学工业出版社,2006.
[ 6 ] 柴春雷.面向家电产品的人机工程分析和评价系统[J].计算机辅助设计
与图形学学报,2006.(1).
致谢
为期近一学期的人机工程学的课程早已结束，而再次基础上的人机工程学课程设计的论文写作也即将画上一个圆满的句号，在人机工程学的学习和论文写作的过程中，所有的知识的积累和升华，都得益于我的人机老师-刘云峰老师的悉心指导和匠心点拨。
他的每一次的授课中总是闪烁着智慧的火花，让我受益匪浅。并让我们这些青涩的学生们渐渐的找到了前进的信心和智慧。在此，谨向刘老师表示我最衷心地感谢和最诚挚的敬意。
附录
关于网球轮椅的市场调查问卷
轮椅调查问卷
您好,我是内蒙古科技大学工业设计专业的学生，希望您能抽出一点时间来帮忙做一下网球轮椅的调查问卷，以便我能结合您的意见来改进和完善我的设计。麻烦您能抽空填写完调查问卷并以附件的形式发送给我,我的邮箱是[email protected],再次对支持我们工作的同胞们表示诚挚的感谢!也祝您一切顺利,心想事成!
一、对于目前社会各界对残疾人事业所给予的关注和支持,您认为 ？
A 、足够 B、 不够 C、 远远不够
二、您对网球轮椅了解吗？
A 、非常了解 B、了解 C、知道，但不是很了解 D、 不了解
三、关于轮椅，一些消费者有顾虑，您认为这种担心有必要吗？请表态打“√”。 5很担心 4担心 3一般 2不担心 1很不担心
（1）用轮椅担心操作不便。 —— —— —— —— ——
（2）用轮椅担心经常出现故障。 —— —— —— —— ——
（3）担心价格太贵，买不起。 —— —— —— —— ——
（4）担心轮椅的安全性能不高。 —— —— —— —— ——
四、您认为以下一些因素，对您购买网球轮椅是否有影响？请表态打“√”。 5有影响 4比较有影响 3说不清 2有点影响 1没影响
（1）轮椅的安全性。 —— —— —— —— ——
（2）轮椅的操作方法。 —— —— —— —— ——
（3）轮椅的形状、重量。 —— —— —— —— ——
（4）轮椅的颜色、色彩。 —— —— —— —— ——
（5）价格高低（是否能够承受）。—— —— —— —— ——
（6）售后服务如何。 —— —— —— —— ——
（7）轮椅的结构。 —— —— —— —— ——
（8）轮椅的功能。 —— —— —— —— ——
五、您对网球轮椅功能、舒适性和安全性的要求，请表态打“√”。
5很重要 4重要 3一般 2不重要 1很不重要
（1）坐在轮椅上舒适。 —— —— —— —— ——
（2）可以躺在轮椅上休息。 —— —— —— —— ——
（3）轮椅靠背的角度可以调节。 —— —— —— —— ——
（4）轮椅座椅的高度可以调节。 —— —— —— —— ——
（5）刹车方便、灵敏。 —— —— —— —— ——
（6）方向容易控制。 —— —— —— —— ——
（7）操作起来方便省力。 —— —— —— —— ——
六、您对轮椅性能的要求，请表态打“√”。
5很重要 4重要 3一般 2不重要 1很不重要
（1）安全可靠。 —— —— —— —— ——
（2）轮椅操作方面，一学就会。 —— —— —— —— ——
（3）结构良好，不易损坏。 —— —— —— —— ——
七、您对网球轮椅形态的选择，
5喜欢 4比较喜欢 3无所谓 2不太喜欢 1不喜欢
（1）厚重、结实。 —— —— —— —— ——
（2）轻巧、灵便。 —— —— —— —— ——
（3）简约、大方。 —— —— —— —— ——
（4）现代、时尚。 —— —— —— —— ——
八、您对轮椅色彩的要求，
5同意 4比较同意 3无所谓 2不太同意 1不同意
（1）轮椅有几种颜色搭配。 —— —— —— —— ——
（2）轮椅使用一种颜色。 —— —— —— —— ——
（3）轮椅颜色明亮鲜艳。 —— —— —— —— ——
（4）轮椅颜色淡雅大方。 —— —— —— —— ——
九、你对网球轮椅材质的选择，
A、铸铁 B、钢管。 C、铝合金。 D、有机塑料。 E、碳钢 F、材料自选。
十、您购买轮椅可以接受的价格范围是多少？请表态选择。
A、800元以下 B、800～1500元 C、1500～2500元
D、2500～4000元 E、4000元以上
十一、您使用过网球轮椅或正在使用吗？
A、正在使用 B、使用过 C、没有用过
十二、您使用轮椅多长时间了：
A、半年以内 B、半年以上 C、一年以上 D、三年以上 F、未使用过
十三、您打算使用轮椅多长时间：
A、康复使用，视情况而定 B、长时间使用 C、轮椅和拐杖交替使用 D、以后考虑换假肢 E、如果有更好的产品可代替考虑换掉
非常感谢您的参与，再次祝您身体健康，一切顺心！
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