基于Jack的老年电动代步车人机工程设计与优化.pdf
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1、第45卷第4期2024年2 月包装工程PACKAGING ENGINEERING107基于Jack的老年电动代步车人机工程设计与优化朱桐,宋端树*,张善超,白道靖,刘立(江苏师范大学,江苏徐州2 2 1 1 1 6)摘要:目的满足行动不便的老年用户群体复杂的出行需求,提高电动代步车类工具使用过程中的舒适度。方法在传统老年电动代步车的基础上附加辅助站立结构,创新设计出一款坐、立两用的新型电动代步车,并借助Jack仿真软件,对老年用户坐姿驾驶和辅助站立支撑状态下的舒适度、可达域、可视域,以及上车过程中L4/L5下背部的受力情况进行分析,以验证关键人机交互结构、尺寸设计的合理性及舒适性。结论通过验证
2、和调整,对电动代步车的初期设计方案进行改进,优化后的方案为老年电动代步工具的设计提供了参考,可以为满足老年用户复杂的出行需求、提高电动代步车类工具使用过程中的舒适度和安全性提供帮助。关键词:工业设计;人机工程学;老年代步车;Jack中图分类号:TB472文献标志码:AD0I:10.19554/ki.1001-3563.2024.04.011文章编号:1 0 0 1-356 3(2 0 2 4)0 4-0 1 0 7-0 8Structural Design and Layout Optimization ofElectric Scooter Based on JackZHU Tong,SONG
3、 Duanshu,ZHANG Shanchao,BAI Daojing,LIU Li(Jiangsu Normal University,Jiangsu Xuzhou 221116,China)ABSTRACT:The work aims to meet the complex travel needs of elderly users with limited mobility and improve thecomfort of electric scooter tools during use.On the basis of traditional electric scooters fo
4、r the elderly,an auxiliarystanding structure was added to innovate in the design of a new type of electric scooter that could be used for both sittingand standing.With the help of Jack simulation software,the comfort,accessibility,and visibility of elderly users in sittingand auxiliary standing supp
5、ort states,as well as the stress on the lower back of L4/L5 during the boarding process,wereanalyzed to verify the rationality and comfort of key human-machine interaction structures and size designs.Throughverification and adjustment,the initial design scheme of electric scooters has been improved.
6、The optimized scheme pro-vides a reference for the design of electric scooters for the elderly,which can meet the complex travel needs of elderlyusers and improve the comfort and safety of electric scooter tools during use.KEY WORDS:industrial design;ergonomics;elderly scooter;Jack电动代步工具的普及和发展,为下肢活动
7、不便的老年人提供了方便,成为确保老年用户自主出行的有效手段。研究表明,电动代步车对老年人的活动度、社会参与度和生活质量均有显著影响。国内外对电动代步车的研究局限于外观造型 1-3、使用需求 4-6 和技术可实现性 7 方面的研究,缺乏对人机合理性的研究。此外,老年群体久坐后易发生难以站立的情况,代步类工具中的辅助站立结构能够促使老人进行间接的站立活动,从而缓解此类症状 8-9 ,然而,现有的代步车大多为坐姿驾驶模式,没有兼顾到用户坐、立两用的复杂需求。综合上述问题,结合老年用户的特征,设计出一款坐姿驾驶和辅助站立功能相结合的收稿日期:2 0 2 3-0 9-0 8基金项目:江苏师范大学研究生科
8、研与实践创新计划项目(2 0 2 2 XKT0361);江苏省重点研发计划(社会发展)项目(B E 2 0 1 6 6 51);徐州市重点研发计划(社会发展)项目(KC22281)*通信作者108电动代步车,并借助Jack仿真软件对该款电动车的主要交互结构进行人机合理性的验证,以提高功能集成后该设计的合理性、安全性和舒适性。1Jack的人机仿真验证流程Jack是一款集三维仿真、虚拟人体建模、人因工效分析等主要功能于一体的仿真软件 1 0 。用户能够自行导三维模型来构建虚拟的仿真环境,对具有生物力学特性的虚拟人分配任务,并通过分析其行为来获得所需信息。范沁红等!利用Jack的碰撞检测分析工具,验
9、证了虚拟人的背部与座椅靠背的贴合度;Liu等 1 2 通过分析Jack软件中采集的仿真行为数据,得出人机操作过程中人体负荷的变化规律和趋势预测;张文彦等 1 3 通过Jack的运动仿真功能对比分析出不同坐姿位置的舒适度;王年文等 1 4 借助Jack软件分析座椅使用时对腰椎的受力情况,分析得出座椅的相对舒适角度区间。本文主要通过 Jack 对老年用户使用电动代步车的行为进行仿真,评估其使用过程中的舒适度、可达域、可视域等方面,以验证文中所设计的电动代步车结构的合理性和舒适性,并对存在的人因问题进行改正和方案优化。文中所涉及的仿真与验证流程如图1 所示。虚拟电动代步车模型实现代步车模型和虚拟人模
10、型的“装配”调整代步车模型的结构位置及大小支舒适性分析可达性分析L驾驶姿势舒适性分析上车姿势舒适性分析Jack软件验证人体模型在进行交互姿势时是否在舒适范围文是记录代步车结构调整合理化后的数据优化电动代步车的方案图1 Jack仿真及验证流程Fig.1 Jack simulation and verification process包装工程2设计方案2.1电电动代步车的适老化设计通过调研分析老年人群的日常生活习惯,了解老年人的基本生理特点和心理特点,以及影响老年电动代步车设计的相关因素。相关研究表明,老年用户在生理方面出现身体尺寸变化、感官退化、肢体僵硬老化、活动能力变差等现象。与此同时,其在心
11、理方面由于处理信息的能力与效率降低,容易出现自卑、焦虑和孤独等负面情绪。因此,在设计时可以从舒适性、安全性、易用性、轻便性、灵活性等设计原则出发,在保证电动代步车基本功能的同时,使其设计更加适老化。本文老年用户特征所对应的设计原则、设计要素及后续评估要素,如表1 所示。2.2电动代步车的设计方案根据市场上现有老年代步工具的基本结构和功能的调研,结合表1 中用户特征及设计因素分析进行电动代步车再设计。所设计的电动代步车结构可概括为操控部分、驱动部分和传动部分。操控部分主要由操纵把手、膝板、胸托、座椅、扶手和安全带等组成,如图2 所示;驱动部分包括操纵把手的升降及转向控制、座椅抬升控制和车轮控制等
12、功能;传动部分由离合器、变速器、主减速器和差速器等部件组成,电动老年用户虚拟人模型代步车由上述三部分共同协作以实现正常行驶。该电动代步车以坐姿驾驶和辅助站立支撑两种状态为主,通过电动控制操作把手和座椅自主抬升,以实现上述两种主要状态的自由切换。此外,面对下肢存在功能障碍的老年用户的特殊需求,此款电动代步车两侧设有扶手、可前后水平位移的椅面及可旋转可视性分析调节角度的靠背,以实现用户自主地完成在日常坐具与代步车之间的迁移。本文主要依据表1 中的评估要7坐姿上肢可达域分站姿上肢可达域分析文2024年2 月素,在Jack软件中对所设计的电动代步车操控部分最佳认读区域驾驶视域分析的关键结构,进行人机工
13、效方面的验证。3人机工程仿真分析3.1虚拟人模型建立在Jack软件的虚拟人尺寸数据库里中国人的尺寸是1 9 8 9 年1 8 6 0 岁男性和1 8 55岁女性成年人体尺寸信息,不符合本文研究老年用户的尺寸需求。目前,我国在老年人体尺寸方面的研究不够完善,尚未建立一个能够满足适老化设计需求的人体尺寸数据库。所以本文在验证时,所需的虚拟人尺寸数据参考了胡海滔1 5 研究的中国老年用户身体尺寸。为验证该代步车可以最大程度地适应不同身高体型的老年用户,在Jack中所创建的被测虚拟人选取6 5 6 9 岁年龄组中第9 5百分位男性老年用户人体尺寸作为设计上限,第5百分位女性老年用户人体尺寸作为设计下限
14、,如图3所示。第45卷第4期Tab.1 Characteristics of elderly users and corresponding design and evaluation elements老年用户特征身体尺寸变化、感官退化、肢体僵硬老化、活动能力变生理特征差、处理信息的能力与效率降低容易出现自卑、焦虑和孤独心理特征等负面情绪操纵把手,把手升降柱扶手固定护罩膝板车轮踏板图2 电动代步车的基本结构Fig.2 Basic structure of electric scooterBuild Human.TypeOFemaleOMaleOchildDatabaseANSUR一System
15、 UnitsWeightkgHeight:ComSaveas.NameAdd to MenuAdvanced ScalingBody Part ScalingFig.3 P,female and P9s male virtual human models3.2舒适度分析3.2.1驾驶姿势舒适度分析电动代步车分为坐姿驾驶和辅助站立支撑两种主要交互模式,需要保证其在这个过程中姿势的舒适度。借助Jack中的关节舒适度分析工具(ComfortAssessment)和静态强度预测工具(Static StrengthPrediction)分别对坐姿驾驶状态和辅助站立支撑状态进行舒适度分析,以此验证图2 中
16、代步车结构的合理朱桐,等:基于Jack的老年电动代步车人机工程设计与优化表1 老年用户特征及相应的设计与评估要素设计原则设计要素座椅面、把手等与肌肤相接触的地方选择舒舒适性适性较高的材质;腿脚预留伸展空间防滑处理、安全带装置、减震装置、制动装安全性置对用户的保护作用老年用户在无需他人帮助的情况下独立完易用性成上下车、驾驶等动作根据老年用户视力下降、触觉退化等特点,将标识设置为与其日常生活习惯相贴近的可视性简单易懂的图形;以物理按键及操纵杆代替触摸屏确保用户可根据不同需求进行结构调整;避免与众不同的外观造型,与周围环境相适灵活性应,克服老年用户因身体机能下降而产生的统一自卑心理胸托性并确定相关尺
17、寸范围。为方便研究,将验证过程安全带中的数据量化,相关零部件的主要参数定义为:操靠背纵把手至足底踏板的垂直高度为L,座椅靠背与操座椅纵把手中心点的距离为L,座椅椅面中心至足底踏座椅调节柱板的高度为L,座椅两侧扶手距离水平地面的高度为L4,座椅椅面与座椅调节柱的夹角为,座椅调节柱与踏板水平面的夹角为,操作把手与水平面的夹角为,如图4所示。L2XHeightWeightOCustomHe:177.0O99O95OPercentleO50O0501Scale Existing.-HumanP95oldMaleCreateNewScale Existing图3Ps女和P9s男虚拟人模型建立109评估要
18、素舒适性分析(关节舒适度分析、下背部受力分析)安全配件的完整性、适配性上肢可达域分析操作界面设计、可视域分析整体布局规划、造型OCustomWe89.0O9995OPercentileO50O05O01AnchorHeelDismissL图4电动代步车结构的相关参数定义Fig.4 Definition of relevant parameters for the structureof electric scooters根据试验对象Ps女、P9s男虚拟人的相关尺寸数据 1 5 绘制表2。在验证坐姿舒适度时,通过将座椅角度,和座椅高度L,设置为定量,将操纵把手的高度L设置为变量,以验证L,在调节
19、范围内的合理性。依据表2 中的尺寸数据及杨浩等 3 对代步车尺寸的研究,L,的验证范围设计为7 8 0 8 2 0 mm;L,设定L3L4110为被测虚拟人自然坐姿下小腿加足高,另外加30 mm的修正量 9 ,即在验证Ps老年女性时将L,调整为333mm,在验证Ps老年男性时将L,调整为48 3mm;和的角度设定为在L,相应的高度下保证座椅面水平即可。表2 Ps女和P95男与坐姿相关的身体尺寸Tab.2 Body dimensions related to sitting posture forPsfemale and P5 male尺寸测量项目P;女坐姿肘高196坐姿膝高393坐深399坐姿
20、臀宽330小腿加足高303坐高771肘高866骼高843腰节点高894ComfortAssessmenlP95oldMaleAnabeie loint AngleComfont Data SourcetComfont RatingsShow Range Values:UpperArmFesdon RightHeed FleionUpperArm fledion LehtElbow Indleded RighElbow Included LeTrunk Thigh RightTrunk Thigh LeftKnee Included RightKnee Included LeftFootCaif
21、linchoded RighFoot.CalfIncluded Le在静态强度预测分析工具(Static Strength Pre-diction)的分析结果中,显示被测虚拟人在研究状态下的关节强度值百分比、角度、关节转矩及平均强度值四类图表。经验证得到在上述尺寸范围内,虚拟人的关节角度为-1 8 0 1 8 0,处于正常范围;关节转矩值为-1 0 0 1 0 0 Nm,处于正常范围;在平均强度测试中,躯干弯曲和躯干剪力均未超过 40 0 N。以L,为1142mm、L,为8 36 mm时,Pgs男性的辅助站立支撑状态为例,测试结果如图6 所示。表示老年用户在辅助站立支撑时,身体部位均处于健康的
22、状态。因此,在辅助站立支撑状态下,L和L,的调节范围分别可设计为 8 6 6 1 1 42 mm、7 7 2 8 36 mm。3.2.2上车过程动态仿真分析该代步车的创新设计部分包括座椅椅面可平移及靠背可翻转,使下肢功能障碍的用户可借助两侧扶包装工程通过使用Comfort Assessment分析工具,判断各个关节的舒适度是否合格,可参照该分析工具中Poter(1 9 9 8)数据库的推荐值,数值条呈现为绿色即为合格,呈现黄色则表示超出合理范围。在验证上述L,在7 8 0 8 2 0 mm变化范围内的舒适度时,数据栏中显示:除左右膝盖舒适度数值条为黄色,其余关节舒适度数值条均为绿色。图5所示是
23、选取的L,为7 8 0 mm时Ps女和P9s男的关节舒适度分析数据。经上述分析,mm为适应不同身高体型的老年用户的使用需求,在坐姿P9s男状态下,操作把手高度L的调节范围可设置为7 8 0 309820mm,座椅高度L,的调节范围可设置为343 49 3mm,530但需要给用户在坐姿状态下扩展一定的容脚空间。496根据表2 中站姿相关尺寸数据,结合崔腾飞 8 等424对辅助站姿结构的研究,以及在Jack 软件中被测虚拟人与电动代步车的匹配情况,将辅助站立支撑状态453下L,的尺寸范围设计为8 6 6 1 1 42 mm,L,尺寸范围935设计为7 2 2 8 36 mm,借助静态强度预测工具S
24、tatic1142StrengthPrediction对老年用户在辅助站立支撑状态1 025下的舒适度进行分析,以验证该状态下L、L,尺寸1 074设计范围的合理性。Coifot AusneontHumarnPSoldfemaleAnalyis Loit Angles lPorter(1998)Comfont Data Sourcet:ComfontRatingsShowRange ValuesHead FlexionUpper Arm FlexionRight6164128.UpperArm Fledion LeftElbowIncluded Right8164128.Elbow Inclu
25、ded LefhTrunkThigh Right115-101.Trunk Thigh Let101121,93.0-6040200+2040+60Angle Vale Relatve to ModeSet ReferenceClear ReferenceDAppend to Fler:UsageFig.5 Analysis of sitting comfort2024年2 月Porter(199e)Low Value Kigh Hode13:013.01599.0Knee Included RightKneeIncluded LetFootCalf Included RightFoot Ca
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