雷蕾，关天民，轩亮

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)



基于人机工程学的卧式洗澡车的设计与仿真

雷蕾，关天民，轩亮

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)

以人机工程学为基础，结合我国老年人生理与心理健康状况，提出了适用于中国老人的卧式洗澡车及其洗净台的工作要求，并进行了相应设计.同时采用CATIA人机模块对样机进行了模拟仿真，验证了设计要求的合理性.

卧式洗澡车；康复器械；人机工程；CATIA

0 引言

新世纪以来，我国进入老年人口增长的高峰期，失能老年人数量大幅增加，空巢化问题也日益突出.与此同时，对于失能老年人的日常护理问题也更加得到社会的重视.洗澡对于老年人来说不仅是为了卫生舒适，同时更能促进老年人的新陈代谢、加快血液循环、放松心情、有利于老年人身心健康.但是对于高龄失能老人来说洗澡却非常困难，对于护理者来说也是一项繁重的劳动.老年人用卧式洗澡车能够让老年人在整个洗浴过程中都处于躺卧的姿势，使老年人在洗澡过程中能充分放松.同时减轻了护理人员的工作负担、劳动强度[1].

1 老年人健康状况及影响因素

图1为各年龄组老年人虚弱指数，图中数据显示目前我国老年人身体健康状况主要呈现三种特点.首先，老年人身体的虚弱程度随着年龄的增长逐渐加重，尤其在75岁以后身体各项机能加速衰弱，在95岁以后身体虚弱程度不再增长.其次，男性老年人身体状况普遍比同龄的女性老年人身体状况要好.第三，我国是农业大国，城乡生活水平的差距注定使的老年人身体状况存在差异.而对于老年人的精神状况，也表现出随着年龄增长精神状态逐渐下滑的趋势.但是对于不同性别的老年人存在明显的差距，男性老年人精神状态比女性老年人要好的多，男性老年人对待生活更加积极.

(a)身体虚弱指数

(b)精神虚弱指数

影响老年人健康状况的因素不仅仅包括年龄、性别、城乡差距、经济收入等客观条件.还与职业、性格、生活习惯、家庭状况等因素有关.良好的生活环境、适当的身体锻炼、作息规律、合理饮食等都有利于提高老年人身体状况[2].洗浴更能改善老年人的生活质量，促进老年人的新陈代谢、加快血液循环、放松心情、利于老年人身心健康.

2 老年人洗浴的局限性

随着年龄的增长，身体的各项机能将发生明显的变化，器官老化、功能衰退.人过中年后体内内分泌功能减退，神经系统控制能力下降，感觉、视觉等能力减弱，身体协调能力下降，肌肉弹性下降，骨密度降低，蛋白质合成速度减慢[3].皮肤感觉灵敏度下降会影响对水温的感觉，易引起烫伤；视觉能力下降易导致磕碰、摔倒造成外伤；身体协调能力下降使洗浴困难；内分泌功能衰弱使老年人环境适应能力减退；骨密度降低易骨折等，这些身体机能的变化都是影响老年人洗浴的因素.

针对老年人洗浴的各种影响因素所开发的老年人用洗澡车，就是以失能老年人和残疾人士为应用对象.他们行动不便或者根本无法行动，在发生突发状况的情况下根本无法自行脱离危险的境况.同时再加上老年人常有的抑郁、焦虑、性格倔强、注意力不集中、生活态度不积极等性格特点，导致在进行老年人用洗澡车的设计过程中需要多方面考虑到人的因素.尤其是作用对象这一方面，这就要求在实现功能要求和协调操作的前提下还要解决在洗浴过程中解决突发情况，保证老年人安全、舒适、便捷的需求.

3 卧式洗澡车的工作流程

洗澡车采用老年人卧姿入浴，整个过程中老年人都处于躺卧的姿势，使老年人洗澡过程中能充分放松.洗澡车设计有担架式洗净台，老年人始终躺在洗净台进行洗浴.整个工作流程如下所述：

(1)在更衣室对老年人进行更衣，更衣完毕后将老年人放到转运架的洗净台上；

(2)通过转运架将老年人从更衣室转移到浴室内浴槽旁；

(3)通过导轨将洗净台连同老年人转移到浴槽中心上方；

(4)浴槽升起，老年人进入浴槽中心，进行洗浴、按摩等；

(5)洗浴完毕，浴槽下降，老年人出浴；

(6)通过导轨将洗净台连同老年人转移到转运架上；

(7)通过转运架将老年人推回更衣室，整个洗浴过程完毕.

通过上述洗浴过程分析可以知道，老年人洗澡车需要拥有浴槽升降功能、按摩功能、热水器、排放水功能、泡浴淋浴功能等几大方面.

4 洗澡车结构分析及构成

通过对上述工作流程的分析可以看出，老年人用洗澡车主要有浴槽、洗净台、转运架三大部分.其中浴槽是整个洗澡车的主体部分，老年人的整个洗浴过程都是在浴槽内完成的，几乎全部的附加功能都是以浴槽为载体.洗净台需要通过浴槽和转运架的导轨在两者之间来回转移，浴槽、洗净台、转运架相互独立同时又有属于同一个系统.

4.1 浴槽的设计

浴槽是老年人洗澡车系统中的主体部分，是老年人洗澡过程中直接接触的部分，也是洗澡车各功能实现的载体，结构相对复杂，因此浴槽部分的设计要求也是最严格的.在前述的工作流程中，浴槽所实现的基本功能动作是在老年人转移到浴槽中心上方后，浴槽升起，被护理人员浸入水中洗浴，可以看出浴槽需带有升降机构.

图2 立姿作业高度

整个洗浴过程都是由护理人员进行操作完成的，设计的过程中不仅要保证护理人员的作业空间，还要考虑控制面板、信号指示器的安排设置，以便护理人员能够适宜地获取信息、进行操作.作业空间的设计必须依照人体尺度.护理人员是立姿进行护理操作的，立姿工作可以来回走动，活动空间大，并且在发生意外事件时能够及时采取措施.

图2为立姿作业区域[4]，图2中a的台面高度为1 100～1 200 mm，靠肘支撑身体平衡，适合精密作业.c的台面高度为950～1 100 mm，适合节奏较快，要求灵活的工作.d的台面高度为750～950 mm，适合工作强度较大的工作.

4.2 洗净台的设计

老年人是躺在洗净台上进行整个洗浴过程的，也就是说洗净台设计的舒适性很大程度上影响老年人洗浴的质量.因此洗净台不仅要满足基本的功能需求，同时更应该从老年人舒适性的角度出发进行设计.

结合人类身体活动关节的需求，将洗净台背部和膝关节部位设计成角度可调的结构.这样可以根据洗浴者不同舒适性需求调节至指定角度，使洗浴者充分享受洗澡带来的轻松、舒适.虽然不同的人，习惯性的姿势不同，将背部和膝关节部位设计成无级全角度自锁更加符合不同人的需求，但是考虑到实用性和可行性决定将背部和膝关节部位设计成某几个角度间切换的调节方式更加简单实用.

图3为洗净台躺板基本结构，四块躺板不仅满足病人背部与膝关节不同角度的需求，同时满足洗浴过程中的活动和舒适度需求.由于不同人的身体尺寸不同，人体的活动姿势也因不同人、不同时间、不同情况而不同，因此根据人体结构和尺度关系，采用标准的人体外形模型可以形象的找出人体不同关节的相对位置，从而计算各躺板的尺寸关系[9].

图3 不同姿势的实现角度

由于老年人在洗浴的过程中一直处于坐立或是半躺的状态，这里重点分析不同靠背角度下脊椎所受负荷的情况.不同靠背角度下体重对腰椎和腰部肌肉的影响不同，不正确的坐姿不但不能减轻腰部的负荷，反而会加重影响.良好的坐姿下，身体所受压力合理的分配到各脊椎段上，椎间盘和肌腱承受均匀的静载荷.当利用座椅的靠背采用半躺式坐姿时，身体的部分体重由座椅靠背支撑，同时上身保持直立状态，脊椎变形较小，同时减轻了脊椎肌腱和椎间盘的压力.老年人在洗澡时头部必须位于水面之上，决定了座椅靠背与座面之间的夹角必须在一定的范围之内.如图4为不同座面与靠背夹角下椎间盘压力与脊椎附近肌腱负荷的关系.

图4 不同靠背夹角下的椎间盘内压与肌腱负荷

由图4可以看出当座面与座椅靠背之间的夹角达到110°以上时，椎间盘压力与脊椎肌腱负荷明显减小.因此，要使老年人脊锥最大化的减轻所受负荷、达到放松舒适的状态，同时便于老年人洗澡，方便洗浴、呼吸、翻身等.洗净台座面与靠背之间的夹角必须在130°左右.

4.3 转运架的设计

转运架是在更衣室和浴室之间转移老年人用的载体，同时也用以将洗净台连同老年人过渡到浴槽中.浴槽是整个洗浴系统的主体，结构复杂、重量大，每次安装高度都会有些偏差，并且在浴室中保证水平安装完成后一般不会进行调整改动，不同的浴室环境中地面状况也会有所不同.为了保证在任何地面状况下转运架与浴槽都能够顺利对接、两轨道处于同一高度不会产生偏差，就要求转运架能够进行小程度的高度调整.

5 工作概况仿真

在完成洗澡车的设计工作之后，结合前面所描述的中国老年人人体特性，根据特定百分位的人体结构尺寸，利用CATIA建立人体模型[7].将人体模型与应用设备相结合，能够直观的分析产品的舒适性、合理性和安全性.

为了保证所设计的洗澡车应用的普遍性，选取第95百分位的男性人体尺寸作为被护理人员人体模型的基础.在该基础上根据老年人身体结构的变化对身高、肩宽、四肢长度进行适当的调整.而护理人员则选用第5百分位的人体尺寸作为人体模型的基准.这样可以直观的反映出洗澡车的工作状况是否满足多数人的需求.

5.1 洗净台的不同工作角度

在洗浴过程，老年人始终处于洗净台上，为了满足老年人不同躺卧姿势的需求，为洗净台设置了多个仰卧角度.半卧姿势是入浴的姿势，老年人洗浴、按摩都是在这个姿势下完成的.平躺的姿势可以满足老年人浴后休息的要求.

如图5所示，图中为选取第95百分位的人体尺寸所创建的人体模型，将人体模型导入洗净台座面.从图中可以看出第95百分位的人在洗净台上仍留有足够的空间，人体在两个靠背角度下均可以在洗净台上自由活动.从而证明洗净台的设计满足作业空间的合格性.

图5 洗净台不同的工作角度

5.2 浴槽工作高度

浴槽是保证老年人能够顺利洗浴的主要部件，浴槽、洗净台、升降架之间的配合决定着洗澡车能否顺利工作.如图6所示为浴槽上升前后的效果图.在图中可以看出，浴槽上升前后的效果完全符合设计要求，能够保证老年人正常洗浴.

图6 浴槽上升前后效果图

5.3 入浴过程动作仿真

在完成了洗澡车的设计工作之后，根据洗澡车的工作流程，利用CATIA软件人机工程仿真模块对洗澡车的入浴过程进行了仿真，完成入浴、出浴工程的动作模拟，仿真过程为：①通过转运架将老年人从更衣室转移到浴室内浴槽旁；②通过导轨将洗净台连同老年人转移到浴槽中心上方；③锁定洗净台，按动上升按钮，浴槽开始上升；④浴槽完成上升，老年人进入浴槽，进行洗浴按摩，仿真效果如图7所示.

(a) (b)

(c) (d)

通过上述对转运架、洗净台及浴槽工作状况的分析，可以看出洗澡车各方面的设计符合人机工程理念的设计要求，能够完成预期的工作状态，满足不同身体状况的老年人对洗浴的需求.同时能够使护理人员在一个轻松、便捷的环境下进行工作，保证了工作的合理性和安全性.

6 结论

本文基于人机工程学结合我国老年人现实状况，给出洗澡车各部分设计具体要求,依据我国人体基本尺寸及老年人身体的特殊性，对作为洗澡车设计基础的人体尺寸进行了详细的分析、说明.结合人机工程学设计理念，根据洗澡车的设计要求，完成了对卧式洗澡车各部分的设计.利用CATIA软件，导入特定百分位的人体模型，对洗澡车各部分的工作状态进行了仿真，证明洗澡车各部分的设计达到了预定的工作要求，能够满足大多数老年人的洗浴需求.同时保证护理人员能够在舒适，便捷的环境下进行工作，验证了设计的有效性.

[1]方天成．医疗器械行业的发展现状及其趋势分析[J]．财经视点，2012(11):157- 158.

[2]吕杰锋，陈建新，徐进波．人机工程学[M]．北京：清华大学出版社，2009.

[3]吴善玉．探讨老年人跌倒研究的现状及预防对策[J]．医院医学,2007(7):55- 57.

[4]黄静，吴芊熠．我国老年人健康状况分析[J]．人文论坛,2012(1):174.

[5]张晓宇．老年人洗浴环境的人因工程研究[J]．科技信息,2010(1):359- 364.

[6]吴绍蓝，邱文英．现代家用沐浴器具设计方向探析[J]．闽江学院学报,2009,30(5):135- 139.

[7]刘春荣．面向汽车设计的人体建模 CAD 系统关键技术[J]．汽车研究与开发,2001(5):21- 24.

Design and Simulation of Horizontal Bath Apparatus based on Ergonomics

LEI Lei,GUAN Tianmin,XUAN Liang

(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Based on ergonomics,horizontal bath apparatus and wash desk requirements for the China old man are proposed combined with China elderly physiological and psychological health.Finish the corresponding design is completed,and the rationality of the design requirements is verified by using CATIA user module to simulate the prototype.

horizontal bath apparatus;rehabilitation devices;ergonomics;CATIA

1673- 9590(2016)02- 0057- 04

2015- 05- 19

辽宁省科技计划资助项目(2013408005)

雷蕾(1976-)女，副教授，博士，主要从事新型摆线轮传动的研究E-mail:leileidalian@163.com.

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