基于人行道系統的動態輪椅舒適性評價方法研究*

嚴　雪　徐良杰　奚少新　余金林

(武漢理工大學交通學院　武漢　430063)

基于人行道系統的動態輪椅舒適性評價方法研究*

嚴雪徐良杰奚少新余金林

(武漢理工大學交通學院武漢430063)

摘要：輪椅出行是部分傷殘障群體的主要出行方式，隨著當今城市人口老齡化的加速，輪椅出行的比例在不斷地增加.目前有關輪椅出行的舒適性研究主要是考慮其自身的設計舒適性，國內外針對動態輪椅舒適性與其載體——人行道系統的關系評價研究尚屬空白.因此，從交通工程學的角度，針對輪椅出行者的不同狀態，以加權加速度均方根值模型為基礎，探討了基于人行道系統的動態輪椅舒適性的評價方法.采用仿真實驗的方法，基于人行道系統對動態輪椅的舒適性進行了評價分析.結果表明，基于人行道系統對動態輪椅的振動舒適性的評價結果與人的主觀感受相一致.

關鍵詞：人行道；輪椅；舒適性；評價；老齡化

0引言

減少交通沖突是解決交通問題的一大手段，而在所有的交通參與者中慢行交通者一直處于弱勢，最難管制與約束，而慢行交通中的輪椅出行者所帶來的問題日益突出.傳統觀念中使用輪椅的多是傷殘障群體，而隨著我國人口結構呈現老齡化在一定的階段中將成為一種趨勢，老人越來越多將成為全國各地的普遍現象.對于老年人，尤其是高齡老年人來說，由于生理衰退的客觀原因，其行動能力大為降低，因而輪椅不可避免地成為了代步工具.隨著日漸開明化的思想發展，不管是因殘疾而使用輪椅的人，還是因年老而使用輪椅的人，他們越來越愿意走出家門，加之現代年輕人都比較孝順，也愿意經常帶老人出門，導致輪椅的出行需求在不斷增大.

然而，有關輪椅使用者舒適性方面的研究大多還停留在輪椅本身的靜態舒適性和設計上.申俊[1]基于人機工程學的理念，根據老年人身體特征變化和成年人人體尺寸，確定合適的坐墊和靠背尺寸，進行了輪椅的靜態舒適性分析.秦美超等[2-3]雖然建立比較完善的輪椅舒適性評價指標體系，但是仍然只是針對靜止狀態下的輪椅.舒適性的研究最早開始于汽車，發展至今，汽車的振動舒適性評價方法已經十分成熟.鄧本波[4]從人體對振動的反應入手，就車輛內不同的位置和車速下的加速度和各個振動坐標軸方向的數據進行加權處理，擬合出客觀量與主觀感受的關系.唐榮江[5]在傳統的評價方法基礎上建立了一種基于神經網絡的新評價方法，主要是探討振動客觀量與主觀感覺的關系.徐璋[6]基于ISO2631國際標準和GB4970國家標準，分析了車速、路面這2個因素對汽車平順性能的影響.

因此，基于輪椅動態行駛特征，對輪椅展開舒適性評價研究.通過借鑒傳統汽車振動舒適性評價方法，結合輪椅的結構特性和道路環境特征，對傳統的加權加速度均方根值模型進行修正，引入“作用時間”這一影響因素，最終得到適用于動態輪椅的舒適性評價方法，為輪椅設計和人行道設計等提供理論依據.

1系統舒適性評價的理論基礎

1.1概念引入

動態輪椅的舒適性是指輪椅在行進過程中所產生的各種沖擊和振動激勵的能力，并且傳遞給人體的振動強度是否處于可承受的舒適界限之內，以及人體感知舒適的程度[7].人體振動是一個十分復雜的動力學系統，而當人體姿勢發生改變時振動情況也在發生著變化[8].鄧本波指出人體體軸坐標系和振動作用方向的界定以及人體振動模型的分析，都是為評價模型方法的建立提供理論支持.

按人體解剖學的規定：人體體軸坐標系以心臟為原點，互相垂直的3個軸為人體的背—胸軸為X軸，右側—左側軸為Y軸，腳—頭軸為Z軸.則圖1就是人體呈坐姿狀態時的直角坐標系.

圖1　人體坐姿的坐標系

根據上述的規定，振動作用方向分別為X軸向、Y軸向和Z軸向.但是，乘坐輪椅時由于路面不平而產生的振動主要通過臀部傳遞給人體，其余接觸面極小，可忽略不計.因此，對于動態輪椅的振動，座墊與人體的接觸面是主要的受振分析對象.具體是指臀部3個方向的線振動Xa，Ya，Za和3個方向的角振動ωx，ωy，ωz.

1.2影響因素

1.2.1輪椅機械振動參數

輪椅的運動過程中，人通過輪椅的機械結構間接與道路接觸，輪椅走過路面的振動感通過輪椅機構傳遞到人體，人會因輪椅與道路表面的接觸形式而獲得不同的舒適性感覺，而影響人體和輪椅振動形式的因素有很多.ISO2631國際標準指出，人體受振反應的四個首要的物理量就是振動強度、振動頻率、振動方向和作用時間[9].

1) 振動強度描述人體受到振動影響的強度的基本量是加速度，m·s-2.為了便于計算與測量，在實際運用中，振動的量值大小以“均方根”形式來表示.它的理論值可以通過計算得出，也可以用加速度傳感器測出加速度后乘以加速度方向的位移.

2) 振動頻率它是指振動物體在單位時間內的振動次數，用f表示，Hz.振動頻率既可以通過定義計算出來，也可以通過儀器228振動頻率儀測量獲取.

3) 振動方向人體姿勢的變化會導致振動情況的改變，通過輪椅通行道路路面變化使人體獲得不同的舒適性.

4) 作用時間很多情況下，振動系統如振動減速標線一樣，作用時間很短暫，通常忽略不計.但是在人行道系統中，輪椅運動緩慢，連續作用時間時間長，振動頻率達到一定程度時人體的不適感會隨著作用時間的增加而加強.

1.2.2人行道鋪裝形式

人行道的路面形式很多，有水泥路面、瀝青路面和鋪磚路面，而鋪磚路面的人行道系統對輪椅舒適性影響較大，因此本文將針對鋪磚路面的人行道系統展開研究.由于人行道磚的形式、大小等多種多樣.考慮到不同的人行道鋪磚形式產生不同的路面不平度，會對輪椅舒適性產生不同的影響，現就以下幾種典型的人行道鋪磚形式展開分析：

1) 方塊磚鋪裝的人行道由于方塊磚的規格尺寸比較規整，這一類人行道會形成等間距的條紋狀縫隙，由此產生的振動也很規律，并且可計算.假定輪椅行駛速度為X時，橫向鋪設方塊磚頻率為n/(d/X)，縱向鋪設方塊磚頻率為N/(L/X)，其中:d為人行道的寬度；L為人行道的長度；n為橫向鋪設的總磚塊數；N為縱向鋪設的總磚塊數.

2) 帶花紋的磚塊鋪磚的人行道這種磚塊在設計之初是考慮了人行道排水情況的，但卻是輪椅使用者感到最不舒適的一種人行道.這一類人行道上的縫隙不規則，振動多而細密，無法通過定義計算而得，只能用儀器設備檢測出振動頻率，頻率范圍一般在4.0～16.0 Hz.

3) 多邊形磚鋪裝的人行道這一類人行道也很規則，每一個磚塊在行進方向上的長度相同，每條縫隙的間距相等，從而產生的振動頻率也是規律的，頻率范圍一般在2.0～12.0 Hz.

綜上可看出，不同路面的鋪裝形式對輪椅通行的影響主要是通過路面形成的振動頻率來完成的，而無論哪種路面鋪裝形式，其振動頻率或頻率范圍均可通過計算和實驗獲取.頻率越大，人所感受到的振動就越明顯，累計的作用時間就越大，人的舒適度就會隨著時間的增加而降低.從3種人行道鋪磚的振動頻率可以看出，第2種帶有花紋的磚塊鋪裝形式產生的振動頻率最大，在這類人行道上行駛的不舒適是最明顯的.

2評價模型的構建

2.1評價指標

人體對振動反應程度的影響因素有很多，比如，振動頻率、振動強度、作用時間.余金林等[10]關于車輛過減速帶時的舒適性評價中考慮到交叉口處設置的振動減速標線作用的時間不超過10 s，故而忽略了作用時間的影響.然而，輪椅屬于慢行交通中的交通工具，行駛速度緩慢，與道路表面的連續作用時間長.因此，動態輪椅的舒適性評價模型必須以作用時間、振動頻率、振幅和車速不同為評價指標.

2.2評價模型

輪椅舒適性的影響主要通過人行道鋪磚頻率來實現，因此輪椅運動的舒適性評價可以通過研究振動頻率對人體的影響而得到.基于1.1的相關介紹和人體對不同頻率振動的敏感程度不完全一樣，圖2給出了各軸向0.5～80 Hz的頻率加權函數，而具體的數值情況及其對應的軸加權系數見表1～2[11].

圖2　各軸向的頻率加權函數

坐標軸頻率加權函數軸加權系數kXaWd1.00YaWd1.00ZaWb1.00ωxWe0.63ωyWe0.40ωzWe0.20

表2　頻率加權函數

如表1所列，作為支撐面的臀部3個方向的線振動是人體中最敏感的，其軸加權系數為1.其余的軸加權系數均小于0.8，敏感度不夠，因此在考慮動態輪椅的舒適性評價時可忽略不計.

在模型的構建中，假設輪椅是規范地行駛在人行道上，并且人行道鋪設相應的人行道磚.傳統的加權加速度均方根值模型[12]是由加權頻率函數W(f)和由加速度時間歷程ɑ(t)進行頻譜分析得到自功率譜密度函數Ga(f)計算而得，表達式為

(1)

(2)

路面不平度的存在導致了動態輪椅的舒適性問題，同時考慮到以垂直方向作為受振方向，所以路面功率譜密度Ga(n)可用下式擬合得到：

(3)

式中：n0為參考空間頻率，取0.1 m-1；n為空間頻率，m-1，表示每米長度中包括幾個波長；w為頻率指數，為雙對數坐標上斜線的斜率.

在以上分析的基礎上，再考慮車速不同的影響因素時，將空間頻率功率譜密度Ga(n)換算為時間頻率功率譜密度Ga(f)，即

(4)

最后由空間頻率n的含義，以及考慮到輪椅在人行道上行駛時，路面的不平主要是因為鋪設了一塊塊的人行道磚而引起的，每當輪椅經過一個磚塊就會振動一下，所以空間頻率n可表示為

(5)

式中：L為一段連續不間斷的人行道的長度，m.

由式(3)～(5)整理得到，時間頻率功率譜密度Ga(f)的計算式為

(6)

最終整理得到，動態輪椅的舒適性評價模型為

(7)

輪椅在人行道上行駛時速度慢、時間長，這時由路面不平引起的振動不適感會隨著時間越長而感到越明顯，而由于路面磚塊間隙相對于輪椅輪胎大小而言，其震動幅度對輪椅舒適性的影響較小.因此，評價模型主要是將作用時間t考慮一定的權重β加入K值系數法中，得到振動舒適性指標值K如下.

(8)

式中：β(t)為與作用時間t有關的常數，通常頻率f處于3.0～6.5 Hz且作用時間t超過70 s時會考慮；A為鋪設磚塊凹槽的深度.

評價標準見表3～4.

表3　加權加速度均方根值與人的主觀感受的關系

表4　K值系數法的評判準則

3模擬實驗及舒適性評價

3.1實驗設計

實驗需要的設備主要包括輪椅、三向加速度傳感器、秒表、墊盤和GPS車速儀.實驗選取一段鋪設方形人行道磚且連續不間斷的人行道，長度為100 m.試驗人員為被試者和輔助實驗者，被試者為中等身材.實驗前，被試者坐于輪椅上，輔助實驗者將三向加速度傳感器安裝在輪椅上，安裝時將三向加速度傳感器裝入一個墊盤中，方便準確測試三個方向的振動.然后以不同的速度勻速推動輪椅行駛在人行道上，由于人為因素的不可控性，在實驗過程中給出了推薦車速及其波動范圍，并采用秒表記錄行駛時間.實驗過程中，均是在相同環境條件下完成，控制無關影響變量，值改變輪椅行駛速度，通過速度的變化獲取輪椅與路面的作用時間和頻率.

3.2實驗結果及分析

通過上述實驗獲取統計數據，根據動態輪椅舒適性評價模型計算人的主觀感受，結果見表5.

由表5可知，隨著車速的不斷提高，加權加速度均方根值也在不斷地增大.當速度低于1.0 m/s時加權加速度均方根值ɑW<0.068，此時行走在人行道上輪椅使用者的主觀感受還在可接受的范圍內；而當速度大于1.4 m/s時加權加速度均方根值ɑW>0.07，此時頻率f也偏大(見圖3)，輪椅使用者的主觀感受明顯不舒適.

表5　加權加速度均方根值ɑW和K值系數法的評價結果

在頻率f與作用時間t的綜合作用下，K值的變化規律如圖4所示.當頻率f<3.0 Hz時K<5，人體的主觀感受處于“沒有不適感”的狀態；當頻率f>6.5 Hz時K>10，人體有“不適感”；當頻率f處于3.0～6.5 Hz時K值系數法還要考慮作用時間t這一影響因素，結果顯示，t>100 s時人體有“不適感”，t<100 s時人體“稍有不適感”.

圖3　加權加速度均方根值與車速的變化規律

圖4　K值與作用時間的變化規律

4結論

1) 以動態輪椅為研究對象，在傳統的加權加速度均方根基礎上進行了修正并結合K值系數法，充分考慮了振動頻率、作用時間和車速變化對動態輪椅的舒適性影響，提出了基于其動態舒適性的人行道系統評價方法.

2) 第一次在K值系數法中引入“作用時間”參量，考慮動態輪椅的特殊性，普通輪椅的行駛速度較小，慢速運動中高頻率的作用時間累積，對輪椅乘坐者的舒適性感知有很大的影響.

3) 在提出的動態輪椅舒適性評價方法中，隨著振動頻率的增加，輪椅使用者感覺的舒適性會逐漸變差.同時由實驗數據可得，作用時間為90～130 s時振動頻率雖然適中，可長時間處于振動狀態下導致輪椅使用者的舒適感變差.

參 考 文 獻

[1]申俊.基于人機工程學的老年人輪椅舒適性及其輕量化研究[D].大連：大連交通大學,2006.

[2]秦美超.輪椅舒適性評價體系研究[D].大連：大連交通大學,2012.

[3]袁艷麗,關天民,秦美超.輪椅舒適度評價體系與評價方法研究[J].機械科學與技術,2014(3):332-338.

[4]鄧本波.汽車振動乘坐舒適性的評價方法研究[D].合肥：合肥工業大學,2005.

[5]唐榮江.基于神經網絡的汽車振動乘坐舒適性評價方法研究[D].長春：吉林大學,2009.

[6]徐璋.汽車平順性評價方法的研究[D].成都：西南交通大學,2012.

[7]劉建中，鈴木近，青木弘行，等.汽車乘坐舒適性主觀評價模型構筑[J].汽車技術,1994(9):11-20.

[8]PENNATI M, GOBBI M, MASTINU G. A dummy for the objective ride comfort evaluation of ground vehicles[J]. Vehicle System Dynamics，2009，47(3):355-360.

[9]全國機械振動和沖擊標準化技術委員會.人體全身振動環境的測量規范：GB/T13441-1992[S].北京:中國標準出版社,1992.

[10]余金林,徐良杰,劉啟遠,等.干線公路無控交叉口振動減速標線設計與舒適性評價[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,2015(1):135-138,143.

[11]UYS R E, ELS R S, THORESSON M. Suspension settings for optimal ride comfort of off-road vehicles travelling on roads with different roughness and speeds[J]. Journal of Terramechanics,2007,44(2):163-175.

[12]樓少敏,王永達,許滄粟.基于路面不平度自功率譜密度函數計算國際不平度指數的研究[J].公路交通科技,2007(8):12-15.

Research on Evaluation Method of the Comfort of Dynamic Wheelchair Based on Pavement System

YAN XueXU LiangjieXI ShaoxinYU Jinlin

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract：Wheelchair is the main way of traveling for part of the disabled people. Along with the acceleration of aging population in city, the proportion of traveling using wheelchair is increasing. At present, the research on the comfort of wheelchair mainly considers the design comfort of wheelchair, while the study on assessment of the relationship between the comfort of dynamic wheelchair and its carrier - the sidewalk system is still blank both at home and abroad. Therefore, from the perspective of traffic engineering, for the different states of wheelchair travelers, this paper discusses the evaluation method of dynamic wheelchair's comfort based on the traditional weighted acceleration RMS value model. Finally, by using numerical simulation, the comfort of dynamic wheelchair is evaluated based on the sidewalk system. The simulation results show that the vibration comfort evaluation results of dynamic wheelchair are consistent with the subjective feeling.

Key words：sidewalk; wheelchair; comfort; evaluation; the aging

收稿日期：2016-04-20

中圖法分類號：U491.2

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.027

嚴雪(1991- )：女，碩士，主要研究領域為交通運輸規劃與管理、交通信號控制、交通安全

*國家自然科學基金項目(51578433)、吉林省交通運輸科技計劃項目(2014-1-3)資助