宋端树， 张善超， 黄悦欣
（1. 江苏师范大学 机电工程学院， 江苏 徐州 221116；
2.西北工业大学 工业设计与人机工效工信部重点实验室， 陕西 西安 710072）
在城市化的发展中，因各种疾病、工伤、交通事故等意外伤害的发生率持续增长， 导致非自然因素引发的下肢残疾患者数量逐年增加[1-3]。
轮椅作为残疾人的出行代步工具， 其设计的优劣直接影响残疾人的家庭和社会生活质量。
当下在残疾人日常使用轮椅的过程中， 纵向活动范围、 独立操作等诸多交互行为受限问题有待解决[4]。目前更多的还是对于座椅舒适性以及人机方面的研究，缺乏针对用户行为与产品关系的研究[5]。
1.1 交互行为概述
理查德·布坎南教授曾明确提出， 交互设计的对象是“人的行为”，即通过产品来实现对人体行为的支持和引导[6]。
肢体残疾人轮椅的交互行为可以看作使用者与轮椅在相关环境下的操作和接收反馈的过程， 交互行为主要包括操作行为和交互尺度[7]。
操作行为可以视为用户关键“操作动作”的有序组织排列。
借助人体关键动作识别、交互任务图绘制等方法，可以对操作行为进行可用性评估，从中寻求设计突破口。
交互尺度是指用户与产品交互过程中的的动态人机交互尺寸。
以人使用轮椅的“行为”为研究视点，回归轮椅的设计本质，探究目标用户行为特征和需求，指导轮椅设计方向。
1.2 层次分析法
层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[8]是一种对多要素、 多目标评价问题进行优劣等级评价的分析决策方法。该方法将集合、分解、比较、评价等流程模式集于一体，能够将决策问题的相关元素有序层次化，通过定性分析与定量运算，为评价问题提供科学、合理的决策结果[9]。
轮椅设计中，应用AHP 能够对轮椅使用需求进行优劣等级排序，明确轮椅设计的侧重点，真正做到为用户的设计。
AHP 的应用流程为：
（1）构建三阶层次结构。
其中，目标层与准测层根据专业设计人员分析讨论得出， 指标层则由行为分析总结和用户访谈得到。
（2）构造判断矩阵Q=（Aij）n*n。
针对准则层与指标层，分别两两比较矩阵元素，比值aij表示元素i 与元素j 相比的重要程度[10]，一般用数值1-9 及其倒数表示，数值越大，代表比较元素中前者越重要。判断矩阵对应的特征方程为AW=λW。
（3）求解特征向量与一致性检验。应用和积法可求解矩阵的特征向量W，符合一致性检验则可作为需求权重，一致性检验可以通过计算一致性比例CR 来决定，CR＜0.1时符合检验[11]。
准则层与指标层权重的乘积为用户需求的综合权重。
考虑到外部条件复杂、 难以预测且室内环境可以满足观察条件，因此将在室内环境下进行研究。残疾人轮椅使用中与轮椅的交互行为包括：起身行为、坐具转换行为（此为操作行为）和使用轮椅时生活空间上的活动交互范围（此为交互尺度）。
2.1 交互行为数据采集
走访肢体残疾人家庭、康复中心等地，实地观察残疾人的轮椅使用方式， 并让其独立完成某些行为测试并录制视频。
行为测试成功则提取关键行为，分析行为特征；
行为测试失败则记录失败原因， 总结对应的轮椅设计方向。
部分调研视频截图如图1 所示。
图1 调研及行为观察部分截图
根据录制的视频， 观察行为过程并提取主要动作，绘制清晰的动作过程，便于提取行为特征。
本文利用OpenCV库能够对图像的灰度进行分析、调节、提取图像和背景之间的交界线的功能特点[12]，对采集的动作进行轮廓线提取，如图2 所示。
图2 OpenCV 库提取人体交互动作轮廓线
2.2 轮椅使用交互行为分析
2.2.1 轮椅使用操作行为分析
对测试成功的受试者关键交互行为进行提取， 其操作行为任务图如图3 所示。
图3 起身及坐具转换操作行为任务图
结合受试者测试失败的原因分析可以获知， 肢体残疾人由于膝关节力矩的缺失， 一般借助手臂力量支撑轮椅扶手起身， 当无扶手或者扶手高度较低时则无法完成起身，同时，臂力较弱的残疾人也无法成功。
因此在轮椅设计时， 需要考虑为残疾人提供补偿肌肉力量缺乏的结构，辅助残疾人的起身。
在轮椅结构设计中可加入座椅、扶手和靠背的升降结构， 拥有手臂力量的残疾人可以使用机械的手动升降结构， 无手臂力量的残疾人可使用电动操控的自动升降结构。
根据对不同残疾人行为方式的观察， 坐具转换可归纳为3 种方式， 即侧方转移、 骑坐式前移和正面平推前移。其中，侧方转移中行为成功的关键在于坐具形态不对侧方移动造成障碍，这就要求轮椅扶手的可移动性。骑坐式前移中行为成功的关键在于转移坐具无扶手或者扶手不对前移造成障碍，且双腿要求可以跨坐。正面平推前移中行为成功的方式在于转移坐具的尺寸可完整容纳腿部伸长， 且坐具底部要有可利用空间放置脚踏板以缩短坐具之间的距离。
两种前移方式对转移坐具的形态限制条件较多，为减少由于坐具形态而导致行为的失败，从轮椅设计角度出发，可以考虑身体后移的平移推进，即以轮椅后退的方式靠近坐具，使臀部可先接触坐具，应用到轮椅设计中，则需要改变靠背的设计，使得靠背需可拆卸。
考虑到车轮对坐具之间造成的距离影响， 因此可将靠背翻折设计，弥补坐具之间的距离差，此时靠背需可支撑身体重量，因此对支撑材质有一定要求。
2.2.2 轮椅使用交互尺度分析
以人体尺寸第50 百分位的成年男性和成年女性在轮椅行驶时生活空间上的交互尺度与健康人的活动交互尺度进行比较分析， 进而可以分析残疾人活动空间上存在的问题，如图4 所示，数据由测量得出。
由图4 可知，残疾人行驶轮椅时，人体尺寸第50 百分位的成年男性定点活动范围的纵向高度区间为130～1550mm，横向最大水平范围为手扶圈向外740mm，人体尺寸第50 百分位的成年女性成年定点活动范围的纵向高度区间为160～1410mm，横向最大水平范围为手扶圈向外660mm。
图4 轮椅行驶的生活空间上的交互尺度
轮椅使用者的活动范围与健康人相差较大， 且轮椅使用者的活动范围仅为无障碍时的理论值。
在家庭生活中，高处和低处取物时，实际有效操作的空间范围还会受到取物深度等的限制。
因此在轮椅设计时， 应考虑如何在不影响正常舒适坐姿的情况下增大轮椅使用者的纵向活动范围， 如轮椅使用者坐、立姿转变的结构设计。水平活动范围上需要考虑如何接近任务目标，如部件的伸缩、抓握设计。
3.1 需求层次模型构建
基于交互行为测试与分析，结合层次分析法，能够得到更全面的使用者需求。
通过问卷调研及深入访谈等方法在康复中心、 敬老院等残障人相对聚集的场所对轮椅使用者及其家人共发放问卷97 份，回收有效问卷89 份。同时记录受访者对轮椅的使用痛点及对轮椅改进的期望点。
梳理轮椅用户的原始需求要素，需求筛选及分解、整合后，最终确定用户需求共34 项。
应用亲和图法构建轮椅用户需求的递阶层次结构模型，以“肢体残疾人轮椅设计”作为目标层。
将34 项具体需求作为指标层，并对指标层用户需求进行整理和分类，获得行驶安全性、生活操作便捷、健康舒适性、辅助性能、经济性等5 项准则层因子。
层次结果模型如图5 所示。
图5 轮椅使用的用户需求层次模型
3.2 需求权重求解及分析
依据用户需求层次模型， 分别针对准则层和指标层因子设计重要度问卷，构造判断矩阵。
选择轮椅使用者、轮椅销售者以及轮椅设计师作为调研对象， 请其分别在准则层因子、 隶属同一准则层因子的指标层因子间两两比较，进行相对重要度赋值，最后获得平均值。
以准则层为例构造判断矩阵，如表1 所示。
表1 准则层判断矩阵
计算后得到矩阵的特征向量为w=[0.4615 0.2913 0.1406 0.0639 0.0428]T，其特征值λ=5.1142，CR=0.0255＜0.1，通过一致性检验。
由计算结果可知，使用者对于轮椅的行驶安全性重视度最高。
其次对于生活操作便捷性要求次之。
同时，对轮椅使用的健康舒适性也有一定的要求，而对辅助性能和经济性能的需求较小。
同理可计算得出指标层各因子的权重值。
将指标层因子权重值与相应准则层指标权重值相乘， 求得用户需求综合权重，其重要度排序如图6 所示。
从图6 中可以看出：
用户对出行安全性的高要求主要集中在行驶稳定性、 上下坡的便捷性以及对安全隐患的规避。
因此，可以加装座椅防护带、感应式警报系统、采用防滑材质等来增加行驶稳定性。
除了行驶安全，轮椅使用者对自主活动时的活动空间范围以及操作的无障碍性、 生活操作中的坐具转换等的便捷性以及久坐的舒适性有较高要求，因此，可以加装座椅的可升降性；
座椅扶手的伸缩性；
采用透气、软硬度适中材料等。
出于对独立出行时的轻便性考虑，因此对携带物品放置有一定要求，可加装收纳盒， 梳理并总结轮椅使用高需求权重对应的设计方向，如表2 所示。
图6 用户轮椅使用综合权重
表2 轮椅使用高需求权重对应设计方向
结合行为分析、轮椅使用需求分析，设计轮椅见图7。
图7 轮椅设计案例
轮椅主体由一个固定模块、 两个可活动模块以及两个可拆卸模块构成，如图7（a）所示。
固定模块包括车轮、车外壳、护膝、扶手和电力系统，可活动模块包括胸托支架的旋转、伸缩结构和座椅支架的旋转、伸缩结构，可拆卸模块分别为靠背和坐垫。轮椅具有两种使用状态，如图7（b），依靠两个可活动模块的升降、伸缩的结构设计实现，细节如图7（c）所示。
当人体维持坐姿较长时间后，觉得疲劳想要站立时， 在控制面板上按下立式模式按键并解锁胸托支架和座椅支架的锁死状态， 控制面板操纵界面如图7（d）所示，用手握住车体上方的固定手把向上提拉身体，使身体起身，直至站立状态。然后操纵控制面板，将胸托支架和座椅支架锁死， 使其不可动。
在行为过程中，胸托支架和座椅支架由于有旋转、伸缩结构，因此可以实现这一过程。当切换成站立状态后，由于升降结构的锁死，除了胸托支撑人体站立，固定不动的座椅结构也给人体提供了一个站立支撑点。当由站立姿态转为坐姿时，则是手臂施加向后方压力， 其行为原理与从坐姿到站立过程相一致。
两种状态的切换既可以消除长期坐姿的生理不适感，又可以通过“站—坐”状态的训练，起到活动人体部位的作用，对锻炼身体有一定的积极作用。若是手臂力量较弱，则可以借助自动化操作，通过胸托支架、座椅支架的自动化升降，带动人体起身、落座。
站立状态弥补了坐姿时的行为活动范围受限的情况， 帮助肢体残疾人能够实现高处置取物、 厨房操作以及移动中平等的与他人聊天、交往等行为。
两个可拆卸模块的设计能实现坐具转移、 进出的便捷性，坐具转移过程如图7（e）所示，靠背分别与坐垫和胸托通过安全带连接，能够从轮椅上整体拆卸下来，当轮椅以后退的方式靠近转换坐具， 座椅底部接触坐具并刹车后，首先解开护膝安全带并将脚放置到合适位置。然后解开靠背安全带， 将靠背取下。
为了方便小腿的移出不受限，对坐垫进行了分割、折叠处理。座椅面分割成三部分，外围两侧可向下翻折，使小腿可以不受空间限制，实现水平位移，坐垫的翻折接触面采用钕铁硼强磁材料，翻折向上后可牢牢将分割面吸附， 因此不会对坐姿舒适性造成损害，具体细节如图7（f）所示。
此时，将手撑在扶手上，依靠手臂力量慢慢向后移，坐到坐具上，并通过手机相关应用远程操控轮椅驶离。
该进出方式满足于家庭中各个环境中的坐具转换的使用，大大增强轮椅使用的便捷性。
文中以现有轮椅及人的交互行为为依据， 寻找行为中因轮椅形态、 功能带来的行为障碍， 总结轮椅使用需求。针对肢体残疾人对轮椅使用需求的侧重，则运用层次分析法进行了量化分析，将模糊的语言评价转化为可视化的数据表达。
最后的设计实践验证了交互行为分析与层次分析法结合使用，研究内容层次递进的有效性。基于该思路可对其他残疾人用品进行设计研究。
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