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高齡者受限制關節角度下的動作模擬與新式車體設計建議

基於高齡者生理機能老化,本研究主要是針對下肢關節角度動作範圍縮 小來做高齡者可能的 ingress 動作模擬。有研究指出高齡者在經過長時間的 肌肉強度訓練可以增加關節角度的動作範圍 (Frontera, Meredith, O'reilly, Knuttgen and Evans 1988; Feland, Myrer, Schulthies, Fellingham and Measom 2001) ,因此本研究認為關節動作範圍縮小有部分原因是來自肌肉強度退 化,如果動作所造成的關節受力太大,則表示不易執行,相同條件下,較 小的關節角度代表著傷害風險較低,儘管在 4.3 節可以藉由模擬顯示出高齡 者能夠執行該動作,但在 4.4.1 節可以發現關節角度變化有部分是超出本研 究所選用的關節角度限制。雖然運動學資料與肌電訊號是同步擷取,但基 準模型的模擬肌電訊號仍無法充分呈現實際肌肉活動情形,因此本研究僅 能取出運動學相關資料來進行分析,如直接觀察動作與車體干涉,且基準 模型與受限制模型的唯一差異就是操縱變因:關節角度限制的有無,且由 於加上關節角度限制的關係,使得受限制動作與現實有些差異,如腳掌在 地面滑移,如此會造成模擬肌電訊號等逆動力學數據與真實情形不同,本 研究亦曾經加入虛擬接觸力 (腳掌與內外地面的接觸力、骨盆與座椅的接觸 力) 的設定來觀察基準動作與受限制動作的模擬肌電訊號,結果顯示模擬肌 電訊號趨勢與數值範圍大致相同,所以此部分並未討論模擬肌電訊號或關

本研究簡化模擬參數,選擇加上高齡者受限制的特定關節角度動作範圍

的受測者,腿長 78.6cm (大腿加小腿,不加腳踝) ,在進行 ingress 動作前,

座椅前緣與方向盤下緣之間應該具有一定的空間,約是 38%的腿長,身高 越高 (越矮) 的駕駛者,所需的空間越大 (越小) 。

圖 22 原有車輛配置下的 ingress 動作中,膝部與方向盤最大的干涉範圍。

時間約是第 50%Time。

圖 23 方向盤、車內座椅與模型的相對水帄與垂直距離關係圖。

方向盤上緣與坐下時的肩膀同高,方向盤下緣與座椅前緣水帄距離約 300mm。在此相對關係下,受限制動作模型與方向盤並無干涉發生。

接著是加上高齡者受限制的關節角度 (表 1) 來達成一個關節受傷害風 險較低的關節變化情形 (圖 24) ,用該關節角度變化以及肌肉強度降低的 條件下來建立受限制動作模型,從模擬肌電訊號極值 (表 13) 皆未超過 1,

表示高齡者應可執行受限制動作。

表 13 受限制動作模型之模擬肌電訊號極值。

Muscle LTA LVL LRF LGL RTA RVL RRF RGL Peak 0.193 0.137 0.571

8.77E-08 0.138 0.189 0.522

3.20E-08

0.615 0.589

在本研究限制之下:自行選定的特定受測者身材、特定車體空間、動作 模型內加上方向盤元件以及嚴苛的高齡者 (本研究討論的高齡者年齡區間 是 60~74yrs) 受限制關節角度動作範圍,進行動作討論、建議以及車體量化 設計數據等相關討論。

圖 24 高齡者受限制的進入車輛動作髖、膝關節角度變化 (degree) 。 左欄為左腳關節角度,右欄為右腳關節角度。負值代表反向角度 (如 extension、adduction 與 internal rotation) 。Mod*:有加入表 1 的 97.5%

由動作模擬 (圖 25) 可以發現因為兩側髖關節外旋角度 (hip external 越低 (Namamoto, Atsumi, Kodera and Kanamori 2003) 。

但為什麼沒有考慮提高座椅來減少腳踝與車內地板的干涉,其原因是最 角度變化來模擬高齡者可能的 ingress 動作。Namamoto 也提到座椅高度過 高會影響在坐入車內過程中的髖關節位置,如此一來會使得外側腳的腓腸

肌須提供更大的出力來支撐身體 (Namamoto, Atsumi, Kodera and Kanamori 2003) 。

髖關節的外展角度限制也同時影響雙腿在 body swing phase 時皆有著較 異常的滑動現象,原因為本研究進行人體肢段運動學資料擷取時,受測者 進行詴驗的起始位置應當避免太靠近實驗帄台,藉此提高反光球資料的完 整度以便進行後續分析,這部分可建議高齡者在進入車輛時,應該盡量靠 近車子,當左腳在車外地面進行支撐時,來避免右腳在車內踩踏過深而造 成髖關節外展角度過大的情形發生。

右腳膝關節屈曲 (knee flexion) 有超出高齡者受限制角度的時間在第 20% Time 左右,此時間點屬於 right swing phase,此時右腳處於由車外移動 入車內的過程,尚未與車體有所接觸,故沒有干涉發生。

圖 25 第 55% Time 的受限制關節角度動作 (limited motion) 與正常動作 (baseline motion) 的 ingress 動作主要差異。

首欄 (側視圖) 綠圈處顯示右腳掌與車內地板的干涉現象,在受限制 髖關節屈曲角度下,可以發現在動作時整個右腳掌已經與車內地板產 生干涉。第二 (上視圖) 與三欄 (左斜前方視圖) 紅圈處顯示了髖關節 動作範圍的差異,可以發現受在限制髖關節外展角度動作下,右腳無 法在車內踩踏過深的位置,踩踏位置並無超過座椅中線,而左腳在動 作前須盡量靠近車體,以避免在動作途中左髖關節外展角度過大。

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