当我们提到轮椅作为一种常见的辅助器具时，我们常常忽略了与轮椅使用者个体特征的精细匹配。虽然轮椅在改善行动不便者的生活质量方面起到了关键作用，但研究却相对较少地聚焦于轮椅配置与使用者的紧密结合。
优化轮椅配置并非仅仅是制造一辆轮椅，而是需要多学科的广泛合作。此过程需要综合考虑生理学和生物力学的因素，以确保轮椅不仅仅是一种辅助工具。因此，轮椅的人体工程学研究显得尤为重要。
在人体工程学的范畴里，我们需要采用多学科的方式，以最大化优化用户与轮椅之间的互动效果。这种综合方法的目标是确保轮椅在效率、安全/健康、舒适性和性能等各方面都能够最大程度地发挥作用。在追求性能最大化的同时，我们必须确保不会对使用者的安全和健康造成任何重大损害。
van der Woude 等人提出了一个概念性模型，生动展示了一系列关键因素如何影响轮椅性能。这张图清晰描绘了与轮椅相关的多个因素之间的相互依赖关系，包括轮椅本身、使用者的个体特征以及二者之间的交互。图中通过突出一些与轮椅使用者组合相关的生理和生物力学因素，强调了采用多学科方法的必要性。
1. 座位的设置 Seat positioning
1.1 座椅高度 Seat Height：
调整座椅高度，可以实现 1.5% 的绝对机械效率提升。考虑到手动轮椅的机械效率通常低于 10%，这 1.5% 的改进相当于整体机械效率的 25% 增加，是一项相当显著的改善。
座椅高度的调整通常不是基于座椅到地面的绝对距离，而是根据使用者坐在轮椅上时，手放在轮椅最高点时肘关节的角度进行调整。这种方法是一种相对标准化的方式。与仅仅考虑绝对距离相比，这种座椅高度设置方法更注重用户的身体特征和舒适度。由于个体在身高、体重、肢体长度等方面存在差异，标准化的设置方法能够更灵活地适应不同用户的需求。
在轮椅座椅高度的选择方面，研究表明在 100-160 度范围内，选择高座椅（140-160 度）相较于低座椅（100-120 度）可能导致氧气摄入量（V_O2）的增加和机械效率的降低，表明高座椅在推动过程中的能量转化效率降低。
随着座椅高度增加，为了补偿使用者与轮子之间的距离，躯干的活动度增加，腹直肌与竖脊肌在长时间内保持活跃，同时腕关节和肘关节的活动也增加。此外，肱三头肌的激活程度更大。这可能存在上肢关节产生额外的负担，增加损伤的风险。
然而，值得注意的是，座椅高度也不是越低越好。70-90 度的座椅高度相比选择 90 度高度的座椅同样可能增加氧气摄入量，并且在推进功率输出方面也没有发现显著性的差异。
针对脊髓损伤早期患者，研究指出，在肘关节伸展角度为 100-130 度的范围内调整座椅高度，能够在最优化氧气摄入和机械效率之间实现平衡，这被认为是康复早期日常生活活动的最佳设置。
生理指标上，机械效率 (%) = 2.39 + 0.018 座椅高度 – 0.61 损伤程度 + 0.18 输出功率。
技术指标上，推动轮椅的有效力指数（Fraction Effective Force, FEF）与座椅高度损伤水平等因素的公式为：FEF (%) = 76.9 – 0.19 座椅高度 –7.6 损伤程度+ 1.1 平均输出功率。该公式表明，座椅高度每增加 10 度，有效力指数就会下降 1.9%；而四肢瘫的患者有效力的指数下降幅度要更多。
1.2 座椅的前后位置（Fore-aft position）
座椅的前后位置会影响使用过程中的稳定性，直接影响轮椅的滚动阻力（Rolling resistance），因为当座椅重心（the center of gravity）位于轮子正上方时阻力最小。
对于使用者的生理功能而言，座椅的不同前后位置影响不大。主要的影响体现在上肢关节的运动学和轮椅推进技术上。将座椅位置调整为稍微偏向后方，可以增加肩关节的活动范围，减少推动的频率和力量发展速率。因此，选择后向的座椅位置能够最小化肩关节损伤的风险，有助于保护使用者的健康和安全。
2. 后轮外倾角 (Rear Wheel Camber)
后轮外倾角是指轮椅的主轮与垂直轴之间形成的角度，通常呈现上窄下宽的形态。
增大的外倾角为轮椅带来一系列优势，其中包括更大的轮椅覆盖面，提高了外侧稳定性，使得轮椅在转弯时更为灵活，同时为使用者提供了更好的上肢保护。
然而，外倾角的增加也伴随着一些生理需求的提升。在日常使用的轮椅中，相较于 0 度外倾角，8 度的外倾角可能导致使用者的心率和氧摄取增加。而在轮椅运动领域，外倾角通常会达到 15 度至 24 度。尽管较大的外倾角在转弯时更为有利，但在直线冲刺性能方面可能并不具备太多优势。较大外倾角要求使用者更加主动地屈曲肩关节和伸展肘关节，这可能增加了使用者的肌肉负担。
3. 轮子大小 (Wheel Size)
轮椅的轮子大小对使用过程中的滚动阻力有影响，一般来说，较小的轮子在限定速度下会产生更大的阻力。
研究人员对轮椅大小从 0.59 米（24 英寸）到 0.65 米（26 英寸）的范围进行了研究。运动学分析显示，在使用不同轮子大小的轮椅时，上肢关节的运动没有显著差异。动力学分析表明，在相同速度下，使用小轮子（0.59 米）的用户在推动轮椅时切线方向的力和合力比使用大轮子的用户更大。此外，在短时间内肩关节受到的作用力上升较快，这意味着使用小轮子可能增加肩部受伤的风险。
从竞技层面考虑，大小轮子在从零开始的加速性能上没有显著差异，轮椅的操作性能方面也没有太大差异。然而，大轮子的轮椅可以获得更高的峰值速度。因此，对于接受过专业训练的运动员而言，0.65 米的轮椅可能更为合适。
4. 手轮把 (Hand-Rims)
过去的研究主要集中在研究轮椅把手的材料、形状和直径对操纵轮椅的影响。这些配置中，并没有发现生理或生物力学参数上的显著差异。然而，用户接受度 主观分析显示，圆柱形橡胶包覆的手轮在用户接受度和舒适性方面最为有利。
目前对日常轮椅设计的创新主要集中在手轮把的可变柔度和倡导「手轮把的自然舒适」，这些手轮在材料、形状和柔韧性方面与标准手轮有所不同。
在柔软、高摩擦的手轮中，已经证实了指和腕屈肌活动的减少。这能够对机械效率产生影响，可能是由于减少握住手轮所需的肌肉活动量导致的。在主观上，相对于标准手轮，『自然舒适』的手轮减少了手腕疼痛并改善了推动轮椅的便利性。
通过对轮椅座位设置的综合讨论，我们深入了解了座椅高度、前后位置、后轮外倾角、轮子大小和手轮把等方面对轮椅性能和使用者生理的影响。在未来的轮椅设计中，综合考虑这些因素，为使用者提供更符合个体需求的座位设置是至关重要的。这不仅有助于提升轮椅的机械效率和性能，同时也能够最大限度地减少使用者在日常生活中的不便，促进身体康复，实现更加自主、舒适的移动生活。
参考文献：
[1].Mason, B. S., van der Woude, L. H., & Goosey-Tolfrey, V. L. (2013). The ergonomics of wheelchair configuration for optimal performance in the wheelchair court sports. Sports medicine (Auckland, N.Z.), 43(1), 23–38. https://doi.org/10.1007/s40279-012-0005-x
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