智能轮椅结构设计与研究

天津科技大学硕士学位论文智能轮椅结构设计与研究姓名：任怡申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：张峻霞200903摘要随着我国人口老龄化问越来越严重以及肢体残疾人数量的逐渐增加，不断庞大的肢体残障群体对辅助步行工具的需求日益提高。智能轮椅作为先进的代步工具能有效帮助他们提高行动自由度及重新融入社会。而我国智能轮椅设计起步晚，在机构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距，基于此，本文依据人机工程学的相关理论，综合应用计算机辅助设计的设计了一种多功能智能轮椅来满足残障人群的需要。本论文经过对我国现有的智能轮椅结构和功能的比较与后，确定了本文智能轮椅结构上需具备的基本功能。针对功能要求，完成了具有辅助站立和平躺功能的智能轮椅的机构设计，建立了站立机构的几何模型并进行了分析计算。进而根据人机工程学中人体生物力学及座椅设计方面的知识，对轮椅整体尺寸进行了设计。采用虚拟样机技术，在UGNx环境下，使用自顶向下和自底向上相结合的建模方法对智能轮椅结构进行实体建模、虚拟装配，建立了轮椅的三维数字化模型。利用UG自带的M．otionSimulation模块对轮椅三维模型进行了运动学仿真，得到的仿真动画与设计要求相一致，从而验证了轮椅设计的合理性。通过对驱动电机、电动推杆等关键零部件的参数选型后，对智能轮椅的最大速度、爬坡角度等运动参数进行了校核，所得到的各项数值符合我国电动轮椅的国家标准要求。’本文通过对智能轮椅结构的创新设计，使轮椅结构本身实现了多种功能，有助于提高残障者生活质量：同时改变了传统的设计方法，利用虚拟样机技术缩短了设计周期，提高了设计效率。关键词：机构设计；人机工程学；虚拟样机；运动仿真；参数校核ABSTRACTWiththemoreandmoreseVereinfluenceofagingofpopulationandtheincreasingnumberofdisabJedman，thedemandsofthehandicappedforaidwalkinstrumentsisincreasing．AsadVancedtoolsinsteadingofwalk，theintelligentwheelchaircouldhelpthehandicappedimproVeactiVitydegreeoff．reedomandme唱eintosocietyoVeragain．Theresearchofourintelligentwheelchairbeganlaterthanothercount“es．IthaVegapthatcompairedourintelligentwheelchairmechanismincomplexityandflexibilitywithothers．Based￡凼oVe，according白oErgonomics，thispaperdesignsamulitif．unctionalintelligentwheelchairf-0rthehandicapped’sdemandsusedbyComputer-aideddesignmethods．Thispaperdefinesf．unctionofwheelchairaRercompairingandanalyzingsomekindsofwheelchairsinexistence．ThewheelchairmechanismmatcallaidstandingandlyinghasbeendesignandthegeometricmodeIofstaJldingmechanismhasbeenbuiItandanalysed．Thedimensionofwheelchairhasbeendesignbasedonhumanbiomechanicsandprincipleofdesigningchair．Threedimensionalmodelofintelligent、vheelchairhasbeenfinishedunderUGNXbyuseingVirtualprotopypetechonology．UnderUGMotionSimulation，thewheelchairmodelw嬲simulated锄dtherationlityofmechanismdesignwasVerifiedbytheresultofmotionsimulation．Themotionparameterssuch觞maxVelocity锄drampanglehavebeencheckedaRerchoosingpiVotaJp抓s，forex锄ple，eIectricengimandelectricpushrod．T11eresultaccordstomenationaIst觚dardofelectricwheelchair．Inthisdesign，throughinnovativIydesignofwheelchair’sstmcture，themuItifunctionhasbeenca盯iedout．IthelpstoimproVequa“tyoflifeofthehandicapped．Thedesignef五ciencywasimproVedandperiodwasshortenedusdVirtualprotopypetechonologydif蚤brent矗．0mtraditionalmothed．I(eywords：MechinismdesigIl，Ergonomics，Virtualprotopype，Motionsimulation，Parametercheck天津科技大学顺J：学位论文l绪论1．1课题的研究背景及意义我国是世界人口最多的国家，老龄化和残疾是我们不得不面对的重大问题。据老龄委统计结果显示，截至2004年底我国60岁以上的老年人已达到1．43亿，占全国人口总数的lO．97％以上。预计到20lO年我国老龄人口将达1．6亿，约占人口总数的12％，并将于2020年达到2．48亿，而到2050年前后老年人口总量将超过4亿【lJ。这将意味着我国正面临着世界各国从未遇到过的一场人口危机，即不远的将来我国有劳动能力的人的数量将大幅度减少，而需要照顾的高龄者人数将要增加。高龄人的一个很大的障碍就是步行能力减弱，最后还可能无法行走，在这种条件下，需要有劳动能力的人照顾他们。另外，随着科技的进步、工业的发展、交通的紧张，意外事故频繁发生，残疾人数量在急剧增加。我国的残疾人口每年以七十万到八十万的速度在增长，也就是说，每天增加两干多名残疾人，每四十秒钟左右就要增加一名残疾人。据2006年4月1日起至5月31日结束的第二次全国残疾人抽样调查，目前，我国各类残疾人总数8296万人，残疾人占全国总人口的比例为6．34％。各类残疾人的人数中肢体残疾2412万人，占29．07％【引。由于这一类人群丧失了行走能力，因此他们的各种生活权益急需要得到保障，残疾群体的特殊需求也应得到关注。为了给老年人和残障人士提供安全可靠、性能优越的代步工具，帮助他们提高行动自由度及重新融入社会，将智能机器人技术应用于电动轮椅的智能轮椅越来越引起全社会的重视和关注pJ，对于这方面的基础研究和产品设备的开发也将是我国未来经济发展的重要课题。目前我国市场上所能见到的轮椅产品主要分为手动和电动两大类，其中手动轮椅因其价格低廉，得到市场青睐，但由于手动轮椅使用主要集中在上肢健全的青壮年范围内，从而限制了老年人和一部分残疾人的使用，在经济条件允许的状况下，电动轮椅成为了他们的必然选择。电动轮椅一般分为室内型、室外型和道路型三种，在我国市场上都能见到。但是我国电动轮椅一般只是在手动轮椅基础上增加动力源和控制单元，功能单一，从安全性、可靠性及功能性上均不能充分满足老年人、残疾人的实际需求。因此研发功能丰富、价格适中的智能轮椅产品，给老年人、残疾人提供优越的代步工具，从而改善该人群的生活质量、帮助他们重新获得生活能力，找回自尊、自立的感觉，帮助他们重新融入社会，提高他们对生活的乐趣和信心，减轻家庭及社会负担，促进社会和谐发展具有重要意义并将产生巨大的社会效益。1．2智能轮椅国内外研究现状及发展趋势智能轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅，融合多种领域的研究，包括机器视觉、机器人导航和定位、模式识别、多传感器融合及用户接口等，涉及机械、控制、传感器、人工智能等技术，也称智能轮椅式移动机器人【4J。l绪论1．2．1智能轮椅国内外研究现状1933年，美国一位名叫赫伯特·埃弗雷斯特的采矿工程师，在一次井下事故中受重伤，致使下肢瘫痪。为了能更好地行动、生活，他在邻居哈瑞·詹宁斯的帮助下，研制发明了世界上第一辆可折叠式便携轮椅，获得了专利。后来，埃弗雷斯特和詹宁斯成立了以他们名字命名的世界上第一家专门生产轮椅的公司。自1986年英国开始研制第一辆智能轮椅以来，许多国家如美国、德国、西班牙、法国、日本及加拿大都投入较多资金进行了研究⋯41，由于各个实验室研究的目标和方法不同，解决的问题、研制出样机达到的能力也不同。如美国麻省理工学院WHEELESLEY项目、法国VAHM项目、德国乌尔姆大学MAID(老年人及残疾人助动器)项目、BremenAutonomousWheelchair项目、西班牙SIAM0项目、加拿大AAI公司TAO项目、欧盟TIDE项目、KISS学院TINMAN项目等。初期的研究，赋予轮椅的功能一般都是简单的运动、速度控制及避障等低级控制。随着机器人控制技术的发展，移动机器人大量技术应用于轮椅，智能轮椅在更现实的基础上，有更好的交互性、适应性和自主性。西班牙SIAM0始于1996年，目标是根据用户的残障程度及特殊需求建造多功能系统。为达到要求特别研究了系统的模块化和灵活性，设计了分布式构架，着重开发了人机界面，使用户更易于控制轮椅。法国1989年开始研究的VAHM项目，智能轮椅由轮椅主体、PC486、超声波传感器、人机界面和一个可匹配用户身体能力转换的图形屏幕组成，设置为手动、自动和半自动三种模式。德国乌尔姆大学在一个商业轮椅基础上研制了轮椅机器人MAID，该轮椅机器人能够自动识别和判断出行驶的前方是否有行人挡路，或是否可能出现行驶不通的情况，自动采取绕行动作，甚至还能够提醒挡路的行人让开道路。麻省理工智能实验室WHEELESLEY项目的智能轮椅威尔斯利，配备有计算机控制和传感器，还装有一个Macintosh笔记本电脑用于人机界面交互。用户可通过菜单、操纵杆和用户界面三种方式来控制这台轮椅。该轮椅在国际联合会的机器人轮椅展览中夺得第一，且是唯一不需要人来指导即可穿过门口的机器人。从国外发展趋势上看，现在的轮椅设计更趋向于充分考虑人体的差异性，研发因人而异配置的轮椅车，以满足个人特殊的需要。我国的智能轮椅研究起步较晚，在机构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距，但也根据自身特色研制出了技术指标接近国外先进水平的智能轮椅。研究单位有中科院自动化研究所、台湾中正大学电机系、上海交通大学和第三军医大学等。但是高端智能轮椅的研究仍停留在实验室或是少数定做的模式，并没有真正产业化，就总体水平而言，我国在轮椅车领域的技术和成果还不能满足残障人士的需求，所以在研究上仍有许多空间lI51。1．2．2智能轮椅的发展趋势目前智能机器人技术应用于智能轮椅已取得了一定成效，从技术上能够较好地满足残障人士和老年人的需要，但是在实用性能上还需要进一步完善和提高。主要表现2天津科技人学硕十．学位论文在一些高技术仍处于研发和试验阶段，成本较高，结构化、系统性不强。文献[16．17】中说明了智能轮椅技术未来的研究会朝以下几个方向发展：(1)智能化智能轮椅除了具有基本的自主移动，拿取和运送物品等功能外还应进一步提高智能水平，优化控制算法，增强自动规划，使机器人体察用户意图，在简单指令下自主完成各种操作。所以需要综合应用各种智能控制技术，开发和完善灵活丰富的人机接口，同时结合计算机通讯、网络技术和智能家居技术以适应远程通讯的需要，使智能轮椅能更有效地将用户和社会生活环境融合起来。(2)人性化智能轮椅是为残疾人和老年人设计的，更应根据他们的生理和心理特点，从细微处出发，考虑到他们的特殊需要，设计安全、舒适、合理的智能轮椅，如增加轮椅可以上升的功能，以便者和正常人对话；选择透气性好的座垫；安装报警装置；使轮椅操作方式尽可能简单，这样，智能轮椅才能真正步入家庭，成为残疾人得力助手。(3)模块化要实现智能轮椅的批量生产、技术兼容性和简易快捷的更新能力，必须实现模块化。整个系统功能应有基本模块和各个功能模块构成，每个功能模块负责一种功能，用户可以根据需求选择，配置最合适的轮椅。同时，模块化也能降低成本，提高性价比。(4)产品化尽管智能轮椅的研究已有相当长时间，但目前还没有任何一款成为产品。要想智能轮椅真正被广大用户接受，必须降低价格、采用开放式系统结构、根据用户残障程度不同组合最优系统、建立一套安全使用评估机制等。从技术上讲应使智能轮椅具有高度的智能和自主能力，但这样一来将使用户仅剩的运动技能也荒废了，独立的人格尊严也被剥夺了。从辅助和医疗健康上讲应尊重和开发用户的技能，培养独立的心理。随着机器人技术的研究和发展，利用使用者的特长并结合机器的优势，面向人性化、功能化进行智能轮椅的设计，必然会使这种产品真正走入残疾人和老年人的生活，改善他们的生存质量。1．3课题的来源及研究内容本课题来源于国家高技术研究发展(863计划)——智能轮椅关键技术、单元部件及目标产品的研发。根据调研，智能轮椅在国外已取得长足的发展，而在国内却是近几年才开始研究，还缺乏深层次的讨论，智能轮椅作为帮助残疾人的一种服务机器人，目前其研究重点在以下几方面：l、研制具有高可靠性、高传动效率减速机构的驱动单元；2、研制用户操作方便、能够根据环境和用户身体状况来选择的交互式人机接口；3、环境感知模块的设计即如何改进算法使智能轮椅在运动过程中对多传感器得来的信息进行融合，结合已知环境信息及与用户之间的通讯来实现有效的安全避障，防止出现跌落倾l绪论翻等事故。以上的研究内容主要强调了智能轮椅的自动化水平，忽略了轮椅机构设计的实用性和人性化功能。表1．1提出了轮椅使用者对现有轮椅在使用及人机工程学设计的某些不合理方面，并总结了使用者提出的愿望。表1．1轮椅使用者遇到的挫折和愿望分析Tab．卜1ThefrustrationanddesireanalysisofwheelchairuserS．挫折愿望轮椅与其他生活用品不匹配，在完成任务时相当困难和辛苦有时会阻碍与他人交流身体疲劳难以改善轮椅外观有所改善除了是代步工具以外，最好增加一些功能，如辅助身体康复锻炼增加轮椅的乐趣，让使用者可以自娱自乐为了满足使用者的愿望需求，本文围绕智能轮椅的结构设计进行研究，达到使用者能够借助该轮椅自理生活，胜任适当的工作，并能够辅助进行康复锻炼的目的，使智能轮椅在结构功能上能够突破传统轮椅。本课题的设计主要面向下肢轻重度残疾者和行走能力弱的老年人，研究开发一种室内外两用的、可辅助站立及椅背自由倾斜的智能轮椅车车体结构。本论文主要在以下几个方面开展了工作：(1)通过查找国内外轮椅车专利，对国内外现有的轮椅车结构进行分析研究，找出当前轮椅车结构设计方面存在的缺陷和不足及影响使用者使用的各方面不利因素，并通过大量调查，了解现代人群对轮椅车的使用要求和建议，在设计构思中加以采纳和应用；(2)依据残障者的生理需求和心理需求的分析总结出的轮椅车结构功能要求，提出了轮椅机构的设计；(3)确定具有立卧功能的轮椅设计方案，完成辅助站立机构及椅背自由倾斜机构的设计，建立了几何模型并进行了运动学计算；(4)根据人机工程学中人体测量尺寸数据对智能轮椅的整车尺寸进行设计，使轮椅更符合中国人体的尺寸，使用更加舒适；(5)利用UGNX5软件实现车体的三维建模，创建部件效果图和整车效果图，用Aut0CAD对部件进行详细设计，把传统车身设计与制造方法和现代化计算机设计技术紧密结合起来；(6)利用UG中M砸onSimIll撕on模块，对轮椅的站立及椅背倾斜机构进行运动学仿真，从仿真结果中提取出数据并进行分析；(7)根据对电机、电动推杆等零部件选型的参数，对轮椅车进行运动参数校核。4天津科技大学硕士学位论文1．4本章小结本章在介绍了目前我国残疾人数量不断增加、人口老龄化速度加快的社会现状的基础上，简要地概述了轮椅对此类肢体残障人群的重要性，接着又对智能轮椅国内外的发展现状及发展趋势做了综述。最后针对实现人性化智能轮椅的设计要求，介绍了本课题的研究内容。2智能轮椅的功能与结构设计2智能轮椅的功能与结构设计机械产品设计是人的一种创造性活动，是为了满足人们某种需求而进行设计的。在进行具体的产品设计之前，除了要掌握一些原理技巧，还需要了解客户与市场的需求，以及认识产品设计原则与规范——人机工程学原理，针对客户需求对产品进行功能设计，进而寻求方法解决如何实现所设计的功能【13】。产品设计的流程如图2．1所示。图2-I产品设计流程图Fig．2·lFIowcha^ofp硎uctiondesign．2．1产品需求分析产品需求调查和分析的目的是为明确市场的需求，即消费者需要什么样的产品，这些产品所应该具有的功能是什么等，它主要指导全新产品的开发【悖l。产品需求分析与定位是产品设计的起始阶段，它指出了产品设计与发展的方向。开发的产品能否在6天津科技人学硕}：学位论文市场上占有优势，能够获得消费者的认可，在很大程度上取决于最初的产品分析与定位。2．1．1残障人心理需求分析肢体残障者由于自身的缺陷或障碍，影响了他们正常参与家庭生活及社会生活，这样在心理上就会容易产生自卑感和孤独感【2m22J。他们希望能够通过代步工具来帮助他们和健全人一样进行正常的学习、生活和工作，减少肢体残障给他们带来的不便，使他们的自尊心能够得到满足，也增强他们的自信心。2．1．2残障人生理需求分析对于下肢残障者来说，由于下肢活动性的限制，坐姿他们是同常生活中最主要的行为方式。长期维持坐姿对身体健康状态有一定的影响【23。24J。坐姿是人体的一种自然姿势，它的优点是：当站立时，人体的足踝、膝部、臀部和脊椎等关节部位必须以静态肌力使之处于一定的位置，而当坐姿时这些肌力即可免除，减少了人体的耗能。坐姿比立姿更有利于血液循环。人站立时血液和组织液会向腿部蓄积，坐时肌肉组织松弛，腿部血管内的血流静压力降低，血液流至心脏的阻力就会减少。同时，坐姿在某些方面也存在缺点，其中最重要的是它限制了人体的活动性。此外，长期的坐姿对人体健康不利，它会引起腹部肌肉松弛、下身肿胀，静脉压力增大，大腿局部受到压力增加血液回流阻力，脊柱不正常的弯曲，以及对某些体内器官的功能(如消化器官、呼吸器官)造成损害等。而且坐姿在人体的主要支撑面上产生的压力，一段时间内就会引发不舒适的感觉。坐时人体的臀部部位(骨盆)就像是一个不稳定的倒立三角形，与座面接触的仅是两块圆形的骨头，即坐骨结节，其上有很少的肌肉。人体大约75％的体重都由这两块坐骨结节和位于其下的肌肉来支撑，因此足以产生压力疲劳。就生理学观点而言，压力疲劳会使血液循环至毛细血管的压力降低，血液循环受阻影响到皮肤屑的神经末梢，导致痛楚麻木等感觉。人体若长时间(约4h以上)不活动，控制血液流通的生理机能就会衰退，循环到臀部毛细血管的血液量降低，此种现象伴随施加于肌肉的压力负荷不断增加，压力疲劳随之来临。不过，如果人体所有的主要构件能定期地活动，减少一个姿势保持的时间，就能延迟这种疲劳的来临。这是因为改变了负荷状况使肌肉变换伸张或收缩从而适应了新的重力状况。经过从人体生物力学角度对坐姿的探讨总结发现，对于依赖轮椅参与日常生活的肢体残障者来说经常变换身体的姿势能够有效减少身体疲劳，降低肌肉负荷，促进全身血液循环并能够减少发生压疮的可能，因而在考虑智能轮椅结构设计时，应考虑使轮椅能以简单的控制方式实现辅助人体姿态的变化。另外，本文设计是为我国残障人服务的，因而应根据我国人体的尺寸标准进行设计，使其更适合我国残障人群使用：72智能轮椅的功能与结构设计2．2国内外现有轮椅产品的结构分析为了设计出一种能够满足残障者生理及心理需求的智能轮椅，确定本设计应具备的功能，首先通过查找国内外轮椅车专利和市场调研分析目前产品结构设计存在的优势和不足以及对影响使用者使用的各方面因素做了深入的认识和了解，并对各种轮椅的结构进行了总结，为本课题的智能轮椅结构设计奠定基础。在这一部分里简要分析现有几种轮椅结构的优缺点。(1)可折叠型结构如图2．2所示的折叠轮椅是在传统可折叠的手推轮椅的基础上加上了驱动电机及控制模块。机构设计上采用了最常见的剪式伸展方式，两支撑杆在中点处铰接，它是电动轮椅中结构最为简单的。这种轮椅的优点是电池可以方便地拆卸下来，轮椅可以折叠，缩小其收藏体积以便于外出车载携带及上下楼的搬运，操作简单、快速、故障率底。并且在电池电量耗尽的时候使用者可以使用手推方式，避免了电池电量不足时无法使用的问题。这种轮椅的缺点是结构固定，功能单一。图2—2折叠轮椅Fig．2-2FOIdedwh∞lchair．(2)靠背倾斜结构目前市场上出现了很多靠背可向后倾斜的轮椅，如图2．3所示。这种结构轮椅是通过靠背后面手推架上固定的手闸控制气动弹簧的收缩和伸长，使得椅面围绕一个固定轴旋转，从而达到靠背倾斜的效果。为了使靠背倾斜时使用者能够达到舒适的姿态，脚靠的设计也配合能够多角度的自由调节。此种轮椅机构的设计考虑到了使用者长期坐姿引起的疲劳问题，靠背的倾斜能够使使用者变换位姿，减少对坐骨及腰椎的压力，舒适性大大增强。但是存在的问题是在靠背后面的手闸的操作，使用者自己操作必须上肢具备一定的活动能力，对上肢无力的使用者来说必须要借助于护理者的帮助，因而这种结构更适合于老年人的基本护天滩科技人学倾lj!学位论义理使用，对于上肢残障或无力者来况使用困难。图2—3靠背1顷斜式轮椅Fig．2—3Wheelchairoftilitingbackrest．(3)水平升降式结构由于轮椅使用者坐姿的局限性，所能触及的最大高度较正常人低，因而在日常生活中势必会造成不便。图2—4中的水平上升式轮椅就解决了残障者高处取物难的问题。此种结构椅座由一根电动推杆支撑，因而在推杆的选择上就必须注意推杆的功率和强度。另外一个问题是支撑面积小，若使用者在活动中重心偏移较大容易引起轮椅的倾翻，对使用者身体造成二次伤害。因而该结构的设计存在安全稳定性不足的问题。图2．4水平升降式轮椅Fig．2-4EIeVatingwheeIchair．92智能轮椅的功能与结构设计(4)站立式结构站立式结构设计如图2—5所示，提供了多种日常生活所需的功能，能够帮助使用者大幅度改变身体位姿，有效减少压疮的产生，并有利于进行身体康复锻炼。但是在设计上存在着重心稳定性的问题：图2—5中(a)所示四轮站立式结构轮椅在站立过程中人和车的重心逐渐前移，容易发生向前倾翻造成危险。若在车体后面加重质量来保证重心稳定那么对电机功率的选择等都会造成影响。图2—5中(b)轮椅的设计解决了重心前移所造成的稳定性差的问题。其在车架设计时在轮椅腿靠部分加长形成支点，当使用者站立时有固定支点，重心在支点与后轮之间，安全性高。但当形成站立姿势时，由于重心的前移，压迫前面万向轮，轮椅无法行驶，站立时无法实现位置的移动。图2—5站立式轮椅(a)无支点型：(b)有支点型Fig．2·5S咖dingwheeIchair．(a)nonsupportedstyle：(b)supporteds妙Ie2．3智能轮椅的功能设计根据上一节对几种轮椅结构的分析总结出目前市场上的产品主要缺点是功能单一，结合残障者同常生活所需要的高端取物、与床之间的对接及辅助身体康复锻炼等功能的轮椅产品还不成熟，在一定程度上无法满足残障者的需要【25-281。而为了满足不同功能需求而购买多种医疗辅助器械又会增加患者的经济负担，为此设计一种通过操纵杆实现多种功能的智能轮椅，对提高残障者生活质量、帮助他们实现自立、减轻护理人员工作强度是非常必要的。基于残障人生理及心理的需求，智能轮椅的功能设计应结合现有产品的优势，针对存在的不足提出尽可能满足使用者多种需要的高端轮椅设计方案。本文归纳了多功能智能轮椅在功能设计上的几点要求：(1)通过控制操纵杆辅助使用者站立和平躺：IO天津科技人学硕士学位论义(2)轮椅在站立姿态下能够自由行驶：(3)能够实现床与轮椅的水平对接。这样的功能不仅能够解决残障者同常生活中的不便问题，提高行动自由度还能够辅助完成一些简单的身体康复锻炼，促进残障者血液循环、促进组织修复、增强心肺功能，减少长时间坐姿疲劳：对于护理人员来说减少了将残障者在轮椅与床之间移位的次数，降低了劳动强度。2．4智能轮椅的结构设计根据智能轮椅功能的设计要求，实现辅助站立和仰卧的功能是整个机构设计中的关键问题。由于要求智能轮椅既能实现立卧功能又能够在站立时行驶，因而本文提出一种具有六轮结构并由两个电动推杆作为主动件分别实现站立和平躺动作的平面多连杆轮椅结构。2．4．1智能轮椅的结构方案及工作原理机械结构方案设计就是在对产品主要功能进行分析的基础上通过创新构思、优化筛选出最佳的工作原理方案。机械方案设计对产品的结构、工艺、成本、性能和使用维护等都有重大影响，是决定机械产品的质量、使用功能、产品水平、竞争能力和经济效益的关键环节。而机构设计又是一个好的机械方案设计能否实现的关键。机构的选型和设计是机械设计的核心和首要环节。机构包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇机构等，其中连杆机构是其它机构的理论结构原型，是机构的结构理论的主要研究对象。连杆机构全部采用低副连接，结构简单易于制造，结实耐用，不易磨损，能够实现多种运动规律而且连杆机构的复杂性不一定随所需完成的运动规律性的复杂程度而增加。连杆机构还具有一个独特的优点就是可调性，通过改变机构中各杆件长度，能够方便地改变原机构的运动规律和性能。连杆机构由于结构上的特点在各种机械行业被广泛应用。通过对连杆机构的设计，可以实现不同的运动规律，满足预定的位置要求和满足预定的轨迹要求渺强J。本课题中设计方案的核心思想是将椅背、座面、脚踏板和底架简化为多个杆件以铰链形式联接起来，由两个电动推杆作为主动件分别实现站立和平躺的功能，这样不仅使结构设计简化更有利于轮椅控制单元的设计。另外，为了实现轮椅站立姿态下的自由行驶，本文提出了六轮结构的设计方案。所谓六轮结构就是在轮椅底架前端安装两个可以实现任意方向转向的万向轮，在后面安装两个带有直流电机和减速器的驱动轮，在脚踏板两侧设计两个小轮机构随着脚踏板的运动实现与地面的支撑和分离以防止由于站立过程中人车整体的重心前移而导致轮椅车失衡。使用平面多连杆机构能够实现期望的多种运动规律和运动轨迹要求，而且结构简单，容易制造，工作可靠。智能轮椅车的整体机构简图如图2．6所示。2智能轮椅的功能与结构设计尸N1图2-6轮椅整体机构简图Fig．2—6SchematicdiagramofmechanismofwheeIchair．2．4．1．1站立机构工作原理本机构如图2．7所示，由一个电动推杆控制，9个活动构件和13个低副构成，根据自由度的计算公式得到此机构自由度为F=3甩一(2pl+ph)=3×9一(2×13+0)=l(2-1)上式中n为活动构件数，pl为低副数，pll为高副数。在机构中，彳，C、F、日，三为轮椅底架上的固定点，C、D，层、尸四点构成了一个平行四边形。其工作原理如下：当座面推杆匀速伸长，杆3以C点为圆心逆时针转动，杆4随杆3的转动在平行于CF的方向上平动，由于CD盯是平行四边形，因而杆5与杆3有相同的运动规律。在杆5与杆6的拉动下杆7以日点为圆心逆时针转动即向内侧收回，此时座面倾斜角度逐渐变大，脚踏板内收，逐渐形成站立姿态。在杆7收回的同时由于杆9与机架相连，在杆7的拉动下杆8绕J点顺时针转动，同时杆9绕L点逆时针转动，此时足点向下方运动，此过程使得联接在脚踏板上的小轮机构实现了与地面的支撑。12天津科技火学倾J：学位论文(a)(b)图2．7轮椅站立机构简图(a)初始位置(b)最终位置Fig．2-7SchematicdiagmmofstandingmechanismofwheeIcha．r．(a)originalposition，(b)finaIposition2．4．1．2平躺机构工作原理在平躺机构运动时，站立机构运动锁定，D点成为机架上固定铰链点。平躺机构初始位置(实线)及平躺推杆收缩后倾斜65度(双点画线)时的位置如图2．8。平躺机构是以M点为固定点进行定轴转动的，铰链点Ⅳ的运动轨迹就是以D点为圆心以杆lO的长为半径的一段圆弧。平躺机构的运动角度由推杆的行程长短决定。、、、、III二二：h‘∥，图2-8轮椅平躺机构简图Fig．2-8Schematicdiagram0fsupinemechanismofwheelchair．2智能轮椅的功能与结构设计2．4．2站立机构的运动分析机构的运动参数及其变化规律与机械所要完成的工艺动作的质量有直接关系，构件的运动参数又是机械动态静力分析的依据，动态静力分析又是构件结构和承载能力设计计算和选择动力机功率的重要依据。因而机构的运动分析与动态静力分析是机械设计中不可缺少的环节。对机构进行运动分析是为了在已知机构尺寸及原动件运动规律的情况下，确定机构中其他构件上某些点的轨迹、位移、速度及加速度和构件的角位移、角速度及角加速度。这些内容对设计新的机械、了解现有机械的运动性能都是十分必要的，而且它还是研究机械动力性能的必要前提。机构运动分析的方法很多，主要有图解法和解析法。当需要简捷直观地了解机构的某个或某几个位置的运动特性时，采用图解法比较方便，而且精度也能满足实际问题的要求。而当需要精确地知道或要了解机构在整个运动循环过程中的运动特性时，采用解析法并借助计算机，不仅可获得很高的计算精度及一系列位置的分析结果，并能绘出机构相应的运动线图，同时还可把机构分析和机构综合问题联系起来，以便于机构的优化设计。本设计中的站立机构杆件较多，结构复杂，采用矢量方程解析法【33．341对其进行运动分析有助于精确知道其在整个运动循环过程中的运动特性。建立如图2．9所示的坐标系，C点和日点共线，以过彳点的水平线和过C点垂线的交点为坐标系原点，洲为X轴正方向，DC为Y轴正方向，夹角以逆时针方向为正。图2—9站立机构几何模型和坐标系图Fig．2—9Geometricmodel粕dcoordina恼ofstandingmech卸ism．14天津科技人学硕lj学位论文根据图中封闭向量关系利用解析法可得到下列等式：吩+‘2眨将向量分别向x、y轴投影得到等式：消去Ol，求解(2．3)式可得到：又有：=吩cos岛=吒sin岛嘲⋯s。’(掣)=扣rctan筠=一兀+arctan÷-—壬2IDCI(2·2)(2—3)(2—4)(2-5)其中r2是己知变量，将o2代入(2．3)式中可求得ol。根据各向量的几何关系，可得出以下各位置参数表达式：幺=岛+口+夕一兀=岛+c。s。1(掣)+c。s一(掣)一兀c2-6，见=岛+口一万=岛+c。s一(筹]一c。s一(等]岛=旯+见一2兀=c。s一(掣)+依一2冗岛=岛+≯=岛+c。s。1(掣)岛=冗一岛一厂=兀一岛一c。s一(掣]q。=岛一伊=岛一c。s一(掣)(2·7)(2-8)(2·9)(2-10)(2-11)”2一脒“n一[业等趔]=2，c—s一(％≯]+sin。‘[业等趔]L‘‘JLzrI，‘6一，L1‘J式(2-12)中，Ly表示三点Y方向的坐标值。15(2-12)qB?蛐q，++BBSn甲似Xy，●●●，、●【2智能轮椅的功能1j结构设计当轮椅车的结构参数确定时，可以求解某一铰链点的轨迹，例如图2．9中K点的位移轨迹为：{￡谧蒜意主臻‰陋∽【Y_：鲫一(13sin岛+r15sin口II)⋯⋯72．5本章小结本章在对残障人使用轮椅过程中心理及生理需求进行分析的基础上，结合国内外现有产品的优缺点进行了比较后，提出了本文智能轮椅的功能设计方案。针对功能设计提出了轮椅的机构设计简图并分析了其原理及运动规律。16天津科技大学硕jt：学位论文3基于人机工程学的智能轮椅尺寸设计传统的医疗器械设计以设计产品为主要目标，更多地考虑产品本身功能的实现，虽然也或多或少地涉及了人的因素，但主要是考虑如何让人适应机器，而没有把人作为设计的一个目标。随着社会发展、技术进步、产品更新、生活质量与效率的提高，人们越来越注重康复医疗器械产品的方便、舒适、可靠、安全和效率等各种指标的全方位的评价，因此就需要对医疗器械进行人机工程学设计，使其适用于人的操作、使用舒适，从而达到人机和谐的要求。3．1人机工程学概述3．1．1人机工程学的概念人机工程学(Man。MachineEngineering)是研究人、机械及其工作环境之间相互作用的学科1351。该学科在其自身的发展过程中，逐步打破了各学科间的界限，并有机地融合了各相关学科的理论，不断地完善自身的基本概念、理论体系、研究方法以及技术标准和规范，从而形成了一门研究和应用范围都极为广泛的综合性边缘学科。因此，该学科具有学科命名多样化、学科定义不统一、学科边界模糊、学科内容综合性强、学科应用范围广泛等特点。人机工程学在我国起步较晚且在国内的名称尚未同一，除人机工程学外，目前常见的有：人体工程学、人类工效学、人一机一环境系统工程等。在本论文研究中统一采用“人机工程学”作为学科名称。通过各国对人机工程学的定义进行总结，可以认为：人机工程学是以人的生理、心理特征为依据，以提高人的工作及生活质量为目的，综合应用生理学、心理学、生物力学、卫生学、人体测量学、劳动科学、系统工程学、社会学和管理学等多门学科的知识和成果，研究生产领域内人、机械、环境三者之间的相互关系和相互作用，为设计操作简便省力、准确安全、高效舒适的人一机—环境系统提供理论依据和方法的科学。其研究宗旨是将人一机一环境三者作为一个统一的整体来研究，以创造最适合于人工作的机械设备工作环境，使人一机一环境系统相协调，从而获得整体系统的最优化结果。总而言之，由于人机工程学将人体科学与工程技术科学两大类科学紧密结合，因此，不仅具有明显的提高生产效率的实践意义，而且更具有理论研究上的开拓意义。它的研究和发展，丰富和扩大了人体科学和工程科学的内涵和外延，直接影响和推动该两大类科学的发展和进步p们。3．1．2智能轮椅设计中人机工程学研究的目的和内容智能轮椅总体结构设计的核心是“人一机一环境”整个系统。在本文研究的“人一机一环境’’系统中，“人"是指肢体残障的使用者尤其是下肢残障群体；“机"对应为使用者操作控制的对象即智能轮椅，“环境”对应为影响残障者驾驶和乘坐行为的173基于人机T程学的智能轮椅尺寸设计空间环境。智能轮椅总体设计中提出的人机工程方面的性能要求，例如姿态的合理性、乘坐的舒适性、手脚的伸及性、身体的容纳、上下车的方便性及使用的安全性都是以“人”为主体提出来的。智能轮椅人机工程设计主要研究“使用者一智能轮椅一空间环境”系统中三要素之间的相互作用和相互关系。针对智能轮椅的设计进行人机工程学研究的主要目的有三个：安全、效率和舒适。第一是为了保证人的安全性。安全是人类的基本要求，尤其是肢体残障者，由于他们肢体的残障对心理上造成的影响，使得他们对安全的需求更为强烈，也更为必要。根据使用者的特性要求对传统轮椅进行相应的设计和改善，保证使用者操作的安全性，满足使用者的安全需求。第二是为了提高工作效率和质量。效率是人在满足安全感之后的另一需要。人机效率主要体现在人的使用操作上，在人与轮椅之间，效率是两者相互依靠和相互制约的共同结果。人机之间的匹配关系在很大程度上决定了人一机效率的高低。人机工程学认为人和机之间具有相关性，需要相互配合，并强调应根据人的特性来改善机器的设计，配合人的使用。当轮椅的设计与使用者的各种特性相匹配的时候，使用者就会感觉到操作方便，其效率也就会提高。第三舒适性是为了满足人们身心价值的需要。舒适是人的最高需求，舒适的状态对于提高效率也是有帮助的。在人与智能轮椅这样一个人一机系统中，由于人属于相对弱势的群体他们对轮椅的价值要求比较高，因而智能轮椅的结构设计要求就高。对舒适需要的满足，也是人机工程设计的目的所在。比如提高安全性、减少疲劳和压力、增加舒适感、增加使用满意度和改善生活质量等。总之，人机工程学的研究目的就是如何满足这三个方面的需要并达到人一机一环境系统总体性能的最优化。根据人机工程学的研究目的和方向，人机工程学的研究内容可以概括为以下几个方面f37】：(1)人体特性的研究。主要研究对象是：在产品设计中与人体有关的问题，如人体形态特征参数、人的感知特性、反应特性及心理特征等。研究目的是解决智能轮椅的设计如何与人的生理、心理特点相适应的问题。人体特性研究是进行智能轮椅整体设计的基础。(2)人机系统的总体设计研究。人机系统设计的目的是创造最优的人机关系和最佳的人机系统工作效能，也就是要在整体上使“机"与人体相适应。根据人和机的各自特点，合理分配人机功能，使其充分发挥在各自的特长，互相取长补短、相互协调、有机配合，保证系统的功能最优。(3)工作场所和信息传递装置的设计研究。工作场所设计的是否合理，将对人的健康舒适和工作效率产生直接的影响。工作场所设计一般包括：工作空间设计、座位设计、工作台和操纵台设计、作业场所的总体布置、工具设计等。研究作业场所设计的目的是使物质环境适合于人体特点，使人在从事劳动过程中身体健康不受损害，从而既能高效地完成工作，又感到舒适和不致过早产生疲劳。(4)环境控制与安全保护设计。进行人机工程学设计，不仅是要使人能够在短期内18天津科技人学硕{：学位论文有效完成工作，并且在长时间内不存在对健康有害的影响，并使事故危险性缩／J、至U最低限度。3．2人体测量学的基本知识3．2．1人体测量学定义为了使各种与人体尺度有关的设计对象能符合人的生理特点，让人在使用时处于舒适的状态和适宜的环境之中，就必须在设计中充分考虑人体的各种尺度，因而要熟悉人体测量学的知识和人体测量数据的性质及使用条件。人体测量学(An衄opometD，)p8】是一门新兴学科，是研究用何种精密仪器和方法，测量产品设计时所需的人体各有关参量，以研究人的形态特征，确定个体之间和群体之间的差异，以及如何将这些人体参数应用于产品设计的学科。人体测量学是人机工程学中构成人体科学的重要组成部分。人体尺寸是设计者确定其产品尺寸的重要依据之一。作为产品的设计者只有了解人体各部分的尺寸，才能预先确定产品的使用者在其有关位置上的能见范围和活动范围，并针对这些要求从人体的极限尺寸和所能采取的姿势的角度进行分析和做出判断。若设计中没有很好的考虑人体参数，很可能会造成操作上的困难、影响人机系统效率；还会造成人体过早疲劳，易发生危险。3．2．2人体测量学分类人机工程学范围内的人体形态测量学数据主要有两类，即人体构造尺寸和功能尺寸的测量数据【39砌】。人体构造上的尺寸是指静态尺寸；人体功能上的尺寸是指动态尺寸，前者如其定义所表明，主要取自静态、裸体并采取规范化姿势的人体对象：后者的人体测量数据比较复杂，一般具有三维空间，设计由四肢挥动所占有的空间体积与极限。这时不仅要考虑人体的静态尺寸，还必须考虑由关节类型和衣着所限定的约束类别。静态和动态的人体测量学尺寸对产品设计有很大的帮助。静态尺寸可以通过固定身体部位、标准姿势获得。静态人体测量学尺寸主要包括：身高、眼高、手掌长度、腿高和坐高。这些人体尺寸很容易通过人体测量仪器和工具获得。功能或动态尺寸是人在工作姿势下或在某种操作活动下的测量的尺寸。功能或动态尺寸包含着身体运动的一些形式。动态人体测量的特点是在任何一种身体活动中，身体各部位的动作并不是独立无关，而是协调一致的，具有连贯性和活动性。获得动态尺寸数据较静态尺寸麻烦。3．2．3人体测量中的主要统计函数由于群体中存在个体间的差异性，一般来说，某一个体的测量尺寸不能作为设计的依据。为使产品适合于一个群体的使用，设计中需要参考的是一个群体的测量尺寸。然而，全面测量群体中每个个体的尺寸又是不现实的。通常是通过测量群体中较少量个体的尺寸，经过数据处理后而获得较为精确的所需群体尺寸。193基于人机工程学的智能轮椅尺寸设计在人体测量中所得到的测量值都是离散的随机变量，因而可根据概率论与数理统计理论对测量数据进行统计分析，从而获得所需群体尺寸的统计规律和特征参数。文献【35】对这些函数做了说明。(1)均值表示样本的测量数据集中地趋向某一个值，该值称为均值。它是描述测量数据位置特征的值，可用来衡量一定条件下的测量水平和概括地表现测量数据的集中情况。对于有n个样本的测量值：xI，x2，⋯x。，其均值为：叉=型牛监=寺喜薯(3--)刀刀：，(2)方差描述测量数据在中心位置(均值)上下波动程度差异的值叫均方差，通常称为方差。方差表明样本的测量值是变量，既趋向均值而又在一定范围内波动。对于均值为夏的n个样本测量值：xl，x2，⋯x。，其方差S2的定义为：s2·击【(_一习2+(屯叼2+．．．+(吒司2】。者善(‘。)2(3_2)也可使用与上式等价计算又比较有效的公式，即：s2=士(西2+而2+．．．+吒2一厩2)2击(善葺2撕2)(3．3)(3)标准差由方差的计算公式可知，方差的量纲是测量值量纲的平方，为使其量纲和均值相一致，则取其均方根差值，即标准差来说明测量值队均值的波动情况。所以，方差的平方根SD称为标准差。对于均值为又的n个样本测量值：xl，x2，⋯xn，其标准差SD的一般计算式为：品《击c喜‘2崭，]j㈣(4)抽样误差抽样误差又称标准误差，即全部样本均值的标准差。在实际测量和统计分析中，总是以样本推测总体，而在一般情况下，样本与总体不可能完全相同，其差别就是由抽样引起的。抽样误差越大，表明样本均值与总体均值的差别大：反之均值可靠性就高。概率论证明，当样本数据列的标准差为SD，样本容量为n时，则抽样误差Si的计算式为：天津科技人学烦{：学位论文si=华(3．5)1√n(5)百分位与百分位数人体测量数据常以百分位数PK来表示人体尺寸的等级。a．百分位百分位是指分布的横坐标用百分比来表示所得到的位置，用百分位可表示“适应域”。一个设计只能取一定的人体尺寸范围，这部分人只占整个分布的一部分“域”，称为适应域。如适应域90％就是指百分位5％～95％之间的范围。百分位由百分比表示，称为“第x百分位’，．o如50％称为第50百分位。b．百分位数PK百分位数是一种位置指标，一个界限值。百分位数是百分位对应数值，在人体尺寸中就是测量值。一个百分位数将总体或样本的全部测量值分为两部分：有K％的测量值等于和小于它，有(100一K)％的测量值大于它。在人机工程学中可以根据均值又和标准差SD来计算某百分位数人体尺寸，可用下式计算：工=i±(SD×足)(3-6)式中K为变换系数。3．2．4人体测量数据的应用(1)包容空间设计：包容空间是指以人为中心，包容人体的空间，如车厢、通道、座椅宽度等，此时应以大个子作为设计标准，选取较高的百分位，一般来讲，适应域越宽的设计，技术成本方面的要求也越高，设计师应平衡各方面的因素，尽可能保证多数人群的使用要求。(2)可及范围设计：对于那些伸出四肢可能及的设计对象，如公共汽车内的扶手，椅面高度等，要考虑小身材的人能够适用，设计时应选取较小的百分位值。(3)两方面均有要求的设计对象：许多设计对象对最大和最小尺寸均有要求。如轮·椅脚踏板的设计，既要满足身材高大的人可以舒适地乘坐，又要保证身材矮小的人也能自如地操纵和观察。在设计中要同时照顾到这两方面的要求，可能的话将部件设计成可调的。以较小的百分位和较大的百分位作为调节范围的两极尺寸。3．3智能轮椅的尺寸设计3．3．1与轮椅设计相关的人体生物力学特性分析智能轮椅作为座椅中的一类其设计应符合人体生理学、解剖学尤其是脊柱的生物力学特性。当人处于坐姿时，支撑人体固定姿势的主要结构是脊柱、骨盆和腿足等。脊柱位于背部的正中，通常分成4部分，从上到下依次为7块颈椎、12块胸椎及5块腰椎，下2I3基于入机工程学的智能轮椅尺寸设计接五块骶椎和4块尾椎⋯。从座椅设计观点而言，腰椎和骶椎两部分最为重要。因为这些椎骨和介于期间的椎间盘、附着于其上的肌肉、肌腱和韧带等，承受了坐姿时人体的大部分体重负荷【42J。从脊柱的前后方观察，正常的形状呈垂直线状，侧观则可见其弯曲形态即颈曲、胸曲、腰曲和骶曲，脊柱的形态如图3．1。(a)(b)图3．1脊椎骨(a)侧视图(b)主视图Fig．3一lVenebm．(a)latemlview；(b)f．rontalview舒适坐姿的必要的条件是能够产生最适当的压力分布于各脊椎骨之间的椎间盘上和最适当、最均匀的静负荷量分布于所附着的肌肉组织【43】。由于脊椎骨依靠其附近的肌肉和腱连接，椎骨的定位借助于肌腱的作用力，因而一旦脊椎偏离自然状态，肌腱组织就会受到相互压力(拉或压)的作用，使肌肉活动度增加，在椎间盘上分布不正常的压力负荷，长时间便会导致疲劳酸痛。肌腱组织受力时，产生一种活动电势。根据肌电图m一47J记录可知，在挺直坐姿下，腰椎向前拉直使肌肉组织紧张受力，因而腰椎部位肌肉活动度高且脊椎骨受到扭曲力，在这种姿势下，上半身的体重对下半身腰椎骨形成压迫，从而产生不舒适的感觉。与坐姿舒适性直接相关的是腰曲。以X光照片研究人体处于各种不同姿势下(包括立姿、躺姿、坐姿等34种)腰椎所产生的曲线变化，结果发现，当人体舒适地侧躺着，大腿与小腿适度地弯曲时，脊柱维持其自然状态，此时背部肌肉群处于最佳的松弛状态，以此种姿势所形成的腰椎曲线与其他代表性姿势的腰椎曲线相比较(如图3．2所示)，可以看出曲线B与腰椎微向前凸的正常弯曲状态最为接近，而其他姿势时的腰椎曲线使腰椎严重变形。在这种松弛状态下，骨盆保持稳定，支撑躯干平衡的肌肉负荷降为最低，从上体通向大腿的血管不受压迫，能保证血液循环正常14扣删。由此可知，欲使坐姿能形成几乎正常的腰曲弧线也就是获得最舒适的坐姿就必须使臀部稍离天津科技大学硕}：学位论文靠背向前移，上体略向后倾斜并保持躯干与大腿间夹角在90。～115。，同时大腿与小腿之间的角度一般为100。～120。，小腿与脚掌一般为85。～95。【511。图3．2各种不同姿势下所产生的腰椎曲度Fig．3-2LumbercurVes0fVariesposture．3．3．2智能轮椅设计中相关人体测量数据人体尺寸主要决定人机系统的操纵是否方便、舒适、宜人，其中坐姿人体测量尺寸是座椅静态尺寸设计的主要依据。为了使轮椅设计适合于我国残障人群使用，设计主要参考了我国成年人人体尺寸国家标准GBlO000-88【521，相关测量尺寸见图3．3及图3-4，其具体测量数值见表3．1和表3．2。图3．3坐姿人体尺寸Fig．3·3Dimensionsofsiningbody．3基于人机T程学的智能轮椅尺寸设计3．1，一—、。攥幽、-_-_&md