基于人體工學(xué)的手動(dòng)輪椅助力裝置研究

摘 要：針對(duì)我國失能、半失能老人使用非電動(dòng)輪椅推行費(fèi)力的現(xiàn)狀，綜合考慮使用者功能需求、使用環(huán)境與可行技術(shù)支撐三方面的要素，從動(dòng)力系統(tǒng)可靠性理論計(jì)算、人體工學(xué)設(shè)計(jì)以及智能控制設(shè)計(jì)等方面開展研究，研發(fā)一款新型助力裝置。該裝置通過基于人體工學(xué)的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了輕量化（≤5 kg）、小型化（390 mm×130 mm ×140 mm）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求；創(chuàng)新地采用基于單手操作的快速掛接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了面向市面大部分手動(dòng)輪椅的高適配要求和5 s內(nèi)快速裝卸的易操作要求；基于使用環(huán)境的動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)外行進(jìn)20 km的續(xù)航里程要求；通過手環(huán)控制器和搖桿控制器的多元控制方式開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了不同驅(qū)動(dòng)人員對(duì)助力裝置啟?？刂坪退俣瓤刂频暮喴谆僮饕蟆?/p>

關(guān)鍵詞：人體工學(xué)；助力裝置；手動(dòng)輪椅；快速掛接結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U463.46文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-5276（2024）03-0074-05

Research on Manual Wheelchair Assist Device Based on Ergonomics

Abstract：In response to the labor-intensive implementation of non electric wheelchairs for disabled and semi disabled elderly people in China， a new type of assistance device， in comprehensive consideration of users' functional needs， usage environment， and feasible technical support， is developed in terms of power system reliability theory calculation， ergonomic design and intelligent control design. Through the integrated optimization design based on ergonomics， the device has realized lightweight （≤ 5 kg） and miniaturization （390 mm×130 mm×140 mm） as required by structural design. By innovatively adopting a quick attachment system based on single handed operation， the high adaptability requirements for most manual wheelchairs on the market and the easy operation requirements for quick loading and unloading within 5 seconds is achieved. With dynamic analysis and design based on usage environment， a range requirement of 20 km for indoor and outdoor travel is met. A diversified control method using a wristband controller and a joystick controller is developed to simplify the operation of start stop control and speed control of the power assist devive for different drivers.

Keywords：ergonomics; assist device; manual wheelchair; quick attachment structure

0 引言

據(jù)第四次中國城鄉(xiāng)老年人生活狀況抽樣調(diào)查結(jié)果顯示，我國失能、半失能老年人約占老年人口的18.3%［1］。由于健康意識(shí)較弱以及無法有效使用輔助器具，我國失能、半失能老年人長期臥床比例較高，生活質(zhì)量相對(duì)較低［2］。

輪椅是擴(kuò)大肢體障礙者移動(dòng)范圍和提高生活質(zhì)量的重要手段。電動(dòng)智能輪椅是各大廠商著力研發(fā)的熱點(diǎn)［3-4］。但是，目前多數(shù)失能、半失能老人存在認(rèn)知能力明顯下降以及上肢自主驅(qū)動(dòng)輪椅能力不足等問題，僅能使用手動(dòng)輪椅，而加載于手動(dòng)輪椅上的助力裝置有助于完成輪椅在手動(dòng)驅(qū)動(dòng)與電動(dòng)驅(qū)動(dòng)之間的切換，滿足室內(nèi)與室外輪式移動(dòng)的雙重需求。

近年來國外輪椅助力產(chǎn)品因其小巧與靈活性設(shè)計(jì)逐漸取代電動(dòng)輪椅成為研發(fā)熱點(diǎn)［5-8］。新品研發(fā)主要方向有后置驅(qū)動(dòng)輪式、外置支架式以及大輪輪轂電機(jī)式三類結(jié)構(gòu)。其中后置驅(qū)動(dòng)輪式裝卸簡單，但是轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)產(chǎn)生側(cè)向阻力。外置支架式輪椅轉(zhuǎn)向控制快速直接，但是體積較大，裝卸不便。大輪輪轂電機(jī)式控制靈活，不增加多余配件，但是只能用于部分具有大輪快拆結(jié)構(gòu)的輪椅，且價(jià)格昂貴。

綜上，考慮到我國老人使用的輪椅大多為普通折疊輪椅，且護(hù)理人員多為體力與動(dòng)手能力有限的同齡老年人，更適合以后置驅(qū)動(dòng)輪式結(jié)構(gòu)作為研發(fā)方向，故設(shè)計(jì)一款新型助力裝置，使其可以直接附加在市面大部分折疊輪椅上使用，解決失能、半失能老齡群體使用手動(dòng)輪椅時(shí)出現(xiàn)的推行費(fèi)力問題。

1 助力裝置整體設(shè)計(jì)原則

助力裝置主要包括主體結(jié)構(gòu)（外殼、輪子、電機(jī)、電池等）、掛接裝置（適配器、掛接接頭等）以及控制方式（手環(huán)控制、搖桿控制）。助力裝置整體設(shè)計(jì)除了滿足動(dòng)力、續(xù)航等方面的基本要求外，還應(yīng)符合人體工學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)具備輕巧美觀、裝卸快捷和易于操控等特點(diǎn)。

1.1 主體結(jié)構(gòu)

基于人體工學(xué)設(shè)計(jì)理念，對(duì)助力裝置進(jìn)行輕量化、小型化設(shè)計(jì)。電機(jī)和電池分別依據(jù)理論計(jì)算進(jìn)行匹配，在保證動(dòng)力與續(xù)航的前提下盡可能輕巧。此外，對(duì)助力裝置手把位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自平衡，在提取和放置時(shí)無需手腕增加額外握力。

1.2 掛接裝置

掛接裝置主要包括適配器（連接塊、掛接小軸）與掛接接頭。適配器應(yīng)當(dāng)可以加裝在大部分現(xiàn)有手動(dòng)輪椅上并且不影響輪椅折疊放置；掛接接頭應(yīng)連接可靠并且裝卸方便。

1.3 控制方式

根據(jù)受眾群體需求差異給出不同的控制方式。針對(duì)老人自主驅(qū)動(dòng)輪椅的情況，采用手環(huán)控制方式，手環(huán)可佩戴于老人手臂，便于自主操作助力裝置；針對(duì)護(hù)理人員驅(qū)動(dòng)輪椅的情況，采用搖桿控制方式，控制器應(yīng)安裝在輪椅后方的手推把部位，方便護(hù)理人員操作。

2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 助力裝置人體工學(xué)設(shè)計(jì)

基于人體工學(xué)設(shè)計(jì)理念，對(duì)助力裝置外形結(jié)構(gòu)采用雙圓形設(shè)計(jì)，使助力裝置具有輕巧便攜、握把舒適等優(yōu)點(diǎn)。

輪椅底部空間比較小，為了保證不占用后方護(hù)理人員的行走空間，殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力求緊湊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1（a）所示，整體尺寸控制在390 mm×130 mm ×140 mm；助力裝置殼體材料選擇高強(qiáng)度阻燃尼龍，兼具輕質(zhì)與安全；掛接頭對(duì)強(qiáng)度要求較高，選擇鋁合金材質(zhì)，整體質(zhì)量控制在5 kg，可滿足絕大部分人的臂力。此外，為保證將助力裝置提起后使其保持自平衡，在外形設(shè)計(jì)時(shí)將手把位置設(shè)置于與助力裝置質(zhì)心重合位置。最終實(shí)物如圖1（b）所示。

2.2 輪轂電機(jī)功率計(jì)算

如圖2所示，將被護(hù)理人員、輪椅及助力裝置作為一個(gè)整體進(jìn)行受力分析，助力裝置與輪椅前進(jìn)方向夾角為A，設(shè)定為4.8°，地面坡度角度為B，設(shè)定為40°。

單獨(dú)分析被護(hù)理人員與輪椅部分（不含助力裝置），如圖3所示。助力裝置對(duì)被護(hù)理人員及輪椅部分作用力為F2，當(dāng)勻速向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，由動(dòng)力學(xué)定律可得：

N2=G2×cosA/（cosA+μ1×sinA）（1）

F2=μ1×G2/（cosA+μ1×sinA）（2）

式中：N2為輪椅部分正壓力；G2為輪椅部分重力；μ1為滾動(dòng)摩擦因數(shù)，設(shè)定為0.02（橡膠輪胎與干燥瀝青路面）。

如圖4所示，分析助力裝置部分。輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為T，整體機(jī)械效率為η，使輪子克服滾動(dòng)摩擦力f1開始滾動(dòng)，并產(chǎn)生向后滑動(dòng)趨勢，從而使輪子受到地面產(chǎn)生的靜摩擦力，也就是向前驅(qū)動(dòng)力Q，驅(qū)動(dòng)輪受到被護(hù)理人及輪椅部分反作用力F1。勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由動(dòng)力學(xué)定律可得：

N1=G1×cosA/（cosA+μ1×sinA）（3）

F1=μ1×G1/（cosA+μ1×sinA）（4）

進(jìn)而得到：

Q=F1×cosA-f1（5）

T=（f1+Q）×R/η（6）

式中：G1為助力裝置組件重力；R為助裝轉(zhuǎn)置驅(qū)動(dòng)輪半徑。

即電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為

T=（f1+Q）×R/η （7）

為了保證安全穩(wěn)定，設(shè)計(jì)助力裝置行進(jìn)速度為5 km/h，電機(jī)轉(zhuǎn)速為n，則需要電機(jī)功率為

P=T×n×1 000/9 550（8）

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)輪轂電機(jī)功率為150 W時(shí)，可以滿足動(dòng)力需求。

2.3 電池續(xù)航與使用壽命計(jì)算

根據(jù)助力裝置使用環(huán)境和使用要求，同時(shí)考慮電壓、電流、質(zhì)量體積等參數(shù)要求，電池優(yōu)先選擇使用標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)18650鋰電池組成的電池組，采用6串4并的方式，則串聯(lián)電壓為22.2 V～25.2 V；并聯(lián)電池容量為8.8 Ah（每個(gè)18650鋰電池電壓范圍為3.7 V～4.2 V，電池容量2.2 Ah）。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)定律，功率、摩擦力、速度、機(jī)械效率關(guān)系如下：

P=U×I=F×v/η1（9）

I=F×v/（η1/U）（10）

式中：F=M×g×μ1=100×9.8×0.02=19.6 N；v=1.39 m/s；U=24 V。

取η1=0.7，代入式（10），得I=1.62 A。

電池容量Ce=8.8 Ah，假設(shè)電池效率為η2=80%，則

可放電時(shí)間為t=（Ce×η2）/I=（8.8×0.8）/1.62=4.35 h；

理論續(xù)航里程s=v×t=5×4.35=21.75 km。

電池的使用壽命根據(jù)電池廠電芯的規(guī)格書，電芯的循環(huán)次數(shù)為不低于600次。根據(jù)測試，電池在5 km/h的速度下，放電時(shí)間為4 h；電池的總放電時(shí)長h=600×4=2 400 h。

按照計(jì)劃每天在5 km/h的速度下，平均出行時(shí)間為2 h，平均出行距離為10 km，則電池能夠使用1 200 d，即預(yù)測電池的使用壽命是3.28 y。如果行駛速度低于5 km/h，電池的放電時(shí)間會(huì)加長，使用壽命也會(huì)延長。

通過選擇合適的輪轂電機(jī)與電池，整體質(zhì)量控制在5 kg，可滿足絕大部分人的臂力。

3 掛接裝置設(shè)計(jì)

基于穩(wěn)定性的要求，助力裝置適配器包括連接塊和掛接小軸，二者將采用螺釘抱閘的形式固定于輪椅下部折疊“X”型支架的單根支架上，從而不影響“X”型折疊輪椅的折疊功能，如圖5所示。

掛接結(jié)構(gòu)采用彈性鎖扣的原理，將掛接頭下方開口加大到和直徑一致，在開口的下方增加彈性鎖銷結(jié)構(gòu)，這樣可以在圓周任意角度進(jìn)行掛接。掛接時(shí)，單手握住助力裝置手柄，將半圓形開口的掛接頭直接掛接在適配器的固定小軸上，掛接頭開口下方的彈性鎖銷自動(dòng)彈出，和上方半圓形形成封閉鎖扣，防止助力裝置行進(jìn)過程有顛簸而造成掛接頭從小軸上脫落，提高整套裝置的掛接安全性和可靠性。拆卸時(shí)，單手握住助力裝置手柄的同時(shí)，食指往后拉動(dòng)扣環(huán)，即可打開自鎖鎖銷，手柄上抬，助力裝置即可從小軸上拆下。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

由于掛接結(jié)構(gòu)中掛接頭受力較大，選擇LY11鋁合金材料并且進(jìn)行加厚處理。采用ANSYS對(duì)掛接頭進(jìn)行可靠性分析，分別在兩邊的掛接爪處施加400 N拉力（合計(jì)拉力為800 N，為實(shí)際拉力的5倍），ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。

模擬結(jié)果表明在800 N的拉力下，掛接頭應(yīng)力最大處應(yīng)力值為50.4 MPa，強(qiáng)度滿足要求（LY11鋁合金材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度σb≥370 MPa；屈服強(qiáng)度σ0.2≥215 MPa）。最大形變位于掛接爪端部，變形值為0.64×10-4 mm，滿足設(shè)計(jì)變形量要求。在后續(xù)的樣機(jī)測試中，該掛接頭沒有出現(xiàn)拉伸變形現(xiàn)象。同時(shí)進(jìn)行的拆裝時(shí)間測試中，3個(gè)不同年齡段多組次拆裝用時(shí)均值結(jié)果如圖8所示。結(jié)果顯示平均安裝時(shí)間（3.46±2.42） s，平均卸除時(shí)間（3.54±4.84） s。對(duì)于不同年齡群體，均可實(shí)現(xiàn)快速裝卸。

4 控制方式設(shè)計(jì)

4.1 手環(huán)控制器設(shè)計(jì)

手環(huán)控制器為佩戴于輪椅使用者手腕部的控制裝置，利用手環(huán)檢測使用者手部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，與助力裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，建立動(dòng)作識(shí)別模型，并將該模型算法載入驅(qū)動(dòng)裝置的中央處理器，中央處理器進(jìn)行判斷識(shí)別開啟和關(guān)閉助力輔助裝置。多重手勢識(shí)別，采用慣性傳感方案，支持單擊、雙擊、三擊。

系統(tǒng)軟件（固件）完成整體任務(wù)調(diào)度，包括手勢識(shí)別算法、電源管理、控制通信、上位機(jī)狀態(tài)管理等，同時(shí)完成各種外設(shè)的管理。工作流程如圖9所示。

手環(huán)控制器硬件主要包含MCU，運(yùn)動(dòng)采集芯片，無線通信芯片和電池。

手環(huán)控制器為可穿戴設(shè)備，要求輕巧便攜，因此采用ST公司超低功耗的STM32L151CCT6芯片作為MCU、Invensense公司的MPU6050芯片作為運(yùn)動(dòng)采集芯片、Si24R1模組作為無線通信芯片。手環(huán)控制器電池采用耐高溫鋰聚合物電池，容量為700 mAh。手環(huán)控制器佩戴在輪椅乘坐人的手臂上，通過對(duì)同一個(gè)按鈕的復(fù)用來完成開機(jī)、關(guān)機(jī)以及設(shè)備配對(duì)等基本操作，如圖10所示。

4.2 搖桿控制器設(shè)計(jì)

搖桿控制器為護(hù)理人員使用，一般安裝在輪椅后方手推把部位，要求滿足護(hù)理人員在輪椅后方推行雙手握住輪椅手推把時(shí)，在手掌不能脫離手推把的要求下，通過拇指推動(dòng)搖桿實(shí)現(xiàn)助力裝置的速度控制和啟?？刂?。

搖桿控制器采用無線通信模塊完成和主控制器的數(shù)據(jù)通信，上面有速度控制和啟停的搖桿，在搖桿外側(cè)設(shè)置有顯示器和電源啟動(dòng)鍵，顯示器具備驅(qū)動(dòng)電池電量和遙控電池電量顯示、驅(qū)動(dòng)輪速度顯示、高低速顯示，如圖11所示。

5 結(jié)語

1）本文基于人體工學(xué)，實(shí)現(xiàn)了助力裝置的輕量化和小型化設(shè)計(jì)，最終質(zhì)量控制在5 kg以內(nèi)，適應(yīng)大部分人的手臂力量；外形尺寸控制在390 mm×130 mm ×140 mm，在國內(nèi)外同類產(chǎn)品中是最小的，減小了空間占用，便于運(yùn)輸和攜帶；此外，對(duì)助力裝置手柄進(jìn)行了人體工學(xué)設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自平衡，在提取和放置時(shí)無需手腕增加額外握力。

2）針對(duì)輪椅使用環(huán)境和人員情況，基于動(dòng)力學(xué)分析，確定了助力裝置電機(jī)功率為150 W，電池續(xù)航為20 km時(shí)，可滿足助力需求。

3）ANSYS有限元計(jì)算表明助力裝置LY11鋁合金掛接頭在使用中的應(yīng)力和變形均在安全范圍內(nèi)，滿足助力裝置穩(wěn)定性要求。

4）分別研發(fā)了輪椅使用者佩戴的手環(huán)控制器和護(hù)理人員使用的搖桿式控制器，可通過簡易化操作實(shí)現(xiàn)對(duì)助力裝置的啟?？刂坪退俣瓤刂?。

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