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目录1、本课题的目的、意义、国内外发展概况及趋势 11.1 本课题的目的及意义 11.2 国内外发展概况及趋势 21.2.1 国外发展状况 .21.2.2 国内发展状况 .31.2.3 存在问题和未来发展趋势 .32、课题的设计思想和研究拟采用的方法和手段 42.1 课题的设计思想 42.2 课题研究采用的方法 52.3 预计设计过程中可能遇到的问题及解决方法和措施 53、论证完成课题的实验条件 64、课题进度安排 65、参考文献 701、本课题的目的、意义、国内外发展概况及趋势1.1 本课题的目的及意义我国是残疾人口数量最多的国家,根据国家统计局 2006 年的统计报告,全国残疾人总数约为 8296 万人,占全国人口总数的 6.34。残疾人虽然身体残障,但是他们需要得到社会的尊重与理解。他们渴望像正常人一样学习、工作和生活。轮椅是残疾人的必备用品之一。对于残疾人来说轮椅不仅仅是代步工具。让病人舒适的养病,很需要一个舒适、合适的轮椅,而掌握人因工程学的知识、并应用人因工程学的知识设计舒适的轮椅是工程师义不容辞的责任轮椅首先是一个坐具,这是它最基本的功能。舒适度是衡量轮椅设计优劣的重要标准之一。轮椅设计不仅要在制造工艺和生产方面可行,符合安全要求,更重要的是在设计思想中体现人因工程学,保证人的安全、 健康和舒适的目的,使人坐者舒服、舒心、安全 [1]。现今的轮椅还存在简陋粗糙、不易使用的情况 [2]。挫败感对人的自信心是个沉重打击。如何改进轮椅设计,帮助患者从肢体到心灵真正康复,需要深入研究[3]。虽然市面上有许多电动、智能轮椅,但是其高昂的价格是国内大部分残疾人无法承受的,而手动轮椅以其价格优势占有大多数的使用率,却少有发展。现今的手动轮椅功能单一、造型色彩单调,根本无法满足残疾人更深层次的需求,物质需求的不完全满足和精神需求的无法满足,对于残疾人生理和心理的健康都是极为不利的。传统的轮椅设计以设计产品为主要目标,更多的考虑轮椅本身的功能的实现,没有规范化的考虑人的因素?;凳腔骱突沟淖艹?[4]。人与机械相比,人是在人机系统中起决定性作用的 [5]。人因工程学强调人和机器作为相互联系的两个基本部分构成一个整体。人因工程学高度重视轮椅的安全性、高效率性、乘坐舒1适性。特别是残疾人的轮椅,安全性、人性化更为重要。理想的轮椅应使坐者体重分布合理,大腿近似水平状态,双脚自然放到脚踏板上,双臂不负担身体重量,肌肉放松,可以方便的变换坐姿 [6]。大于 90°的靠背可防止骨盆的旋转,增加坐姿的稳定性,且使坐姿更接近自然状态 [7]。轮椅的设计者更应该重视轮椅的人性化和个性化的设计,受迎并且拥有发展市场的轮椅必定是舒服舒适并拥有突出新颖功能的轮椅,使人、机和环境充分的结合起来 [8]。要做到这一点,就需要设计师结合人因工程学的知识,研究轮椅使用者的喜好,用理性工学的研究方法,针对生物力学对轮椅结构的影响,对座椅、轮子、扶手及其他个性化附件用心、用智慧进行设计 [9]。1.2 国内外发展概况及趋势1.2.1 国外发展状况自 1986 年英国开始研制第一辆智能轮椅来,许多国家投入较多资金研究智能轮椅。如美国麻省理工学院 Wheelesley 项目 [10]、法国 VAHM 项目 [11]、德国乌尔姆大学 MAID老年人及残疾人助动器项目 [12]、 Bremen Autonomous Wheelchair 项目、西班牙 SIAMO 项目 [13]、加拿大 AAI 公司 TAO 项目、欧盟TIDE 项目、KISS 学院 TINMAN 项目、台湾中正大学电机系 LUOSON 项目、我国 863 智能机器人智能轮椅项目及第三军医大学外科研究所项目等。由于各个实验室的目标及研究方法不尽相同,每种轮椅解决的问题及达到的能力不同。初期的研究,赋予轮椅的功能一般都是低级控制,如简单的运动、速度控制及避障等。随着机器人控制技术的发展,移动机器人大量技术用于轮椅, 智能轮椅在更现实的基础上, 有更好的交互性、适应性、自主性。1.2.2 国内发展状况我国自动化轮椅研究起步较晚,在机构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距 [14]。但也根据自身特色研制出技术接近国外先进水平的。研究单位有中科2院自动化所、上海交通大学和香港中文大学等 [15]。中科院自动化研究所在中科院创新工程和国家“831”计划支持下,研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行多模态交互的多功能轮椅移动机器人 [16] [17]。我国现有轮椅,特别是肢残者与老年人大量使用的多为手动轮椅,由于轮椅本身无动力,实际使用时往往需要他人辅助,造成很多不便。为改变我国轮椅手搬人推的落后状况,贯彻落实民政工作上为国家分忧、下为百姓解愁的方针,更好地为伤残人员服务,满足人们对现代生活质量日益提高的需求,国内轮椅及相关企业将积极开发研制电动轮椅。近年来,我国轮椅行业保持快速发展。不过,行业产品结构单一,绝大部分产品为一般轮椅、产品价格低。高端产品如电动轮椅和运动轮椅研发投入不足,技术水平与国外相差很大,运动轮椅则主要依靠进口。因此,有必要进行更多的研究与开发。1.2.3 存在问题和未来发展趋势经过近 20 年的研究发展,智能轮椅的研究有了很大的进展,功能不断丰富,安全可靠性不断提高,但是也存在一定的问题1人机交互不够自然。虽然已经开发了多种智能轮椅人机交互接口,但是仍处于通过人机接口对轮椅进行简单控制的阶段,对自然交互中使用者的无意识行为与有意识行为的区分还很欠缺,无法达到自然交互的目的。2 轮椅的安全保障系统不够完善。目前多数智能轮椅平台较重视功能性实现,对于各种环境下危险发生的可能性以及相应的保障措施研究不够。3智能轮椅控制系统实时性较差,功耗较大,续航能力不高,离真正的实用还有一定距离。未来的发展趋势有以下几个方面(1)人机交互自然化。通过多种人机交互接口结合,智能轮椅系统能够更加充分地与使用者进行交流和沟通,更加准确地理解使用者的操纵意图。3(2)安全保障全面化。利用日益进步的传感器技术,构建完善的智能轮椅保障系统,通过对周围环境更加全面的了解,实时监测智能轮椅的运动状态,对危险状态进行报警和阻止,尽可能避免危险的发生。(3)产品化。产品化是任何高新技术服务于社会的必经之路,采用嵌入式控制系统将是智能轮椅未来的发展方向,利用嵌入式产品功耗低、运算能力强的特点,将能够实现真正的智能轮椅产品。(4)??榛?。要实现智能轮椅的批量生产,智能轮椅的各项功能必须??榛?,包括导航系统、人机接口、运动控制以及机械臂等等。以便于为不同的用户定制不同的功能??樽楹?,同时也便于对各个功能??榈纳逗驮倏?。2、课题的设计思想和研究拟采用的方法和手段2.1 课题的设计思想(1)自动轮椅总体方案的制定本设计的结构有轮椅架、脚踏板、坐垫、转动装置、传动装置和控制装置及折叠装置,轮椅的关键部件中主要以便槽、靠背、坐垫的设计来考虑人因工程学在机械设计中的应用。传动装置由驱动圈和主动轮组成, 转动装置由气缸、连杆、螺栓、螺母组成??刂谱爸糜缮渤迪低匙槌?。折叠装置由连杆、螺栓、螺母组成。自动的总体设计方案充分考虑人机交互,方便残疾人上下轮椅和驱动轮椅;安全保障系数高;结构分布合理;材料舒适,成本低;具有良好的可移植性,可以适应不同的加工平台;各个零件要达到避免在预定寿命期内失效的要求 [18];尽可能实现轮椅的机械化,当执行制造程的基本动作是由机器(机械)代替人力劳动来完成时称为机械化 [19];在满足产品使用性能的条件下,零件图上标注的尺寸公差等级和表面粗糙度值应取经济值 [20]。(2)针对自动轮椅设计中可能出现的问题,在设计过程中应该考虑这些因素的影响,制定设计方案,避免或者减少这些问题的发生。2.2 课题研究采用的方法4(1)通过图书馆查阅相关的手册及书籍; (2)通过互联网查阅相关资料和最新动态;(3)应用 CAD 制图和 UG 制图建立试验机的机械系统模型,进行强度计算和运动分析。2.3 预计设计过程中可能遇到的问题及解决方法和措施在设计的过程中可能会遇到很多的麻烦,例如在设计完基础零件之后进行强度校核时,有一些零件就有可能是不符合条件的,这样就会增加计算量,因此在设计时要注意设计的合理性。在机械结构设计时,一定要结构简单、紧凑,拆装方便;零件结构要素必须符合标准规定;尽量采用标准件和通用件;设计时要考虑各个机构的协调配合;选择合适的电动机实现机电一体化;通过建立数学模型在设计前找到某些指标的最优设计方案。3、论证完成课题的实验条件通过自己的了解以及在图书馆和网上的资料查阅,对本设计的基本知识已经有了一定的认识,而且可以通过网上资料检索进行查阅相关知识,并利用原有的资料进行设计。本设计中包括主要包括扶手、坐垫、车轮和靠背,根据文献和论文资料对结构布局要求有一定的了解。后期需要的装配图可以利用电脑软件,例如 CAD 制图和 UG 制图等进行完成。4、课题进度安排第一周 调研、选题、查阅资料第二周 查阅文献资料, 撰写开题报告和外文翻译第三周 撰写开题报告和外文翻译第四周 整理、修改、审订开题报告及外文翻译第五周 总体方案设计5第六周 拟定设计方案第七周 进行设计计算第八周 结构设计,绘制总装图,完成设计计算第九周 结构设计,绘制总装图,完成设计计算第十周 结构设计,绘制总装图,完成设计计算第十一周 结构设计,绘制总装图,完成设计计算第十二周 结构设计,绘制总装图,完成设计计算第十三周 绘制部件图,设计计算第十四周 绘制部件图,设计计算,准备论文第十五周 绘制部件图,撰写论文第十六周 修改图体,撰写论文第十七周 修改图体,撰写论文,准备答辩第十八周 修改论文,准备答辩5、参考文献[1] 郭伏.人因工程学[M].沈阳 东北大学出版社,2001 .[2] 余道清.我的轮椅朋友[J] .中国残疾人,2008(6) 65.[3] 钟雄.愿轮椅亮丽温馨精彩纷呈[J] .中国残疾人,2008 (6)65.[4] 孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理[M] .北京高等教育出版社, 2006.[5] 朱龙根.机械系统设计[M] .北京机械工业出版社, 2015.[6] 周美玉.工业设计应用人机工程学[ M].北京中国轻工业出版社,2001.[7] 朱序璋.人机工程学[M] .西安西安电子科技大学出版社, 1999.[8] 江渡,中俊,陈栋.应用人机工程学研究轮椅的舒适性[J].机械设计与制造,2006812-13.[9] Matsubara, Y., et.al. 1997. Hybrid Kansei EngineeringSystem and Design Support[J].International Journal of IndustrialErgonomics, 19, 81-92.[10] Holly A.Yanco,Anna Hazel, Alison Peacock,Suzanna Smith, and Harriet Wintermutr.Initial Report on WheelesleyA Robotic Wheelchair System.http//www.google.com.[11] G.Bourhis, O.Horn, O.Habert.An A utonomous Vehicle for people with Motor Disabilities[J].IEEE Robotics Automation Magazine, 2001, 8120-28.[12] Erwin Parssler, Jens Scholz,Paolo Fiorini.A robotics wheel chair for crowded public 6environments[J].IEEE Robotics Automation Magazine, 2001, 8138-45.[13] Manuel Mazo.An Integral System for Assisted Mobility[J].IEEE Robotics Automation Magazine, 2001, 8146-56.[14] 原魁.智能轮椅的研究现状与趋势[J] .中国医疗器械信息, 2009,15(1)6-34.[15] 王景川,陈卫东.基于多传感器的智能轮椅设计与实现 [J].南京理工大学学报自然科学版,2009,33(1)104-109.[16] 贺志军.基于 ARM 的多功能轮椅嵌入式控制系统研究[D] .硕士论文.华南理工大学,2009.[17] 周伟.多功能轮椅运动控制系统研究与开发[D] .硕士论文.华南理工大学,2010.[18] 濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计[M] .北京高等教育出版社, 2013.[19] 周骥平,林岗.机械制造自动化技术[M] .北京机械工业出版社, 2014.[20] 于骏一,邹青.机械制造技术基础[M] .北京机械工业出版社, 2009.
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