【摘 要】隨著殘疾人數(shù)增多和人口老齡化，康復(fù)輔助器具的需求量不斷增加。本文作者主要在移動(dòng)輔助器具的控制方法的先進(jìn)性，導(dǎo)航方式的前沿性，人機(jī)交互方式的人性化，人體檢測(cè)智能化，室內(nèi)移動(dòng)的一體化，人機(jī)尺度參數(shù)和肢體殘疾人康復(fù)的創(chuàng)新性等方面做了深入研究和探討。提出了一套一體化室內(nèi)移動(dòng)康復(fù)輔助器具的設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】康復(fù)智能化人性化控制方法外觀設(shè)計(jì)

一、國(guó)內(nèi)外社會(huì)背景及發(fā)展戰(zhàn)略與移動(dòng)輔助器具的關(guān)系

輔助器對(duì)于殘疾人和老人人口的作用隨著殘疾人口的增加已經(jīng)社會(huì)的關(guān)注和重視而變得格外的突出，在90年后一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于輔助器的開發(fā)和改善更是不斷的提高和更新，并且投入相應(yīng)的人力、物理進(jìn)行輔助器的開發(fā)和研究。這主要是為了給殘疾人和老年人提供一個(gè)更加方便和完善的使用工具，提高他們的生活質(zhì)量，盡可能的滿足他們的日常生活中的需要，使他們能夠更好的投入社會(huì)生活。對(duì)輔助器的開發(fā)和研制主要表現(xiàn)兩個(gè)方面生活自立已經(jīng)功能自補(bǔ)。

二、智能技術(shù)在移動(dòng)輔助器具領(lǐng)域的應(yīng)用

（一）驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)在移動(dòng)輔助器具領(lǐng)域的應(yīng)用模式

驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)在移動(dòng)輔助器具領(lǐng)域?yàn)楹诵募夹g(shù)。高性能電動(dòng)輪椅通常需要通過兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的差速驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)輪椅的平穩(wěn)行駛，包括起停、前進(jìn)/倒退、并盡可能的減小轉(zhuǎn)向半徑。因此，輪椅控制器必須根據(jù)使用者的操作指令和傳感器感知到的環(huán)境信息，實(shí)時(shí)控制和協(xié)調(diào)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，才能夠使輪椅更精確地行駛。

（二）人機(jī)接口技術(shù)在移動(dòng)輔助器具領(lǐng)域的應(yīng)用方式

人機(jī)接口作為人機(jī)交互方式，其靈活性、易操作性是移動(dòng)輔助器具高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。

最常用的接口形式為操縱桿和功能鍵盤；平板顯示器和觸摸屏可以采用菜單方式操作，同時(shí)還可以顯示反饋信息；語(yǔ)音接口雖然使用方便，但成本較高，且不能完全實(shí)現(xiàn)自然語(yǔ)言交流。針對(duì)有語(yǔ)言障礙的用戶還出現(xiàn)了以攝像機(jī)、觸覺服、鷹眼系統(tǒng)監(jiān)測(cè)使用者動(dòng)作、位置來判斷意圖并形成控制命令的接口方式。

（三）傳感器在移動(dòng)輔助器具領(lǐng)域的應(yīng)用方式

移動(dòng)輔助器具需要實(shí)現(xiàn)自主定位、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃任務(wù)，因此傳感器的信息融合技術(shù)非常重要。需要融合內(nèi)部或外部編碼器，超聲波傳感器，紅外傳感器，激光測(cè)距儀，碰撞傳感器，攝像頭等技術(shù)。除了帶有各種環(huán)境感知傳感器以外還需要攜帶有人機(jī)接口用的傳感器。這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確的融合和綜合分析是移動(dòng)輔助器具做出正確決策的基礎(chǔ)。

（四）運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)在移動(dòng)輔助器具領(lǐng)域的應(yīng)用模式

導(dǎo)航系統(tǒng)用來引導(dǎo)移動(dòng)輔助器具的運(yùn)動(dòng)，包括航標(biāo)導(dǎo)航、地圖導(dǎo)航、傳感器導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航。導(dǎo)航系統(tǒng)通常是由其中的一種或幾種方式結(jié)合起來構(gòu)成。全自主導(dǎo)航是通過各種傳感器檢測(cè)環(huán)境信息，建立環(huán)境模型，確定輪椅的位置和方向，然后規(guī)劃出安全有效運(yùn)動(dòng)路徑。半自主導(dǎo)航是將使用者的經(jīng)驗(yàn)和自主導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，使運(yùn)動(dòng)更靈活。

三、一體化室內(nèi)移動(dòng)康復(fù)輔助器具的研究

一體化室內(nèi)移動(dòng)輔具作為服務(wù)機(jī)器人的一種，是國(guó)家863計(jì)劃的在研項(xiàng)目。此一體化室內(nèi)移動(dòng)康復(fù)輔助器具以輪椅的外形采用高性能小型電機(jī)控制，具有高可靠性、高效率的驅(qū)動(dòng)控制單元，能夠通過簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元的變形以滿足與室內(nèi)裝置的對(duì)接，使用者能夠獨(dú)立完成房間之間的移動(dòng)運(yùn)動(dòng)和升降活動(dòng)，從而解決殘障者進(jìn)食、洗浴、如廁等日常生活活動(dòng)。

（一）功能上的創(chuàng)新

1.一體化室內(nèi)對(duì)接：

（1）與床的對(duì)接：使用者通過全自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)可將輪椅按照軌跡行駛到床邊，通過人機(jī)界面的控制，輪椅底部的液壓裝置使輪椅的靠背和靠腿與座面平行，并使輪椅整體高度提高到與床的高度平行，實(shí)現(xiàn)輪椅與床的單側(cè)對(duì)接。

（2）與座便、座椅的對(duì)接：使用者在坐立狀態(tài)時(shí)，通過導(dǎo)航系統(tǒng)行駛到座便或者座椅邊時(shí)，輪椅單側(cè)扶手可向外側(cè)平放，與座面平行，形成一個(gè)移乘板，與座便、座椅對(duì)接使用者可轉(zhuǎn)移到相應(yīng)位置。

圖3-1a

（3）與廚房、盥洗池等的對(duì)接：輪椅可通過液壓裝置調(diào)節(jié)高度，因此使用者可根據(jù)家庭實(shí)際調(diào)整座面高度實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

① 康復(fù)訓(xùn)練功能

a.下肢康復(fù)訓(xùn)練方式：輪椅的腳踏板可手動(dòng)調(diào)節(jié)高度和自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使用者在坐立時(shí)通過設(shè)定，雙腿可在腳踏板自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使得雙腿在被動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下促進(jìn)血液循環(huán)，同時(shí)，使用者可根據(jù)自身情況調(diào)節(jié)腳踏板高度并進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，起到恢復(fù)腿部肌力的作用。

圖3-1b

圖3-1c

b.上肢訓(xùn)練方式：上肢康復(fù)訓(xùn)練主要在于手指的靈活性，輪椅的扶手采用單側(cè)可抽出桌面式，桌面為木制，帶有木頂板孔和形狀凹凸，使用者可通過將配套的木釘和形狀放入相應(yīng)的孔內(nèi)鍛煉手關(guān)節(jié)，并鍛煉眼手協(xié)調(diào)能力。

c.其他訓(xùn)練：針對(duì)特殊情況的嚴(yán)重中風(fēng)患者，可使用輪椅上的操縱面板進(jìn)行聽力鍛煉、視覺鍛煉和語(yǔ)言鍛煉。

②人體檢測(cè)功能

此輪椅的主要優(yōu)勢(shì)是，有利于老年人和殘疾人獨(dú)立生活能力的提高 ，提高了他們的應(yīng)變特殊事件發(fā)生的能力。擁有成年人的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠及時(shí)的了解個(gè)關(guān)注病人的身體情況，采取應(yīng)變措施。

（二）功能實(shí)現(xiàn)與操控系統(tǒng)的關(guān)系

1.控制系統(tǒng)的選擇：采用嵌入式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用ARM+DSP+FPGA的方式來分別構(gòu)建輪椅的中央控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有實(shí)時(shí)性高、功耗低，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。

2.控制模式的設(shè)計(jì)：采用全自動(dòng)模式與半自動(dòng)兩種模式，使老年人和殘疾人能夠根據(jù)自己的情況有選擇性的利用工具。

3.人機(jī)交互方式的設(shè)計(jì)：為方便操縱，加入觸摸屏人機(jī)界面和設(shè)定型人機(jī)接口，采用智能操縱桿控制行進(jìn)方向，該方式指示方向明確簡(jiǎn)單，并利用模糊邏輯的方法去除使用者操縱過程中的手部顫抖，防止病理性顫抖對(duì)操縱的負(fù)影響；并加入自然型人機(jī)接口語(yǔ)音控制，利用口令識(shí)別和語(yǔ)音合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)使用者與輪椅的語(yǔ)音對(duì)話以及對(duì)輪椅運(yùn)動(dòng)的控制。

4.導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：采用全自主導(dǎo)航方式，使用者通過人機(jī)界面給出目標(biāo)點(diǎn)，由輪椅完成路徑規(guī)劃和路徑跟蹤。其導(dǎo)航技術(shù)主要采用自主移動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)。導(dǎo)航的方法包括傳感器導(dǎo)航，導(dǎo)航系統(tǒng)通過各種傳感器檢測(cè)環(huán)境信息，建立環(huán)境模型，確定輪椅的位置和方向，系統(tǒng)需要與使用者進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的變更實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)路徑。

（三）功能實(shí)現(xiàn)與外觀的關(guān)系

本款移動(dòng)輔助器具以電動(dòng)輪椅為基本型，采用加減模塊的造型方式加以設(shè)計(jì)。不但外觀簡(jiǎn)潔，也充分體現(xiàn)了“功能主義”這一理念。整體采用鋁合金和橡膠結(jié)合，減少整體重量，提高舒適度。

1.扶手的設(shè)計(jì)：輔助器具一側(cè)的扶手可90度向外平行放置，作為移乘板，方便使用者移動(dòng)，增加了安全性。另一側(cè)的扶手主要分布了控制界面，包括操縱桿、其他控制功能及手關(guān)節(jié)訓(xùn)練器。

2.腳托的設(shè)計(jì)：本款輪椅的腳托在設(shè)計(jì)上可使患者進(jìn)行主動(dòng)與被動(dòng)兩種方式的下肢訓(xùn)練。被動(dòng)訓(xùn)練狀態(tài)時(shí)，腳托會(huì)以一定的角度、高度、頻率擺動(dòng)，加強(qiáng)下肢的血液循環(huán)。另外，腳托還具有升降功能，此時(shí)進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

3.靠背的設(shè)計(jì)：靠背可調(diào)節(jié)高度和傾斜斜度。如對(duì)軀干的平衡和控制較好，可選用低靠背，提高活動(dòng)度；反之，要選用高靠背輪椅。

4.輪胎：實(shí)心型在平地走較快且不易爆破，易推動(dòng)；有充氣內(nèi)胎的較難推，易刺破，振動(dòng)小。本移動(dòng)輔助器具為室內(nèi)輔具，采用實(shí)心輪胎可使輔具移動(dòng)更加靈活。

5.剎車：肘節(jié)式剎車，利用杠桿原理，通過幾個(gè)關(guān)節(jié)而后制動(dòng)，本移動(dòng)輔助器具為加大患者的剎車力，在剎車上加延長(zhǎng)桿，使得剎車控制力減小。

（四）人機(jī)尺度的研究與選擇

圖3-4 輪椅乘坐著上肢能觸及的有效范圍

1.座寬：按我國(guó)正常成人男女人體主要尺寸按GB10000-88標(biāo)準(zhǔn)，按成人女子95%的臀部寬度，座寬設(shè)計(jì)為400 mm。

2.座高：相當(dāng)于人體小腿長(zhǎng)度加上腳的厚度，考慮到不同的人都能在舒適的狀態(tài)下工作，則坐高應(yīng)做成可調(diào)節(jié)的，其調(diào)節(jié)范圍按成人女子P50%到成年男子P95百分位數(shù)設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)可調(diào)范圍為：375 mm～390 mm。

3.座深：其深度一般相當(dāng)于臀部至大腿全長(zhǎng)的3/4，按成人男子95%應(yīng)不超過446 mm。

4.扶手高度：高出座椅面225～250mm乘坐著最為舒適。

5.坐墊：為了舒服和防止褥瘡，輪椅的椅坐上應(yīng)放坐墊。常見的坐墊有泡沫橡膠墊（5～10cm厚）或凝膠墊。為防止座位下陷可在坐墊下放一張0.6cm厚的膠合板。

6.靠背高度：靠背越高，越穩(wěn)定，靠背越低，上身及上肢的活動(dòng)就越大，選擇95%，低靠背：測(cè)量坐面至腋窩的距離（一臂或兩臂向前平伸），將此結(jié)果減100mm。為實(shí)現(xiàn)與床的對(duì)接，靠背高度為600mm～1000mm，可調(diào)節(jié)。

7.直立高度與平行長(zhǎng)度：90°直立高度為1600～1800mm，平行長(zhǎng)度為1800mm～2000mm。

8.可升降高度：在坐高的可調(diào)節(jié)范圍基礎(chǔ)上，輪椅整體座面和腳踏板同時(shí)可升降高度為375mm～450mm。

四、結(jié)論

室內(nèi)一體化移動(dòng)輔助器具作為一個(gè)巨大社會(huì)關(guān)注度的、蘊(yùn)藏巨大發(fā)展?jié)摿Φ摹⑻厣r明的典型高新技術(shù)，是21世紀(jì)高新技術(shù)制造業(yè)與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的重要組成部分，也是我國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一次重大機(jī)遇，對(duì)于提升國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要戰(zhàn)略意義。

注釋：

圖3-1b、圖3-4來源于《民用住宅建筑無(wú)障礙設(shè)計(jì)探討與實(shí)踐》江峰、陳剛、吳睿、唐薛東

參考文獻(xiàn)：

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[4]《服務(wù)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)》王天苗，北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所，2012年8月21日

[5]《基于殘疾人情感訴求的輪椅設(shè)計(jì)新思路》北京航空航天大學(xué)，宮浩欽

（指導(dǎo)老師：許曉云）