摘 要：針對我國失能、半失能老人使用非電動輪椅推行費力的現(xiàn)狀，綜合考慮使用者功能需求、使用環(huán)境與可行技術支撐三方面的要素，從動力系統(tǒng)可靠性理論計算、人體工學設計以及智能控制設計等方面開展研究，研發(fā)一款新型助力裝置。該裝置通過基于人體工學的集成優(yōu)化設計實現(xiàn)了輕量化（≤5 kg）、小型化（390 mm×130 mm ×140 mm）結構設計要求；創(chuàng)新地采用基于單手操作的快速掛接結構，實現(xiàn)了面向市面大部分手動輪椅的高適配要求和5 s內快速裝卸的易操作要求；基于使用環(huán)境的動力學分析與設計實現(xiàn)了室內外行進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)，實現(xiàn)了不同驅動人員對助力裝置啟?？刂坪退俣瓤刂频暮喴谆僮饕?。

關鍵詞：人體工學；助力裝置；手動輪椅；快速掛接結構

中圖分類號：U463.46文獻標志碼：A文章編號：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查結果顯示，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，生活質量相對較低［2］。

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

近年來國外輪椅助力產(chǎn)品因其小巧與靈活性設計逐漸取代電動輪椅成為研發(fā)熱點［5-8］。新品研發(fā)主要方向有后置驅動輪式、外置支架式以及大輪輪轂電機式三類結構。其中后置驅動輪式裝卸簡單，但是轉向時會產(chǎn)生側向阻力。外置支架式輪椅轉向控制快速直接，但是體積較大，裝卸不便。大輪輪轂電機式控制靈活，不增加多余配件，但是只能用于部分具有大輪快拆結構的輪椅，且價格昂貴。

綜上，考慮到我國老人使用的輪椅大多為普通折疊輪椅，且護理人員多為體力與動手能力有限的同齡老年人，更適合以后置驅動輪式結構作為研發(fā)方向，故設計一款新型助力裝置，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輪椅時出現(xiàn)的推行費力問題。

1 助力裝置整體設計原則

助力裝置主要包括主體結構（外殼、輪子、電機、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）。助力裝置整體設計除了滿足動力、續(xù)航等方面的基本要求外，還應符合人體工學設計，同時具備輕巧美觀、裝卸快捷和易于操控等特點。

1.1 主體結構

基于人體工學設計理念，對助力裝置進行輕量化、小型化設計。電機和電池分別依據(jù)理論計算進行匹配，在保證動力與續(xù)航的前提下盡可能輕巧。此外，對助力裝置手把位置進行設計，使其能夠實現(xiàn)自平衡，在提取和放置時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。適配器應當可以加裝在大部分現(xiàn)有手動輪椅上并且不影響輪椅折疊放置；掛接接頭應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。針對老人自主驅動輪椅的情況，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；針對護理人員驅動輪椅的情況，采用搖桿控制方式，控制器應安裝在輪椅后方的手推把部位，方便護理人員操作。

2 主體結構設計

2.1 助力裝置人體工學設計

基于人體工學設計理念，對助力裝置外形結構采用雙圓形設計，使助力裝置具有輕巧便攜、握把舒適等優(yōu)點。

輪椅底部空間比較小，為了保證不占用后方護理人員的行走空間，殼體內部結構應力求緊湊，內部結構設計如圖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度阻燃尼龍，兼具輕質與安全；掛接頭對強度要求較高，選擇鋁合金材質，整體質量控制在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，在外形設計時將手把位置設置于與助力裝置質心重合位置。最終實物如圖1（b）所示。

2.2 輪轂電機功率計算

如圖2所示，將被護理人員、輪椅及助力裝置作為一個整體進行受力分析，助力裝置與輪椅前進方向夾角為A，設定為4.8°，地面坡度角度為B，設定為40°。

單獨分析被護理人員與輪椅部分（不含助力裝置），如圖3所示。助力裝置對被護理人員及輪椅部分作用力為F2，當勻速向前運動時，由動力學定律可得：

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為滾動摩擦因數(shù)，設定為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。輪轂電機輸出轉矩為T，整體機械效率為η，使輪子克服滾動摩擦力f1開始滾動，并產(chǎn)生向后滑動趨勢，從而使輪子受到地面產(chǎn)生的靜摩擦力，也就是向前驅動力Q，驅動輪受到被護理人及輪椅部分反作用力F1。勻速運動時，由動力學定律可得：

N1=G1×cosA/（cosA+μ1×sinA）（3）

F1=μ1×G1/（cosA+μ1×sinA）（4）

進而得到：

Q=F1×cosA-f1（5）

T=（f1+Q）×R/η（6）

式中：G1為助力裝置組件重力；R為助裝轉置驅動輪半徑。

即電機輸出轉矩為

T=（f1+Q）×R/η （7）

為了保證安全穩(wěn)定，設計助力裝置行進速度為5 km/h，電機轉速為n，則需要電機功率為

P=T×n×1 000/9 550（8）

經(jīng)計算，當輪轂電機功率為150 W時，可以滿足動力需求。

2.3 電池續(xù)航與使用壽命計算

根據(jù)助力裝置使用環(huán)境和使用要求，同時考慮電壓、電流、質量體積等參數(shù)要求，電池優(yōu)先選擇使用標準型號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)運動學定律，功率、摩擦力、速度、機械效率關系如下：

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，假設電池效率為η2=80%，則

可放電時間為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，放電時間為4 h；電池的總放電時長h=600×4=2 400 h。

按照計劃每天在5 km/h的速度下，平均出行時間為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，電池的放電時間會加長，使用壽命也會延長。

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

3 掛接裝置設計

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。

掛接結構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構，這樣可以在圓周任意角度進行掛接。掛接時，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彈出，和上方半圓形形成封閉鎖扣，防止助力裝置行進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，單手握住助力裝置手柄的同時，食指往后拉動扣環(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。具體結構如圖6所示。

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

模擬結果表明在800 N的拉力下，掛接頭應力最大處應力值為50.4 MPa，強度滿足要求（LY11鋁合金材質的抗拉強度σb≥370 MPa；屈服強度σ0.2≥215 MPa）。最大形變位于掛接爪端部，變形值為0.64×10-4 mm，滿足設計變形量要求。在后續(xù)的樣機測試中，該掛接頭沒有出現(xiàn)拉伸變形現(xiàn)象。同時進行的拆裝時間測試中，3個不同年齡段多組次拆裝用時均值結果如圖8所示。結果顯示平均安裝時間（3.46±2.42） s，平均卸除時間（3.54±4.84） s。對于不同年齡群體，均可實現(xiàn)快速裝卸。

4 控制方式設計

4.1 手環(huán)控制器設計

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)檢測使用者手部運動數(shù)據(jù)，與助力裝置進行數(shù)據(jù)通信，建立動作識別模型，并將該模型算法載入驅動裝置的中央處理器，中央處理器進行判斷識別開啟和關閉助力輔助裝置。多重手勢識別，采用慣性傳感方案，支持單擊、雙擊、三擊。

系統(tǒng)軟件（固件）完成整體任務調度，包括手勢識別算法、電源管理、控制通信、上位機狀態(tài)管理等，同時完成各種外設的管理。工作流程如圖9所示。

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

手環(huán)控制器為可穿戴設備，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芯片作為運動采集芯片、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，通過對同一個按鈕的復用來完成開機、關機以及設備配對等基本操作，如圖10所示。

4.2 搖桿控制器設計

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

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，在搖桿外側設置有顯示器和電源啟動鍵，顯示器具備驅動電池電量和遙控電池電量顯示、驅動輪速度顯示、高低速顯示，如圖11所示。

5 結語

1）本文基于人體工學，實現(xiàn)了助力裝置的輕量化和小型化設計，最終質量控制在5 kg以內，適應大部分人的手臂力量；外形尺寸控制在390 mm×130 mm ×140 mm，在國內外同類產(chǎn)品中是最小的，減小了空間占用，便于運輸和攜帶；此外，對助力裝置手柄進行了人體工學設計，使其能夠實現(xiàn)自平衡，在提取和放置時無需手腕增加額外握力。

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

3）ANSYS有限元計算表明助力裝置LY11鋁合金掛接頭在使用中的應力和變形均在安全范圍內，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)控制器和護理人員使用的搖桿式控制器，可通過簡易化操作實現(xiàn)對助力裝置的啟?？刂坪退俣瓤刂?。

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