目錄1、本課題的目的、意義、國內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢 11.1 本課題的目的及意義 11.2 國內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢 21.2.1 國外發(fā)展?fàn)顩r .21.2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r .31.2.3 存在問題和未來發(fā)展趨勢 .32、課題的設(shè)計(jì)思想和研究擬采用的方法和手段 42.1 課題的設(shè)計(jì)思想 42.2 課題研究采用的方法 52.3 預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)過程中可能遇到的問題及解決方法和措施 53、論證完成課題的實(shí)驗(yàn)條件 64、課題進(jìn)度安排 65、參考文獻(xiàn) 701、本課題的目的、意義、國內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢1.1 本課題的目的及意義我國是殘疾人口數(shù)量最多的國家，根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局 2006 年的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，全國殘疾人總數(shù)約為 8296 萬人，占全國人口總數(shù)的 6.34%。殘疾人雖然身體殘障，但是他們需要得到社會的尊重與理解。他們渴望像正常人一樣學(xué)習(xí)、工作和生活。輪椅是殘疾人的必備用品之一。對于殘疾人來說輪椅不僅僅是代步工具。讓病人舒適的養(yǎng)病，很需要一個(gè)舒適、合適的輪椅，而掌握人因工程學(xué)的知識、并應(yīng)用人因工程學(xué)的知識設(shè)計(jì)舒適的輪椅是工程師義不容辭的責(zé)任！輪椅首先是一個(gè)坐具，這是它最基本的功能。舒適度是衡量輪椅設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。輪椅設(shè)計(jì)不僅要在制造工藝和生產(chǎn)方面可行，符合安全要求，更重要的是在設(shè)計(jì)思想中體現(xiàn)人因工程學(xué)，保證人的安全、 健康和舒適的目的，使人坐者舒服、舒心、安全 [1]?，F(xiàn)今的輪椅還存在簡陋粗糙、不易使用的情況 [2]。挫敗感對人的自信心是個(gè)沉重打擊。如何改進(jìn)輪椅設(shè)計(jì)，幫助患者從肢體到心靈真正康復(fù)，需要深入研究[3]。雖然市面上有許多電動、智能輪椅,但是其高昂的價(jià)格是國內(nèi)大部分殘疾人無法承受的,而手動輪椅以其價(jià)格優(yōu)勢占有大多數(shù)的使用率,卻少有發(fā)展。現(xiàn)今的手動輪椅功能單一、造型色彩單調(diào),根本無法滿足殘疾人更深層次的需求,物質(zhì)需求的不完全滿足和精神需求的無法滿足,對于殘疾人生理和心理的健康都是極為不利的。傳統(tǒng)的輪椅設(shè)計(jì)以設(shè)計(jì)產(chǎn)品為主要目標(biāo)，更多的考慮輪椅本身的功能的實(shí)現(xiàn)，沒有規(guī)范化的考慮人的因素。機(jī)械是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱 [4]。人與機(jī)械相比，人是在人機(jī)系統(tǒng)中起決定性作用的 [5]。人因工程學(xué)強(qiáng)調(diào)人和機(jī)器作為相互聯(lián)系的兩個(gè)基本部分構(gòu)成一個(gè)整體。人因工程學(xué)高度重視輪椅的安全性、高效率性、乘坐舒1適性。特別是殘疾人的輪椅，安全性、人性化更為重要。理想的輪椅應(yīng)使坐者體重分布合理，大腿近似水平狀態(tài)，雙腳自然放到腳踏板上，雙臂不負(fù)擔(dān)身體重量，肌肉放松，可以方便的變換坐姿 [6]。大于 90°的靠背可防止骨盆的旋轉(zhuǎn)，增加坐姿的穩(wěn)定性，且使坐姿更接近自然狀態(tài) [7]。輪椅的設(shè)計(jì)者更應(yīng)該重視輪椅的人性化和個(gè)性化的設(shè)計(jì),受迎并且擁有發(fā)展市場的輪椅必定是舒服舒適并擁有突出新穎功能的輪椅,使人、機(jī)和環(huán)境充分的結(jié)合起來 [8]。要做到這一點(diǎn),就需要設(shè)計(jì)師結(jié)合人因工程學(xué)的知識，研究輪椅使用者的喜好，用理性工學(xué)的研究方法，針對生物力學(xué)對輪椅結(jié)構(gòu)的影響,對座椅、輪子、扶手及其他個(gè)性化附件用心、用智慧進(jìn)行設(shè)計(jì) [9]。1.2 國內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢1.2.1 國外發(fā)展?fàn)顩r自 1986 年英國開始研制第一輛智能輪椅來,許多國家投入較多資金研究智能輪椅。如美國麻省理工學(xué)院 Wheelesley 項(xiàng)目 [10]、法國 VAHM 項(xiàng)目 [11]、德國烏爾姆大學(xué) MAID(老年人及殘疾人助動器)項(xiàng)目 [12]、 Bremen Autonomous Wheelchair 項(xiàng)目、西班牙 SIAMO 項(xiàng)目 [13]、加拿大 AAI 公司 TAO 項(xiàng)目、歐盟TIDE 項(xiàng)目、KISS 學(xué)院 TINMAN 項(xiàng)目、臺灣中正大學(xué)電機(jī)系 LUOSON 項(xiàng)目、我國 863 智能機(jī)器人智能輪椅項(xiàng)目及第三軍醫(yī)大學(xué)外科研究所項(xiàng)目等。由于各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)及研究方法不盡相同,每種輪椅解決的問題及達(dá)到的能力不同。初期的研究,賦予輪椅的功能一般都是低級控制,如簡單的運(yùn)動、速度控制及避障等。隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展,移動機(jī)器人大量技術(shù)用于輪椅, 智能輪椅在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上, 有更好的交互性、適應(yīng)性、自主性。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國自動化輪椅研究起步較晚，在機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和靈活性上和國外相比有一定差距 [14]。但也根據(jù)自身特色研制出技術(shù)接近國外先進(jìn)水平的。研究單位有中科2院自動化所、上海交通大學(xué)和香港中文大學(xué)等 [15]。中科院自動化研究所在中科院創(chuàng)新工程和國家“831”計(jì)劃支持下，研制了一種具有視覺和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行多模態(tài)交互的多功能輪椅移動機(jī)器人 [16] [17]。我國現(xiàn)有輪椅，特別是肢殘者與老年人大量使用的多為手動輪椅，由于輪椅本身無動力，實(shí)際使用時(shí)往往需要他人輔助，造成很多不便。為改變我國輪椅手搬人推的落后狀況，貫徹落實(shí)民政工作上為國家分憂、下為百姓解愁的方針，更好地為傷殘人員服務(wù)，滿足人們對現(xiàn)代生活質(zhì)量日益提高的需求，國內(nèi)輪椅及相關(guān)企業(yè)將積極開發(fā)研制電動輪椅。近年來，我國輪椅行業(yè)保持快速發(fā)展。不過，行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，絕大部分產(chǎn)品為一般輪椅、產(chǎn)品價(jià)格低。高端產(chǎn)品如電動輪椅和運(yùn)動輪椅研發(fā)投入不足，技術(shù)水平與國外相差很大，運(yùn)動輪椅則主要依靠進(jìn)口。因此，有必要進(jìn)行更多的研究與開發(fā)。1.2.3 存在問題和未來發(fā)展趨勢經(jīng)過近 20 年的研究發(fā)展，智能輪椅的研究有了很大的進(jìn)展，功能不斷豐富，安全可靠性不斷提高，但是也存在一定的問題：(1)人機(jī)交互不夠自然。雖然已經(jīng)開發(fā)了多種智能輪椅人機(jī)交互接口，但是仍處于通過人機(jī)接口對輪椅進(jìn)行簡單控制的階段，對自然交互中使用者的無意識行為與有意識行為的區(qū)分還很欠缺，無法達(dá)到自然交互的目的。(2) 輪椅的安全保障系統(tǒng)不夠完善。目前多數(shù)智能輪椅平臺較重視功能性實(shí)現(xiàn)，對于各種環(huán)境下危險(xiǎn)發(fā)生的可能性以及相應(yīng)的保障措施研究不夠。(3)智能輪椅控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差，功耗較大，續(xù)航能力不高，離真正的實(shí)用還有一定距離。未來的發(fā)展趨勢有以下幾個(gè)方面：（1）人機(jī)交互自然化。通過多種人機(jī)交互接口結(jié)合，智能輪椅系統(tǒng)能夠更加充分地與使用者進(jìn)行交流和溝通，更加準(zhǔn)確地理解使用者的操縱意圖。3（2）安全保障全面化。利用日益進(jìn)步的傳感器技術(shù)，構(gòu)建完善的智能輪椅保障系統(tǒng)，通過對周圍環(huán)境更加全面的了解，實(shí)時(shí)監(jiān)測智能輪椅的運(yùn)動狀態(tài)，對危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警和阻止，盡可能避免危險(xiǎn)的發(fā)生。（3）產(chǎn)品化。產(chǎn)品化是任何高新技術(shù)服務(wù)于社會的必經(jīng)之路，采用嵌入式控制系統(tǒng)將是智能輪椅未來的發(fā)展方向，利用嵌入式產(chǎn)品功耗低、運(yùn)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)，將能夠?qū)崿F(xiàn)真正的智能輪椅產(chǎn)品。（4）模塊化。要實(shí)現(xiàn)智能輪椅的批量生產(chǎn)，智能輪椅的各項(xiàng)功能必須模塊化，包括導(dǎo)航系統(tǒng)、人機(jī)接口、運(yùn)動控制以及機(jī)械臂等等。以便于為不同的用戶定制不同的功能模塊組合，同時(shí)也便于對各個(gè)功能模塊的升級和再開發(fā)。2、課題的設(shè)計(jì)思想和研究擬采用的方法和手段2.1 課題的設(shè)計(jì)思想（1）自動輪椅總體方案的制定：本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有輪椅架、腳踏板、坐墊、轉(zhuǎn)動裝置、傳動裝置和控制裝置及折疊裝置，輪椅的關(guān)鍵部件中主要以便槽、靠背、坐墊的設(shè)計(jì)來考慮人因工程學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。傳動裝置由驅(qū)動圈和主動輪組成, 轉(zhuǎn)動裝置由氣缸、連桿、螺栓、螺母組成。控制裝置由剎車系統(tǒng)組成。折疊裝置由連桿、螺栓、螺母組成。自動的總體設(shè)計(jì)方案充分考慮人機(jī)交互，方便殘疾人上下輪椅和驅(qū)動輪椅；安全保障系數(shù)高；結(jié)構(gòu)分布合理；材料舒適，成本低；具有良好的可移植性，可以適應(yīng)不同的加工平臺；各個(gè)零件要達(dá)到避免在預(yù)定壽命期內(nèi)失效的要求 [18]；盡可能實(shí)現(xiàn)輪椅的機(jī)械化，當(dāng)執(zhí)行制造程的基本動作是由機(jī)器（機(jī)械）代替人力勞動來完成時(shí)稱為機(jī)械化 [19]；在滿足產(chǎn)品使用性能的條件下，零件圖上標(biāo)注的尺寸公差等級和表面粗糙度值應(yīng)取經(jīng)濟(jì)值 [20]。（2）針對自動輪椅設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問題，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該考慮這些因素的影響，制定設(shè)計(jì)方案，避免或者減少這些問題的發(fā)生。2.2 課題研究采用的方法4（1）通過圖書館查閱相關(guān)的手冊及書籍； （2）通過互聯(lián)網(wǎng)查閱相關(guān)資料和最新動態(tài)；（3）應(yīng)用 CAD 制圖和 UG 制圖建立試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)模型，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和運(yùn)動分析。2.3 預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)過程中可能遇到的問題及解決方法和措施在設(shè)計(jì)的過程中可能會遇到很多的麻煩，例如在設(shè)計(jì)完基礎(chǔ)零件之后進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，有一些零件就有可能是不符合條件的，這樣就會增加計(jì)算量，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要注意設(shè)計(jì)的合理性。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，拆裝方便；零件結(jié)構(gòu)要素必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件；設(shè)計(jì)時(shí)要考慮各個(gè)機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合；選擇合適的電動機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；通過建立數(shù)學(xué)模型在設(shè)計(jì)前找到某些指標(biāo)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。3、論證完成課題的實(shí)驗(yàn)條件通過自己的了解以及在圖書館和網(wǎng)上的資料查閱，對本設(shè)計(jì)的基本知識已經(jīng)有了一定的認(rèn)識，而且可以通過網(wǎng)上資料檢索進(jìn)行查閱相關(guān)知識，并利用原有的資料進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中包括主要包括扶手、坐墊、車輪和靠背，根據(jù)文獻(xiàn)和論文資料對結(jié)構(gòu)布局要求有一定的了解。后期需要的裝配圖可以利用電腦軟件，例如 CAD 制圖和 UG 制圖等進(jìn)行完成。4、課題進(jìn)度安排第一周 調(diào)研、選題、查閱資料第二周 查閱文獻(xiàn)資料， 撰寫開題報(bào)告和外文翻譯第三周 撰寫開題報(bào)告和外文翻譯第四周 整理、修改、審訂開題報(bào)告及外文翻譯第五周 總體方案設(shè)計(jì)5第六周 擬定設(shè)計(jì)方案第七周 進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算第八周 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制總裝圖，完成設(shè)計(jì)計(jì)算第九周 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制總裝圖，完成設(shè)計(jì)計(jì)算第十周 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制總裝圖，完成設(shè)計(jì)計(jì)算第十一周 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制總裝圖，完成設(shè)計(jì)計(jì)算第十二周 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制總裝圖，完成設(shè)計(jì)計(jì)算第十三周 繪制部件圖，設(shè)計(jì)計(jì)算第十四周 繪制部件圖，設(shè)計(jì)計(jì)算，準(zhǔn)備論文第十五周 繪制部件圖，撰寫論文第十六周 修改圖體，撰寫論文第十七周 修改圖體，撰寫論文，準(zhǔn)備答辯第十八周 修改論文，準(zhǔn)備答辯5、參考文獻(xiàn)[1] 郭伏．人因工程學(xué)[M]．沈陽 :東北大學(xué)出版社，2001 .[2] 余道清．我的輪椅朋友[J] ．中國殘疾人，2008（6）： 65．[3] 鐘雄.愿輪椅亮麗溫馨精彩紛呈[J] .中國殘疾人，2008 （6）：65.[4] 孫恒，陳作模，葛文杰．機(jī)械原理[M] ．北京：高等教育出版社， 2006．[5] 朱龍根．機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2015．[6] 周美玉．工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)[ M]．北京：中國輕工業(yè)出版社，2001．[7] 朱序璋．人機(jī)工程學(xué)[M] ．西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 1999．[8] 江渡，中俊，陳棟.應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)研究輪椅的舒適性[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006(8):12-13.[9] Matsubara, Y., et.al. 1997. 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