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【摘 要】随着残疾人数增多和人口老龄化，康复辅助器具的需求量不断增加。本文作者主要在移动辅助器具的控制方法的先进性，导航方式的前沿性，人机交互方式的人性化，人体检测智能化，室内移动的一体化，人机尺度参数和肢体残疾人康复的创新性等方面做了深入研究和探讨。提出了一套一体化室内移动康复辅助器具的设计方案。
【关键词】康复智能化人性化控制方法外观设计
一、国内外社会背景及发展战略与移动辅助器具的关系
辅助器对于残疾人和老人人口的作用随着残疾人口的增加已经社会的关注和重视而变得格外的突出，在90年后一些发达国家对于辅助器的开发和改善更是不断的提高和更新，并且投入相应的人力、物理进行辅助器的开发和研究。这主要是为了给残疾人和老年人提供一个更加方便和完善的使用工具，提高他们的生活质量，尽可能的满足他们的日常生活中的需要，使他们能够更好的投入社会生活。对辅助器的开发和研制主要表现两个方面生活自立已经功能自补。
二、智能技术在移动辅助器具领域的应用
（一）驱动控制技术在移动辅助器具领域的应用模式
驱动控制技术在移动辅助器具领域为核心技术。高性能电动轮椅通常需要通过两个驱动轮的差速驱动实现轮椅的平稳行驶，包括起停、前进/倒退、并尽可能的减小转向半径。因此，轮椅控制器必须根据使用者的操作指令和传感器感知到的环境信息，实时控制和协调两个驱动轮的转速，才能够使轮椅更精确地行驶。
（二）人机接口技术在移动辅助器具领域的应用方式
人机接口作为人机交互方式，其灵活性、易操作性是移动辅助器具高效运行的基础。
最常用的接口形式为操纵杆和功能键盘；平板显示器和触摸屏可以采用菜单方式操作，同时还可以显示反馈信息；语音接口虽然使用方便，但成本较高，且不能完全实现自然语言交流。针对有语言障碍的用户还出现了以摄像机、触觉服、鹰眼系统监测使用者动作、位置来判断意图并形成控制命令的接口方式。
（三）传感器在移动辅助器具领域的应用方式
移动辅助器具需要实现自主定位、导航和路径规划任务，因此传感器的信息融合技术非常重要。需要融合内部或外部编码器，超声波传感器，红外传感器，激光测距仪，碰撞传感器，摄像头等技术。除了带有各种环境感知传感器以外还需要携带有人机接口用的传感器。这些数据的准确的融合和综合分析是移动辅助器具做出正确决策的基础。
（四）运动导航技术在移动辅助器具领域的应用模式
导航系统用来引导移动辅助器具的运动，包括航标导航、地图导航、传感器导航和视觉导航。导航系统通常是由其中的一种或几种方式结合起来构成。全自主导航是通过各种传感器检测环境信息，建立环境模型，确定轮椅的位置和方向，然后规划出安全有效运动路径。半自主导航是将使用者的经验和自主导航技术相结合，使运动更灵活。
三、一体化室内移动康复辅助器具的研究
一体化室内移动辅具作为服务机器人的一种，是国家863计划的在研项目。此一体化室内移动康复辅助器具以轮椅的外形采用高性能小型电机控制，具有高可靠性、高效率的驱动控制单元，能够通过简单的结构单元的变形以满足与室内装置的对接，使用者能够独立完成房间之间的移动运动和升降活动，从而解决残障者进食、洗浴、如厕等日常生活活动。
（一）功能上的创新
1.一体化室内对接：
（1）与床的对接：使用者通过全自动导航系统可将轮椅按照轨迹行驶到床边，通过人机界面的控制，轮椅底部的液压装置使轮椅的靠背和靠腿与座面平行，并使轮椅整体高度提高到与床的高度平行，实现轮椅与床的单侧对接。
（2）与座便、座椅的对接：使用者在坐立状态时，通过导航系统行驶到座便或者座椅边时，轮椅单侧扶手可向外侧平放，与座面平行，形成一个移乘板，与座便、座椅对接使用者可转移到相应位置。
图3-1a
（3）与厨房、盥洗池等的对接：轮椅可通过液压装置调节高度，因此使用者可根据家庭实际调整座面高度实现对接。
① 康复训练功能
a.下肢康复训练方式：轮椅的脚踏板可手动调节高度和自动运动，使用者在坐立时通过设定，双腿可在脚踏板自动运动，使得双腿在被动运动状态下促进血液循环，同时，使用者可根据自身情况调节脚踏板高度并进行主动运动，起到恢复腿部肌力的作用。
图3-1b
图3-1c
b.上肢训练方式：上肢康复训练主要在于手指的灵活性，轮椅的扶手采用单侧可抽出桌面式，桌面为木制，带有木顶板孔和形状凹凸，使用者可通过将配套的木钉和形状放入相应的孔内锻炼手关节，并锻炼眼手协调能力。
c.其他訓练：针对特殊情况的严重中风患者，可使用轮椅上的操纵面板进行听力锻炼、视觉锻炼和语言锻炼。
②人体检测功能
此轮椅的主要优势是，有利于老年人和残疾人独立生活能力的提高 ，提高了他们的应变特殊事件发生的能力。拥有成年人的监控系统，能够及时的了解个关注病人的身体情况，采取应变措施。
（二）功能实现与操控系统的关系
1.控制系统的选择：采用嵌入式控制系统，系统采用ARM+DSP+FPGA的方式来分别构建轮椅的中央控制系统、传感器系统、视觉系统和运动控制系统，整个控制系统运行稳定，具有实时性高、功耗低，续航时间长的特点。
2.控制模式的设计：采用全自动模式与半自动两种模式，使老年人和残疾人能够根据自己的情况有选择性的利用工具。
3.人机交互方式的设计：为方便操纵，加入触摸屏人机界面和设定型人机接口，采用智能操纵杆控制行进方向，该方式指示方向明确简单，并利用模糊逻辑的方法去除使用者操纵过程中的手部颤抖，防止病理性颤抖对操纵的负影响；并加入自然型人机接口语音控制，利用口令识别和语音合成技术，实现使用者与轮椅的语音对话以及对轮椅运动的控制。 4.导航系统的设计：采用全自主导航方式，使用者通过人机界面给出目标点，由轮椅完成路径规划和路径跟踪。其导航技术主要采用自主移动机器人的相关技术。导航的方法包括传感器导航，导航系统通过各种传感器检测环境信息，建立环境模型，确定轮椅的位置和方向，系统需要与使用者进行实时交互，根据目标点的变更实时调整运动路径。
（三）功能实现与外观的关系
本款移动辅助器具以电动轮椅为基本型，采用加减模块的造型方式加以设计。不但外观简洁，也充分体现了“功能主义”这一理念。整体采用铝合金和橡胶结合，减少整体重量，提高舒适度。
1.扶手的设计：辅助器具一侧的扶手可90度向外平行放置，作为移乘板，方便使用者移动，增加了安全性。另一侧的扶手主要分布了控制界面，包括操纵杆、其他控制功能及手关节训练器。
2.脚托的设计：本款轮椅的脚托在设计上可使患者进行主动与被动两种方式的下肢训练。被动训练状态时，脚托会以一定的角度、高度、频率摆动，加强下肢的血液循环。另外，脚托还具有升降功能，此时进行主动运动。
3.靠背的设计：靠背可调节高度和倾斜斜度。如对躯干的平衡和控制较好，可选用低靠背，提高活动度；反之，要选用高靠背轮椅。
4.轮胎：实心型在平地走较快且不易爆破，易推动；有充气内胎的较难推，易刺破，振动小。本移动辅助器具为室内辅具，采用实心轮胎可使辅具移动更加灵活。
5.刹车：肘节式刹车，利用杠杆原理，通过几个关节而后制动，本移动辅助器具为加大患者的刹车力，在刹车上加延长杆，使得刹车控制力减小。
（四）人机尺度的研究与选择
图3-4 轮椅乘坐着上肢能触及的有效范围
1.座宽：按我国正常成人男女人体主要尺寸按GB10000-88标准，按成人女子95%的臀部宽度，座宽设计为400 mm。
2.座高：相当于人体小腿长度加上脚的厚度，考虑到不同的人都能在舒适的状态下工作，则坐高应做成可调节的，其调节范围按成人女子P50%到成年男子P95百分位数设计，最后设计可调范围为：375 mm～390 mm。
3.座深：其深度一般相当于臀部至大腿全长的3/4，按成人男子95%应不超过446 mm。
4.扶手高度：高出座椅面225～250mm乘坐着最为舒适。
5.坐垫：为了舒服和防止褥疮，轮椅的椅坐上应放坐垫。常见的坐垫有泡沫橡胶垫（5～10cm厚）或凝胶垫。为防止座位下陷可在坐垫下放一张0.6cm厚的胶合板。
6.靠背高度：靠背越高，越稳定，靠背越低，上身及上肢的活动就越大，选择95%，低靠背：测量坐面至腋窝的距离（一臂或两臂向前平伸），将此结果减100mm。为实现与床的对接，靠背高度为600mm～1000mm，可调节。
7.直立高度与平行长度：90°直立高度为1600～1800mm，平行长度为1800mm～2000mm。
8.可升降高度：在坐高的可调节范围基础上，轮椅整体座面和脚踏板同时可升降高度为375mm～450mm。
四、结论
室内一体化移动辅助器具作为一个巨大社会关注度的、蕴藏巨大发展潜力的、特色鲜明的典型高新技术，是21世纪高新技术制造业与现代服務业的重要组成部分，也是我国高新技术产业发展的一次重大机遇，对于提升国家核心竞争力具有重要战略意义。
注释：
图3-1b、图3-4来源于《民用住宅建筑无障碍设计探讨与实践》江峰、陈刚、吴睿、唐薛东
参考文献：
[1]《智能轮椅的研究现状与关键技术》中图分类号：TP242
[2]《辅助器具的现状与发展》中国康复研究中心，朱图陵
[3]《人机工程学》丁玉兰，北京理工大学出版社，2005年1月1日
[4]《服务机器人技术研究现状与发展趋势》王天苗，北京航空航天大学机器人研究所，2012年8月21日
[5]《基于残疾人情感诉求的轮椅设计新思路》北京航空航天大学，宫浩钦
（指导老师：许晓云）
【关键词】康复智能化人性化控制方法外观设计
一、国内外社会背景及发展战略与移动辅助器具的关系
辅助器对于残疾人和老人人口的作用随着残疾人口的增加已经社会的关注和重视而变得格外的突出，在90年后一些发达国家对于辅助器的开发和改善更是不断的提高和更新，并且投入相应的人力、物理进行辅助器的开发和研究。这主要是为了给残疾人和老年人提供一个更加方便和完善的使用工具，提高他们的生活质量，尽可能的满足他们的日常生活中的需要，使他们能够更好的投入社会生活。对辅助器的开发和研制主要表现两个方面生活自立已经功能自补。
二、智能技术在移动辅助器具领域的应用
（一）驱动控制技术在移动辅助器具领域的应用模式
驱动控制技术在移动辅助器具领域为核心技术。高性能电动轮椅通常需要通过两个驱动轮的差速驱动实现轮椅的平稳行驶，包括起停、前进/倒退、并尽可能的减小转向半径。因此，轮椅控制器必须根据使用者的操作指令和传感器感知到的环境信息，实时控制和协调两个驱动轮的转速，才能够使轮椅更精确地行驶。
（二）人机接口技术在移动辅助器具领域的应用方式
人机接口作为人机交互方式，其灵活性、易操作性是移动辅助器具高效运行的基础。
最常用的接口形式为操纵杆和功能键盘；平板显示器和触摸屏可以采用菜单方式操作，同时还可以显示反馈信息；语音接口虽然使用方便，但成本较高，且不能完全实现自然语言交流。针对有语言障碍的用户还出现了以摄像机、触觉服、鹰眼系统监测使用者动作、位置来判断意图并形成控制命令的接口方式。
（三）传感器在移动辅助器具领域的应用方式
移动辅助器具需要实现自主定位、导航和路径规划任务，因此传感器的信息融合技术非常重要。需要融合内部或外部编码器，超声波传感器，红外传感器，激光测距仪，碰撞传感器，摄像头等技术。除了带有各种环境感知传感器以外还需要携带有人机接口用的传感器。这些数据的准确的融合和综合分析是移动辅助器具做出正确决策的基础。
（四）运动导航技术在移动辅助器具领域的应用模式
导航系统用来引导移动辅助器具的运动，包括航标导航、地图导航、传感器导航和视觉导航。导航系统通常是由其中的一种或几种方式结合起来构成。全自主导航是通过各种传感器检测环境信息，建立环境模型，确定轮椅的位置和方向，然后规划出安全有效运动路径。半自主导航是将使用者的经验和自主导航技术相结合，使运动更灵活。
三、一体化室内移动康复辅助器具的研究
一体化室内移动辅具作为服务机器人的一种，是国家863计划的在研项目。此一体化室内移动康复辅助器具以轮椅的外形采用高性能小型电机控制，具有高可靠性、高效率的驱动控制单元，能够通过简单的结构单元的变形以满足与室内装置的对接，使用者能够独立完成房间之间的移动运动和升降活动，从而解决残障者进食、洗浴、如厕等日常生活活动。
（一）功能上的创新
1.一体化室内对接：
（1）与床的对接：使用者通过全自动导航系统可将轮椅按照轨迹行驶到床边，通过人机界面的控制，轮椅底部的液压装置使轮椅的靠背和靠腿与座面平行，并使轮椅整体高度提高到与床的高度平行，实现轮椅与床的单侧对接。
（2）与座便、座椅的对接：使用者在坐立状态时，通过导航系统行驶到座便或者座椅边时，轮椅单侧扶手可向外侧平放，与座面平行，形成一个移乘板，与座便、座椅对接使用者可转移到相应位置。
图3-1a
（3）与厨房、盥洗池等的对接：轮椅可通过液压装置调节高度，因此使用者可根据家庭实际调整座面高度实现对接。
① 康复训练功能
a.下肢康复训练方式：轮椅的脚踏板可手动调节高度和自动运动，使用者在坐立时通过设定，双腿可在脚踏板自动运动，使得双腿在被动运动状态下促进血液循环，同时，使用者可根据自身情况调节脚踏板高度并进行主动运动，起到恢复腿部肌力的作用。
图3-1b
图3-1c
b.上肢训练方式：上肢康复训练主要在于手指的灵活性，轮椅的扶手采用单侧可抽出桌面式，桌面为木制，带有木顶板孔和形状凹凸，使用者可通过将配套的木钉和形状放入相应的孔内锻炼手关节，并锻炼眼手协调能力。
c.其他訓练：针对特殊情况的严重中风患者，可使用轮椅上的操纵面板进行听力锻炼、视觉锻炼和语言锻炼。
②人体检测功能
此轮椅的主要优势是，有利于老年人和残疾人独立生活能力的提高 ，提高了他们的应变特殊事件发生的能力。拥有成年人的监控系统，能够及时的了解个关注病人的身体情况，采取应变措施。
（二）功能实现与操控系统的关系
1.控制系统的选择：采用嵌入式控制系统，系统采用ARM+DSP+FPGA的方式来分别构建轮椅的中央控制系统、传感器系统、视觉系统和运动控制系统，整个控制系统运行稳定，具有实时性高、功耗低，续航时间长的特点。
2.控制模式的设计：采用全自动模式与半自动两种模式，使老年人和残疾人能够根据自己的情况有选择性的利用工具。
3.人机交互方式的设计：为方便操纵，加入触摸屏人机界面和设定型人机接口，采用智能操纵杆控制行进方向，该方式指示方向明确简单，并利用模糊逻辑的方法去除使用者操纵过程中的手部颤抖，防止病理性颤抖对操纵的负影响；并加入自然型人机接口语音控制，利用口令识别和语音合成技术，实现使用者与轮椅的语音对话以及对轮椅运动的控制。 4.导航系统的设计：采用全自主导航方式，使用者通过人机界面给出目标点，由轮椅完成路径规划和路径跟踪。其导航技术主要采用自主移动机器人的相关技术。导航的方法包括传感器导航，导航系统通过各种传感器检测环境信息，建立环境模型，确定轮椅的位置和方向，系统需要与使用者进行实时交互，根据目标点的变更实时调整运动路径。
（三）功能实现与外观的关系
本款移动辅助器具以电动轮椅为基本型，采用加减模块的造型方式加以设计。不但外观简洁，也充分体现了“功能主义”这一理念。整体采用铝合金和橡胶结合，减少整体重量，提高舒适度。
1.扶手的设计：辅助器具一侧的扶手可90度向外平行放置，作为移乘板，方便使用者移动，增加了安全性。另一侧的扶手主要分布了控制界面，包括操纵杆、其他控制功能及手关节训练器。
2.脚托的设计：本款轮椅的脚托在设计上可使患者进行主动与被动两种方式的下肢训练。被动训练状态时，脚托会以一定的角度、高度、频率摆动，加强下肢的血液循环。另外，脚托还具有升降功能，此时进行主动运动。
3.靠背的设计：靠背可调节高度和倾斜斜度。如对躯干的平衡和控制较好，可选用低靠背，提高活动度；反之，要选用高靠背轮椅。
4.轮胎：实心型在平地走较快且不易爆破，易推动；有充气内胎的较难推，易刺破，振动小。本移动辅助器具为室内辅具，采用实心轮胎可使辅具移动更加灵活。
5.刹车：肘节式刹车，利用杠杆原理，通过几个关节而后制动，本移动辅助器具为加大患者的刹车力，在刹车上加延长杆，使得刹车控制力减小。
（四）人机尺度的研究与选择
图3-4 轮椅乘坐着上肢能触及的有效范围
1.座宽：按我国正常成人男女人体主要尺寸按GB10000-88标准，按成人女子95%的臀部宽度，座宽设计为400 mm。
2.座高：相当于人体小腿长度加上脚的厚度，考虑到不同的人都能在舒适的状态下工作，则坐高应做成可调节的，其调节范围按成人女子P50%到成年男子P95百分位数设计，最后设计可调范围为：375 mm～390 mm。
3.座深：其深度一般相当于臀部至大腿全长的3/4，按成人男子95%应不超过446 mm。
4.扶手高度：高出座椅面225～250mm乘坐着最为舒适。
5.坐垫：为了舒服和防止褥疮，轮椅的椅坐上应放坐垫。常见的坐垫有泡沫橡胶垫（5～10cm厚）或凝胶垫。为防止座位下陷可在坐垫下放一张0.6cm厚的胶合板。
6.靠背高度：靠背越高，越稳定，靠背越低，上身及上肢的活动就越大，选择95%，低靠背：测量坐面至腋窝的距离（一臂或两臂向前平伸），将此结果减100mm。为实现与床的对接，靠背高度为600mm～1000mm，可调节。
7.直立高度与平行长度：90°直立高度为1600～1800mm，平行长度为1800mm～2000mm。
8.可升降高度：在坐高的可调节范围基础上，轮椅整体座面和脚踏板同时可升降高度为375mm～450mm。
四、结论
室内一体化移动辅助器具作为一个巨大社会关注度的、蕴藏巨大发展潜力的、特色鲜明的典型高新技术，是21世纪高新技术制造业与现代服務业的重要组成部分，也是我国高新技术产业发展的一次重大机遇，对于提升国家核心竞争力具有重要战略意义。
注释：
图3-1b、图3-4来源于《民用住宅建筑无障碍设计探讨与实践》江峰、陈刚、吴睿、唐薛东
参考文献：
[1]《智能轮椅的研究现状与关键技术》中图分类号：TP242
[2]《辅助器具的现状与发展》中国康复研究中心，朱图陵
[3]《人机工程学》丁玉兰，北京理工大学出版社，2005年1月1日
[4]《服务机器人技术研究现状与发展趋势》王天苗，北京航空航天大学机器人研究所，2012年8月21日
[5]《基于残疾人情感诉求的轮椅设计新思路》北京航空航天大学，宫浩钦
（指导老师：许晓云）