基于人机交互的智能轮椅设计研究

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中国设备

工程

Engineer ing hina C P l ant

中国设备工程 2019.10 （上）随着我国老年人数量的不断增多，我国轮椅市场规模也正在不断发展。但当前我国市场环境中存在的大部分轮椅整体功能设计方面都比较简单，很难实现较好的人机交互，对于各类智能化系统的应用程度还存在较为显著的不足。而对于各个使用轮椅的主体来说，要想通过轮椅完全实现生活自

基金项目：四川省科技计划资助，项目名称：多模态智能轮椅研制及应用示范，项目编号：18ZDYF1365。

理，还是非常困难的。在这种行业市场环境下，各类新型智能轮椅就开始得到全方位的研发，通过完善全面的人机交互系统来提高轮椅使用的自动化与智能化，同时还能够增设集合越障、自动避障、辅助康复治疗等各项功能，满足各个主体的使用需求。

1 人机交互智能轮椅的目标用户分析

教育人机交互的智能轮椅设备目标人群跟传统轮椅并没有太大的区别。第一，人类个体随着年龄的增长，身体生理基于人机交互的智能轮椅设计研究

张强 

（四川省康复辅具技术服务中心，四川 成都 610021）

摘要：随着老龄化水平的不断增加，我国老年人群体数量不断攀升。而老年人因为自身疾病或者意外事故等原因，出现下肢功能受限或下肢直接损伤的比重也较多，对于轮椅的需求量较高。本文先阐述了人机交互智能轮椅的目标用户，并结合当前我国市场需求明确了轮椅应该具有的各类功能，并立足于功能、外观和色彩三个层面，分析了人机交互智能轮椅的造型设计内容，探讨了人机交互智能轮椅的交互内容设计细则。

关键词：人机交互；智能轮椅；造型设计；交互设计；APP

中图分类号：TH789 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2019）10（上）-0159-03

这种固定支架看上去结构简单，大小头与工作管和钢套管整圈满焊，工作管周向受力均匀，最大程度地降低了应力集中。大小头在工作管受热膨胀后可产生一定的弹性变形，减小固定结构处产生的二次应力。整圈满焊形成保温空间的隔断，如果工作管某点泄漏，蒸汽就会在相应补偿段的排潮管排出，既可以不影响其他补偿段的保温层，而且检漏的范围就在这个补偿段上，不用在整条管线上盲目查找。

直埋内固定节的表面温度控制一直是热力管道预制的一大难题。钢的导热率通常是普通保温材料的上百倍甚至上千倍。内固定节中的钢制固定结构的热传导会使钢套管处的温度过高，导致固定节处钢套管防腐层破坏，如图1的C 处。并且高温会影响周围的土壤结构和植被。直埋蒸汽管道检修，开挖后，经常会发现内固定支架处的钢套管处腐蚀破坏。

按照现行最新规范，直埋管运行时钢套管外表面最高温度不能超过50℃。由于土壤层有保温作用的原因，很多实际运行的直埋管道表面温度都会接近或超过50℃，固定支架处的温度会更高，而且固定支架会影响旁边管道的温度。这样一方面不符合行业规范，另一方面刚套管温度过高会对周围的环境产生影响，包括土壤层、地下水、植被、周围的地下管道等。普通的固定节就存在上述问题。

固定节处的温度控制对直埋管来说非常重要。多数直埋管预制厂家在预制时，都未对固定节做隔热处理。但是固定节要达到足够的承载强度和每个补偿段保温空间的严密隔断，工作过就得与钢套管和工作管均沿圆周满焊，这样就必然造成钢套管与固定结构焊接处温度过高。目前，多数直埋保温管预制厂家在固定节制作时都未能有效解决固定节外套

管处温度会过高的问题。

笔者此处介绍一种解决固定节处钢套管温度过高的办

法。固定节制作时，在钢套管、固定结构、工作管焊接完毕后，以钢套管和固定结构的焊接点为中心再增加一层外护管，两层钢套管直接添加保温层，之后在按要求做防腐处理。固定结构同样参照图一结构，钢套管外以C 处为中心再增加外护管，如图2。

图2 加套型圆周固定节

如此一来，C 处的热量由外护大小头（件3）和外护管（件4）分散，解决了固定节外表面局部温度过高的问题。从宏观角度看，这个措施实际上是增加了固定结构外层的总热阻。在其他层热阻不变的情况下，其表面温度自然会比原来降低。

由以上可知，固定支架是直埋蒸汽保温管整个管网安全运行的关键部件之一，再制作时不能仅考虑其“固定”功能，还需要考虑其受力强度、密封性能、表面温度、内部应力等

多方面因素，才能保证固定支架的安全、性能和寿命。在项目的设计、预制、施工的各个阶段，都必须重视。

参考文献：

[1]CJ/T 246 -2018.城镇供热直埋蒸汽管保温管及管路附件.[2]GB/T12777-2008.金属波纹管膨胀节通用技术条件.

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研究与探索Research and Exploration ·工艺与技术

中国设备工程 2019.10 (上)

机能已经出现了较为显著的退化，使得一部分老年人需要借助轮椅工具来进行外出行动。而随着我国老龄化水平的增加，当前我国已经全面进入了老龄化社会。因此，老年人群体的比例和数量都比较多，对于智能轮椅的需求也比较高。第二，在日常生活或者工作中，因为各类意外事故或者自身疾病影响而出现的下肢残障人员，在出行时也需要借助于轮椅。第三，智能轮椅跟传统轮椅设备相比，整体自动化水平相对来说比较高，同时智能轮椅在设计和制作过程中都投入了较高的成本，使得智能轮椅在价格上要显著高于传统轮椅。这种情况也使得智能轮椅在一线城市和经济水平较好的二线城市具有较多的用户群体，而在经济发展水平不高的城市区域很难取得较好的销售成效。2 人机交互智能轮椅的功能定位

传统轮椅的功能非常单一，仅仅提供了基础代步功能。而一些简单的智能轮椅虽然加入了智能行驶、刹车等各个功能，但并没有真正实现功能上的突破与创新。而本文所涉及的人机交互智能轮椅在综合以往行业产品经验的基础上，重新定位了轮椅的功能。基于人机交互的智能轮椅产品应该具有康复治疗、站立、智能行驶三项核心功能，同时还要兼顾目标市场用户的各类需求来增设相应的功能。而对于各个设计人员来说，在智能轮椅产品设计时，也应该将整个工作的重心放在这些核心功能设计方面。特别是在康复治疗功能实现方面，可以考虑在充分做好市场调研的基础上，可以推出立足于治疗时间、康复强度、变形幅度等各类指标元素的智能康复方案。在具体细节功能定位方面，设计人员也应该注意市场使用群体的反馈，并进行各项功能的智能调整。3 人机交互智能轮椅的整体造型设计3.1 功能设计

在智能轮椅设计过程中，应该先满足各类最基本的功能设计，具体由越障功能、辅助站立、调整坐姿、下肢力量恢复、自动避障。为了更好地实现这类功能，智能轮椅的车轮应该设计为行星轮，并使用离合器来控制中心齿轮，最终能够使得行星轮在遇到障碍时自动转化为星轮，完成越障和爬楼梯等功能。而辅助站立与坐姿调整等功能的实现，则需要引入八杆运动变形机构实现座椅角度调整。在智能轮椅设计过程中，还引入人机交互界面来设计了完整的自动避障功能。在功能实现的过程中，主要是使用红外线传感器感知周边环境，同时还做好灵活分析与判断以后来完成自动避障。在人际交互过程中，可以通过语音控制来实现轮椅设备的控制。3.2 外观设计

在智能轮椅外观造型设计方面，应该整体体现出整洁大方的质感，同时，还要具有较强的科技感，能够通过外观造型来让用户感受到产品使用的安全感。在具体设计过程中，智能轮椅应该充分重视靠背的设计工作，使得靠背能够提供较好的舒适性。在这个过程中，也可以考虑附加一些具有质感的轮椅表面结构，或者直接使用裸露的内部结构，能够增加造型设计美感。在屏幕设计时，则应该选用LED 触摸显示屏，同时还要避免指纹在显示屏中出现不必要的残留。3.3 色彩设计

在智能轮椅的色彩设计方面，应该突出整体的色彩内涵，同时还要关注其他元素的融入。不同的色彩本身就会给用户带来不一样的心理感受。因此，在进行智能轮椅色彩设计的

过程中，各个设计人员应该能够充分关注各个用户的实际需求和审美观，同时还要兼顾考量到智能轮椅功能上的发挥。比如，在应对于残障人士的智能轮椅设计过程中，就应该选择一些低饱和度的色彩。这主要是因为很多残障人士都会存在程度不一的自卑心理，同时，平时生活过程中也缺乏必要的安全感。他们在使用智能轮椅的时候也非常在意周围人对他们的眼光与看法，仅仅希望智能轮椅成为自己的一种便捷代步工具。因此，在残障人士的智能轮椅设计中，就可以考虑选择黑色、灰色、蓝灰的色彩搭配。4 人机交互智能轮椅的交互设计4.1 交互界面设计

智能轮椅不仅要在外观和色彩等方面达到较好的美观性，同时也要充分重视人机交互界面的设计。特别是智能轮椅使用人员为老年人和残疾人，因此在交互界面设计时，应该尽可能保证整体界面布局与内容展示的便捷性，能够让这些使用人员较好地理解交互内容，并能够更好地控制轮椅设备。对于整个智能轮椅设计来说，人机交互界面也是最为关键的一个模块。在具体设计过程中，酵母界面一方面应该能够根据使用者自身的功能需求，简洁展示相应的内容。与此同时，人机交互界面设计还应该引入智能手机，设计APP 连接控制模式，同时还要实现各类数据的共通，使得使用者可以通过手机来完成更为精细的人机交互。4.2 显示屏设计

在显示屏设计模块，相关设计人员应该秉承化繁为简的整体思路，减少显示屏中出现的文字，同时还要适当放大一些关键信息，使得轮椅使用用户能够更简单地识别显示屏中展示的内容。除此之外，显示屏展示内容应该尽可能趋于中间位置，使得各个用户能够更好认知各类信息内容。4.3 APP 交互原型设计

本次所设计的人际交互智能轮椅不仅能够提供基础交互功能，同时还开放了手机APP 功能来完成更深层次的人机交互。这也需要设计人员能够先整合智能轮椅所具备的各项功能，并能够合理分类处理各项功能，最终实现各个功能在手机APP 软件中的合理呈现。而对于手机APP 交互来说，则应该先统计智能轮椅的各类参数设计和功能种类，同时，还要做好各类数据的实时记录，并将用户的个人训练信息和常用行驶路径等信息添加到个人档案模块中。而在具体交互方式上，应该尽可能选择滑动或者点击等方式，避免出现用户不断使用手动输入等情况发生。4.4 APP 视觉界面设计

在智能轮椅手机APP 界面设计方面，各个设计人员应该做好文字、图片和各类色彩的整体布局，保证各个界面要素之间能够实现相互呼应，提高智能轮椅给使用人员带来的安全感。在整体设计上，可以考虑使用蓝底白字的模式。其中，蓝色能够带来智能化与科技感，而白色则可以提高用户对于内容的识别度。在界面按钮设计方面，则应该先突出整体设计上的简洁性，同时还要保证各个路径的逻辑性与合理性。5 结语

在未来我国老龄化社会的压力下，我国轮椅市场的整体规模将会进一步提高。而在当今信息化时代背景下，各类智能轮椅也将会得到更好的发展空间。因此在后续发展中，各

个轮椅设计制造企业应该将目光逐步放在人机交互功能显著