基于人機工程學的老年智能輪椅設計研究

劉慧瑩

關鍵詞：人機工程學 交互設計 老年人 智能 輪椅設計

引言

隨著中國老齡人口數量的快速增長，以及人們生活水平的提高，那些因行動不便需要使用輪椅的老年人會不斷增多。對于腿腳不便的老年人來說，輪椅已成為他們出門代步和參加社會活動必不可少的工具?，F今雖然輪椅已在原有基礎上進行了很多改進，但其仍存在智能化程度低，不易操縱和使用安全性不高等問題。同時久坐輪椅易使老年人產生生理與心理的雙重壓力?；谝陨锨闆r，當前亟需設計一款能夠輔助老年日常生活的智能輪椅，以解決這些突出問題，從而提升他們的幸福生活指數。

一、人機工程學概述

人機工程學是研究人、機械及其工作環境之間相互作用的學科，研究的內容主要是人體處在某個工作環境時的身體機能運行情況和各個器官工作情況等要素；研究人體、機器、環境三者之間的相互影響情況；研究人們在工作、生活與娛樂時面對效率、健康、安全和舒適度等狀況，如何系統性地考慮的新型學科[1]。人機工程學強調根據人和機器的條件及特點，合理分配人和機器承擔的操作職能，并使之相互適應，從而為人創造出舒適和安全的工作環境，以達到工效最優的目的[2]。

二、老年智能輪椅的國內外研究現狀

老年智能輪椅作為移動機器人的一種，主要用來輔助老年人的日常生活，是對他們已經弱化的身體功能的一種補充[3]。1986年，英國研制出第一輛智能輪椅，此后，各國紛紛將目光轉向新型智能輪椅研制這一領域。經過科研人員數十年的研究，現如今智能輪椅研制已取得顯著進展。

（一）國內研究現狀：相較國外智能輪椅，我國智能輪椅研究起步較晚。但近年來隨著科學技術的不斷發展，相關研究人員通過不懈鉆研，已研制出與國際先進技術水平相當的智能輪椅，如中國科學院研制出第一臺多模態交互式智能輪椅樣機，上海交通大學成功開發一種聲控輪椅[4]。除此之外，許多醫療器械企業也著手研發智能輪椅，如愛爾威公司研發的可以智能跟隨、自動避障、自動折疊的智能輪椅；魚躍醫療公司研發的具有遙控折疊、遙控后躺、遙控行走的智能輪椅。

（二）國外研究現狀：國外智能輪椅在初期只是簡單地安裝了一些測距傳感器，后期，隨著科學技術的發展，才陸續將許多智能模塊安裝到輪椅當中。如密歇根大學研發的NavChair，以商用輪椅為基礎，增加了一般避障、門道和沿墻跟隨這三種操作方式。德國烏爾姆大學在電動輪椅的基礎上開發的Maid具備導航系統和智能控制系統。日本蔚爾公司推出一款能夠自動駕駛的智能輪椅機器人WHILLNEXT[5]。美國艾博特公司研發的Ainsnbot老年智能輪椅采用ABS剎車技術，對于坡度較大，或者比較滑的地方，都可以做到自動剎車，安全性非常高。德國斯維馳公司研制的SW6000老年智能輪椅具有超智能簡便控制器，老年人能夠輕松上手，操作非常方便，并且操作桿可以更換左右手，方便老年人根據實際情況和個人偏好選擇使用。

三、人機工程學原理在老年智能輪椅設計中的應用

人機工程學強調“以人為本”的設計理念，人和機器作為其中的不可或缺的部分，相互作用，共同構成人機系統這個整體。將老年智能輪椅置于“人—機—環境”系統之中，按照人機工程學原理進行設計，在設計過程中，只有更注重“人—輪椅—環境”的協調統一，更關注老年人身體的安全與健康，才能設計出更符合老年人實際需求的智能輪椅。

（一）基于人機工程學的安全性設計：隨著年齡的增長，老年人的各項身體機能開始逐漸衰退，容易因自身操作不當而引發各種危險發生。因此，在設計老年智能輪椅時，首先要考慮輪椅的安全性，在講究美觀的同時，要在最大程度上保護老年人的安全，防止意外發生，為老年人的使用提供安全保障。

1.在外觀造型方面：老年智能輪椅的造型采用曲線設計能夠減少本身的棱角，提高其安全系數[6]，在輪椅座椅的下方設計減振機構，以減輕因路面不平劇烈顛簸，給老年人腰椎造成的意外損傷。在輪椅扶手箱上安裝緊急求救按鈕，當老年人突然遇到困難或發生意外時，通過按下按鈕，可使輪椅自動停止，并立刻向親屬傳遞警報信息，以保障老年人的出行安全。同時，為防止突發意外對老年人身體造成的傷害，在輪椅設計中加入類似汽車安全帶的保護裝置，可以有效減輕輪椅在緊急制動或下坡時產生的不良影響。

2.在移動操控方面：老年人在使用輪椅外出時會遇到各種復雜的路況，行駛過程中也可能遇到各種安全問題。為使輪椅具備道路識別以及自動避障的功能，在輪椅的前后分別安裝紅外感應裝置，在行進過程中實現路面檢測。如圖1所示，若輪椅在移動時遇障礙物或路面不平整，則感應系統首先向剎車系統發出減速或停止的指令，同時將道路信息傳送至控制端，由控制系統判斷輪椅是否符合安全通過或者繞行條件，根據判斷結果，利用算法對實際問題進行解決，自主完成輪椅在移動過程中，面對不同路況采取不同自動避障的策略。

在輪椅跟隨系統中加入GPS定位模塊，可幫助老年人提前規劃出行路線，也便于監護人在老年人發生意外時，迅速確定其位置。此外，輪椅上還安裝全景360°設備，通過語音模塊，可以隨時提醒老年人周邊路況，特別是老年人視線盲區內的車輛及行人運動位置情況。同時，系統能夠根據輪椅使用過程中出現的異常狀況級別，對使用輪椅的老年人及時發出不同顏色的信號燈警報，并為老年人提供相對應的解決措施，或是向其親屬發出呼救信號，使出現的問題能夠在第一時間得到處理，從而極大地降低危險事故的發生，以保證輪椅的行駛安全。

（二）基于人機工程學的舒適性設計：智能輪椅的受眾群體為老年人，因而需要依據他們的身體狀況、使用習慣和生活需求進行設計，出于對老年人久坐輪椅的考慮，保證老年人在使用輪椅時的舒適體驗感就顯得十分重要。

1.在靠背設計方面：隨著年紀的增長，老年人的身體機能和狀態發生變化，與年輕人相比出現較大幅度的衰退，主要體現在骨質逐漸疏松，更易感到疲乏無力。為減輕生理負擔，老年人使用輪椅時普遍采用向后倚靠的坐姿，此時背部與輪椅靠背緊貼，而腰部與輪椅靠背形成滯空，從而導致身體上半身受力不均，如果長時間保持這種姿勢，會對老年人的腰椎造成一定損傷。鑒于對老年人身體狀況的考量，在進行輪椅靠背設計時，選用軟硬適中、富有彈性的背靠海綿，同時在靠背下部增加與腰線貼合的腰枕，可使老年人的腰肌能夠處于較為松弛的狀態，從而達到緩解疲勞的效果。當老年人感到疲憊，需要在輪椅上放松休息時，可對輪椅靠背進行調整，設定不同傾斜角度。當輪椅處于躺倒模式時，會自動開啟鎖定模式，防止輪椅因受力不均發生移動，在靠背恢復正常后，鎖定模式將自動解除。如圖2所示，為保證輪椅靠背放倒后的舒適程度，在輪椅靠背的上部安裝頭枕，以便對老年人的頸部及頭部起到有效支撐和保護作用，使老年人在放松使用的過程中達到既安全又舒適的目的。

2.在座椅設計方面：座椅在輪椅使用過程中起到重要作用，而座椅的舒適程度取決于它的材質以及尺寸，老年智能輪椅將基于以上兩個角度進行改進設計。對比市場中較為常見的坐墊材料，最終選取具有彈性的記憶海綿，該材料的優點在于，抗壓強度高，抗震效果好，避免在行進途中遭受顛簸，外部采用萊卡面料進行包裹，透氣性較好，能有效防止細菌滋生。尺寸則參考人體工學設計數據，依照老年人坐姿與體壓分布特點，讓造型更加貼合人體臀部和腿部的曲線弧度，已達到分散身體下部受力的效果，以上設計極大程度地保證了老年人乘坐的舒適性。

3.在扶手設計方面：扶手作為肘部的支撐，在設計中主要參考“兩個距離”，其一是扶手相對坐墊的高度，其二是兩扶手的間距。這“兩個距離”取決于兩肘之間的寬度，肘部平放高度，以及人體的寬度。根據《人機工程學》中資料顯示，兩肘之間的寬度與人體的寬度使用第95百分位數據，肘部平放高度選擇第50百分位左右的數據，因此扶手的高度為24～25cm，扶手的間距為42～44cm[7]。這種尺寸下的扶手位置更為合理，此外扶手與肘部的接觸面選用軟墊設計，可使老年人得到更加舒適的體驗。

4.在手柄設計方面：老年人在使用輪椅過程中，控制手柄使用頻率最高，通過控制手柄實現對輪椅的控制，其中包括前進、后退、左轉、右轉、加速、減速等行進方式的變化，當松開手柄后，輪椅將自動停止。因此，在設計手柄時要考慮其作為手握式工具與肢體的協調配合，如手柄與手掌接觸的抓握空間大小，表面光滑度，以及人在使用中給予的握力大小，保證使用者感到舒適且不易疲勞等因素，同時針對老年人群體還應兼顧手柄操控的簡單易學性，便于老年人快速掌握使用技巧。

5.在踏板設計方面：腳踏的位置以及高度同樣對輪椅的舒適度造成影響。從人體生物力學，在坐姿狀態時，大腿與小腿成90°彎曲，小腿自然下垂，腳踏板的作用在于保持腿部姿態，減輕腿部肌肉受力較少。為防止老年人在使用輪椅時長時間保持同一姿勢而導致血液回流不暢，在設計時，有必要增加腳踏板的可調節性，在設定輪椅靠背不同角度的同時，踏板能夠隨之調整至合適位置，對于不同身高的使用者而言，踏板與地面的距離也可進行改變。腳踏板使用的多樣性，極大提升了人體下肢自由活動的可能性，為乘坐營造了更加舒適的條件。

（三）基于人機工程學的高效性設計：隨著科學技術的發展，智能化成為老年輪椅發展的必然趨勢，利用人工智能技術可以提升輪椅的設計價值，不僅使輪椅在造型、功能、結構和材料等方面更加科學、合理，還能給老年人的生活帶來了諸多變化和便利，有效增加老年人對輪椅使用體驗的良好認同感[8]。

1.在人機交互方面：由于年齡增長，老年人視力、聽力水平下降，反應速度變慢。在輪椅的扶手上安裝一個10～14寸的觸摸屏，通過分析老年人的認知特性和需求層次，從感官、交互、情感三個體驗層次出發，以視覺呈現、界面交互、操作反饋、情感表達四個方面為依托，進行界面的適老化設計。同時通過觸控和語音識別等多渠道的交互方式來操縱輪椅工作[9]。

2.在智能出行方面：在老年人準備乘坐輪椅前往目的地前，可以通過觸摸屏中的專用App進行地圖導航和路徑規劃。進入導航模式后，輪椅將進入自動巡航模式，輪椅將按照設定的速度在預定時間內前往目的地。在路途中針對不同的路況對行駛速度以及方向進行調整，以減少老年人的操作壓力。同時，當路線發生偏移時，會及時發出提醒，能使輪椅在最短時間內進行路線調整，提高出行效率。

3.在信息共享方面：為保證子女能夠遠程查看輪椅的具體位置和移動軌跡，在輪椅上安裝GPS定位系統及攝像頭。通過手機App進行綁定，即可隨時隨地追蹤輪椅的狀況。若老年人有意外情況發生時，信息將會在第一時間傳送至App中，并對家屬發出呼叫信號。通過攝像頭，老年人還可以借助觸摸屏向他人發起視頻通話，通過與他人的溝通交流和信息分享，以增強老年人的社交能力及表達意愿，從而降低老年人的孤獨感。

（四）基于人機工程學的友好性設計：友好性體現在輪椅使用過程中能夠為老年人提供良好的服務。通過分析老年人的日常行為習慣，從中提取出一些友好的設計方案，在輪椅的基礎功能之上，加入一些特殊功能，以滿足老年群體的客戶需求，從而有效提升輪椅對于老年人的親和力。

1.在操作使用方面：操作使用主要涉及智能輪椅的觸摸屏以及行駛操縱。老年人普遍存在視力不好以及反應遲鈍的問題，因此在觸摸屏設計上，應著重考慮屏幕顯示的交互界面，做到界面盡量簡化和內容清晰。通過適當放大屏幕中呈現的圖片與字體以及用鮮明的顏色突出常用的功能，以此區分內容的重要程度。輪椅的行駛操縱分為手柄操控，語音操控以及屏幕操控三種模式，老年人可根據自身需要，進行駕駛模式的選擇，以獲得更好的行駛體驗。

2.在情感陪護方面：隨著年齡增長，老年人接受新事物能力變弱，存在依賴感，內心渴求關懷，同時情感較為敏感，在生活中經常會感到孤單寂寞。因此在設計老年智能輪椅的時候，要考慮將情感陪護融入其中。通過融合語音識別、自然語音理解、自然語言生成、語音合成以及情感計算，真正實現對老年人的情感陪護[10]。

3.在健康管理方面：智能輪椅的扶手以及坐墊上裝有健康監測裝置，用來檢測人體生物信號，可對老年人的血壓、心跳、體重、體溫等數據進行實時檢測。通過數據分析，最終在觸摸屏以及手機App中呈現出老年人當前的身體狀況，并與正常身體指標進行比對，得出需要改進的措施，例如飲食或者運動等方面。還可通過設定提醒功能，幫助老年人按時吃藥。此外該智能輪椅在座椅上還仿照按摩椅的設計，通過觸摸屏上的App可開啟輪椅按摩功能，為老年人進行保健治療，給老年人的身體健康提供有效保障。

4.在日常生活方面：在扶手上設有USB插口，可進行手機充電，同時還裝有各種快捷按鈕，例如開關按鈕，在不使用輪椅時，通過關閉按鈕，減少輪椅電量消耗；一鍵啟停按鈕，在行駛途中，可通過一鍵啟?？焖賹崿F對輪椅的操控；以及輔助站立按鍵，可使輪椅座面向前傾斜，方便老年人獨自站起上下輪椅。

四、老年智能輪椅主要裝置改進部件的設計簡介

老年智能輪椅通常由機器本身和控制系統組成，是一個以智能系統為核心的移動機器人，它的內部包含很多不同類型的功能模塊，比如人機交互模塊、控制模塊、通訊與數據互連模塊、供電模塊、驅動模塊、感知模塊等[11]?；谌藱C工程學設計改進后的老年智能輪椅外觀結構如圖3所示。以下將著重介紹該老年智能輪椅的設計亮點。

（一）多用傘：將多用傘加入智能輪椅中的設計，來源于能夠風雨無阻的電動車。為方便老年人在雨天或烈日時出行，在頭枕的上方特別安裝了一把可以自動收合的多用傘，既起到了傘本身的作用，又能解決老年人因撐傘而需消耗體力的問題。

（二）立體音響：立體音響的設計出自于對老年人特殊身體狀況的考慮，隨著年齡增長，老年人的聽力水平有所下降。利用揚聲器將聲音放大，可有效緩解老年人的“耳背”問題。此外，立體音響的使用，還可以營造全景聲環繞的效果，使老年人在播放音頻時擁有身臨其境的體驗。

（三）觸摸屏：在智能輪椅的扶手前段裝有一個觸摸屏，可根據使用者的不同姿態，進行角度調整。通過觸摸屏中的App可對輪椅上的功能進行全面的了解與使用，包括智慧出行、健康監測、信息共享等功能。作為輪椅中人機交互的窗口，除了手動操控外，還可通過語音進行喚醒，更加方便使用。同時為豐富老年人的精神生活，提高他們的生活質量。老年人可通過觸摸屏進行播放音樂、觀看戲曲，收聽廣播等休閑娛樂活動。觸摸屏的設計可為老年人提供專屬、全面、人性化的貼心服務。

（四）小桌板：小桌板的創意源于大型報告廳中座椅扶手中的可收納桌板。桌板的存在，提供了一個簡易式可放置物品的平面，對于老年人來說，借助小桌板，可以更加輕松地完成吃藥、用餐、看報等日常生活習慣。在非使用時刻，可將小桌板進行折疊、收納，以減少小桌板對輪椅其他機構的使用影響。

（五）紅外感應及夜視燈：為了保障出行的安全，在智能輪椅前后輪胎的護板上方分別安裝紅外感應及夜視燈裝置，尤其在路況較為復雜或者夜間行駛時，能發揮其重要的作用，可以擴大視線范圍，并及時對前方行駛條件進行判斷。除此之外，夜視燈還起到了照明效果，使旁邊的行人和車輛能夠看清輪椅的位置，避免發生碰撞。

（六）儲物箱和扶手箱：由于老年人需要經常喝水、吃藥、看報，且可隨身攜帶的物品非常有限。為解決這個問題，在輪椅坐墊的下方以及扶手兩側分別設置大小不同的收納裝置，以發揮儲存的功能。坐墊下方安裝空間相對較大的儲物箱，可以存放一些大件物品。扶手下方安裝扶手箱，收納空間則相對較小，能夠容納諸如水杯、藥品、手機及老花鏡等一些使用頻率較高的小物件。在使用時可將扶手箱體從中拉出，使用完后再重新收回。兩個收納裝置的設計，實現了輪椅空間的充分利用，方便老年人的生活習慣和平時取用。

（七）操控手柄：為激發老年人在輪椅行駛過程中的參與性，在扶手箱一側上方安裝操控手柄。手柄整體采用FOC閉環控制系統，具有操作簡單、反應靈敏的特點，以保證老年人在獨立操控輪椅行駛方向與行進速度時的平緩順暢。

（八）按摩靠背：智能輪椅除了承擔出行工具的角色外，針對老年人的身體狀況，融入按摩的元素。在靠背內部安裝磁石、按摩頭、紅外燈、加熱面板等元器件，當輪椅處于保健模式時，靠背上的按摩裝置將開始發揮作用，老年人可根據自身需要選擇腰椎推拿、熱敷等不同按摩方式，還可以設定按摩的力度大小與時間，實現一椅多用的功效。

結語

隨著我國老齡化社會程度的加深，未來老年人對智能輪椅的依賴程度將會越來越高。本文應用人機工程學原理，從安全性、舒適性、高效性、友好性四個方面出發，面向人性化、功能化對現有智能輪椅進行改進設計。結合老年人的心理與生理特點，設計出一款更加符合當今時代需求，更能滿足老年人審美要求和生活習慣的智能輪椅。創新地將實際生活與當代科技相結合，從而有效地解決了老年人在輪椅使用過程中出現的各類問題，最大程度地保障了老年人的出行安全和身體健康。