基于人机工程学的老年智能轮椅设计研究

刘慧莹

关键词：人机工程学 交互设计 老年人 智能 轮椅设计

引言

随着中国老龄人口数量的快速增长，以及人们生活水平的提高，那些因行动不便需要使用轮椅的老年人会不断增多。对于腿脚不便的老年人来说，轮椅已成为他们出门代步和参加社会活动必不可少的工具。现今虽然轮椅已在原有基础上进行了很多改进，但其仍存在智能化程度低，不易操纵和使用安全性不高等问题。同时久坐轮椅易使老年人产生生理与心理的双重压力。基于以上情况，当前亟需设计一款能够辅助老年日常生活的智能轮椅，以解决这些突出问题，从而提升他们的幸福生活指数。

一、人机工程学概述

人机工程学是研究人、机械及其工作环境之间相互作用的学科，研究的内容主要是人体处在某个工作环境时的身体机能运行情况和各个器官工作情况等要素；研究人体、机器、环境三者之间的相互影响情况；研究人们在工作、生活与娱乐时面对效率、健康、安全和舒适度等状况，如何系统性地考虑的新型学科[1]。人机工程学强调根据人和机器的条件及特点，合理分配人和机器承担的操作职能，并使之相互适应，从而为人创造出舒适和安全的工作环境，以达到工效最优的目的[2]。

二、老年智能轮椅的国内外研究现状

老年智能轮椅作为移动机器人的一种，主要用来辅助老年人的日常生活，是对他们已经弱化的身体功能的一种补充[3]。1986年，英国研制出第一辆智能轮椅，此后，各国纷纷将目光转向新型智能轮椅研制这一领域。经过科研人员数十年的研究，现如今智能轮椅研制已取得显著进展。

（一）国内研究现状：相较国外智能轮椅，我国智能轮椅研究起步较晚。但近年来随着科学技术的不断发展，相关研究人员通过不懈钻研，已研制出与国际先进技术水平相当的智能轮椅，如中国科学院研制出第一台多模态交互式智能轮椅样机，上海交通大学成功开发一种声控轮椅[4]。除此之外，许多医疗器械企业也着手研发智能轮椅，如爱尔威公司研发的可以智能跟随、自动避障、自动折叠的智能轮椅；鱼跃医疗公司研发的具有遥控折叠、遥控后躺、遥控行走的智能轮椅。

（二）国外研究现状：国外智能轮椅在初期只是简单地安装了一些测距传感器，后期，随着科学技术的发展，才陆续将许多智能模块安装到轮椅当中。如密歇根大学研发的NavChair，以商用轮椅为基础，增加了一般避障、门道和沿墙跟随这三种操作方式。德国乌尔姆大学在电动轮椅的基础上开发的Maid具备导航系统和智能控制系统。日本蔚尔公司推出一款能够自动驾驶的智能轮椅机器人WHILLNEXT[5]。美国艾博特公司研发的Ainsnbot老年智能轮椅采用ABS刹车技术，对于坡度较大，或者比较滑的地方，都可以做到自动刹车，安全性非常高。德国斯维驰公司研制的SW6000老年智能轮椅具有超智能简便控制器，老年人能够轻松上手，操作非常方便，并且操作杆可以更换左右手，方便老年人根据实际情况和个人偏好选择使用。

三、人机工程学原理在老年智能轮椅设计中的应用

人机工程学强调“以人为本”的设计理念，人和机器作为其中的不可或缺的部分，相互作用，共同构成人机系统这个整体。将老年智能轮椅置于“人—机—环境”系统之中，按照人机工程学原理进行设计，在设计过程中，只有更注重“人—轮椅—环境”的协调统一，更关注老年人身体的安全与健康，才能设计出更符合老年人实际需求的智能轮椅。

（一）基于人机工程学的安全性设计：随着年龄的增长，老年人的各项身体机能开始逐渐衰退，容易因自身操作不当而引发各种危险发生。因此，在设计老年智能轮椅时，首先要考虑轮椅的安全性，在讲究美观的同时，要在最大程度上保护老年人的安全，防止意外发生，为老年人的使用提供安全保障。

1.在外观造型方面：老年智能轮椅的造型采用曲线设計能够减少本身的棱角，提高其安全系数[6]，在轮椅座椅的下方设计减振机构，以减轻因路面不平剧烈颠簸，给老年人腰椎造成的意外损伤。在轮椅扶手箱上安装紧急求救按钮，当老年人突然遇到困难或发生意外时，通过按下按钮，可使轮椅自动停止，并立刻向亲属传递警报信息，以保障老年人的出行安全。同时，为防止突发意外对老年人身体造成的伤害，在轮椅设计中加入类似汽车安全带的保护装置，可以有效减轻轮椅在紧急制动或下坡时产生的不良影响。

2.在移动操控方面：老年人在使用轮椅外出时会遇到各种复杂的路况，行驶过程中也可能遇到各种安全问题。为使轮椅具备道路识别以及自动避障的功能，在轮椅的前后分别安装红外感应装置，在行进过程中实现路面检测。如图1所示，若轮椅在移动时遇障碍物或路面不平整，则感应系统首先向刹车系统发出减速或停止的指令，同时将道路信息传送至控制端，由控制系统判断轮椅是否符合安全通过或者绕行条件，根据判断结果，利用算法对实际问题进行解决，自主完成轮椅在移动过程中，面对不同路况采取不同自动避障的策略。

在轮椅跟随系统中加入GPS定位模块，可帮助老年人提前规划出行路线，也便于监护人在老年人发生意外时，迅速确定其位置。此外，轮椅上还安装全景360°设备，通过语音模块，可以随时提醒老年人周边路况，特别是老年人视线盲区内的车辆及行人运动位置情况。同时，系统能够根据轮椅使用过程中出现的异常状况级别，对使用轮椅的老年人及时发出不同颜色的信号灯警报，并为老年人提供相对应的解决措施，或是向其亲属发出呼救信号，使出现的问题能够在第一时间得到处理，从而极大地降低危险事故的发生，以保证轮椅的行驶安全。

（二）基于人机工程学的舒适性设计：智能轮椅的受众群体为老年人，因而需要依据他们的身体状况、使用习惯和生活需求进行设计，出于对老年人久坐轮椅的考虑，保证老年人在使用轮椅时的舒适体验感就显得十分重要。

1.在靠背设计方面：随着年纪的增长，老年人的身体机能和状态发生变化，与年轻人相比出现较大幅度的衰退，主要体现在骨质逐渐疏松，更易感到疲乏无力。为减轻生理负担，老年人使用轮椅时普遍采用向后倚靠的坐姿，此时背部与轮椅靠背紧贴，而腰部与轮椅靠背形成滞空，从而导致身体上半身受力不均，如果长时间保持这种姿势，会对老年人的腰椎造成一定损伤。鉴于对老年人身体状况的考量，在进行轮椅靠背设计时，选用软硬适中、富有弹性的背靠海绵，同时在靠背下部增加与腰线贴合的腰枕，可使老年人的腰肌能够处于较为松弛的状态，从而达到缓解疲劳的效果。当老年人感到疲惫，需要在轮椅上放松休息时，可对轮椅靠背进行调整，设定不同倾斜角度。当轮椅处于躺倒模式时，会自动开启锁定模式，防止轮椅因受力不均发生移动，在靠背恢复正常后，锁定模式将自动解除。如图2所示，为保证轮椅靠背放倒后的舒适程度，在轮椅靠背的上部安装头枕，以便对老年人的颈部及头部起到有效支撑和保护作用，使老年人在放松使用的过程中达到既安全又舒适的目的。

2.在座椅设计方面：座椅在轮椅使用过程中起到重要作用，而座椅的舒适程度取决于它的材质以及尺寸，老年智能轮椅将基于以上两个角度进行改进设计。对比市场中较为常见的坐垫材料，最终选取具有弹性的记忆海绵，该材料的优点在于，抗压强度高，抗震效果好，避免在行进途中遭受颠簸，外部采用莱卡面料进行包裹，透气性较好，能有效防止细菌滋生。尺寸则参考人体工学设计数据，依照老年人坐姿与体压分布特点，让造型更加贴合人体臀部和腿部的曲线弧度，已达到分散身体下部受力的效果，以上设计极大程度地保证了老年人乘坐的舒适性。

3.在扶手设计方面：扶手作为肘部的支撑，在设计中主要参考“两个距离”，其一是扶手相对坐垫的高度，其二是两扶手的间距。这“两个距离”取决于两肘之间的宽度，肘部平放高度，以及人体的宽度。根据《人机工程学》中资料显示，两肘之间的宽度与人体的宽度使用第95百分位数据，肘部平放高度选择第50百分位左右的数据，因此扶手的高度为24～25cm，扶手的间距为42～44cm[7]。这种尺寸下的扶手位置更为合理，此外扶手与肘部的接触面选用软垫设计，可使老年人得到更加舒适的体验。

4.在手柄设计方面：老年人在使用轮椅过程中，控制手柄使用频率最高，通过控制手柄实现对轮椅的控制，其中包括前进、后退、左转、右转、加速、减速等行进方式的变化，当松开手柄后，轮椅将自动停止。因此，在设计手柄时要考虑其作为手握式工具与肢体的协调配合，如手柄与手掌接触的抓握空间大小，表面光滑度，以及人在使用中给予的握力大小，保证使用者感到舒适且不易疲劳等因素，同时针对老年人群体还应兼顾手柄操控的简单易学性，便于老年人快速掌握使用技巧。

5.在踏板设计方面：脚踏的位置以及高度同样对轮椅的舒适度造成影响。从人体生物力学，在坐姿状态时，大腿与小腿成90°弯曲，小腿自然下垂，脚踏板的作用在于保持腿部姿态，减轻腿部肌肉受力较少。为防止老年人在使用轮椅时长时间保持同一姿势而导致血液回流不畅，在设计时，有必要增加脚踏板的可调节性，在设定轮椅靠背不同角度的同时，踏板能够随之调整至合适位置，对于不同身高的使用者而言，踏板与地面的距离也可进行改变。脚踏板使用的多样性，极大提升了人体下肢自由活动的可能性，为乘坐营造了更加舒适的条件。

（三）基于人机工程学的高效性设计：随着科学技术的发展，智能化成为老年轮椅发展的必然趋勢，利用人工智能技术可以提升轮椅的设计价值，不仅使轮椅在造型、功能、结构和材料等方面更加科学、合理，还能给老年人的生活带来了诸多变化和便利，有效增加老年人对轮椅使用体验的良好认同感[8]。

1.在人机交互方面：由于年龄增长，老年人视力、听力水平下降，反应速度变慢。在轮椅的扶手上安装一个10～14寸的触摸屏，通过分析老年人的认知特性和需求层次，从感官、交互、情感三个体验层次出发，以视觉呈现、界面交互、操作反馈、情感表达四个方面为依托，进行界面的适老化设计。同时通过触控和语音识别等多渠道的交互方式来操纵轮椅工作[9]。

2.在智能出行方面：在老年人准备乘坐轮椅前往目的地前，可以通过触摸屏中的专用App进行地图导航和路径规划。进入导航模式后，轮椅将进入自动巡航模式，轮椅将按照设定的速度在预定时间内前往目的地。在路途中针对不同的路况对行驶速度以及方向进行调整，以减少老年人的操作压力。同时，当路线发生偏移时，会及时发出提醒，能使轮椅在最短时间内进行路线调整，提高出行效率。

3.在信息共享方面：为保证子女能够远程查看轮椅的具体位置和移动轨迹，在轮椅上安装GPS定位系统及摄像头。通过手机App进行绑定，即可随时随地追踪轮椅的状况。若老年人有意外情况发生时，信息将会在第一时间传送至App中，并对家属发出呼叫信号。通过摄像头，老年人还可以借助触摸屏向他人发起视频通话，通过与他人的沟通交流和信息分享，以增强老年人的社交能力及表达意愿，从而降低老年人的孤独感。

（四）基于人机工程学的友好性设计：友好性体现在轮椅使用过程中能够为老年人提供良好的服务。通过分析老年人的日常行为习惯，从中提取出一些友好的设计方案，在轮椅的基础功能之上，加入一些特殊功能，以满足老年群体的客户需求，从而有效提升轮椅对于老年人的亲和力。

1.在操作使用方面：操作使用主要涉及智能轮椅的触摸屏以及行驶操纵。老年人普遍存在视力不好以及反应迟钝的问题，因此在触摸屏设计上，应着重考虑屏幕显示的交互界面，做到界面尽量简化和内容清晰。通过适当放大屏幕中呈现的图片与字体以及用鲜明的颜色突出常用的功能，以此区分内容的重要程度。轮椅的行驶操纵分为手柄操控，语音操控以及屏幕操控三种模式，老年人可根据自身需要，进行驾驶模式的选择，以获得更好的行驶体验。

2.在情感陪护方面：随着年龄增长，老年人接受新事物能力变弱，存在依赖感，内心渴求关怀，同时情感较为敏感，在生活中经常会感到孤单寂寞。因此在设计老年智能轮椅的时候，要考虑将情感陪护融入其中。通过融合语音识别、自然语音理解、自然语言生成、语音合成以及情感计算，真正实现对老年人的情感陪护[10]。

3.在健康管理方面：智能轮椅的扶手以及坐垫上装有健康监测装置，用来检测人体生物信号，可对老年人的血压、心跳、体重、体温等数据进行实时检测。通过数据分析，最终在触摸屏以及手机App中呈现出老年人当前的身体状况，并与正常身体指标进行比对，得出需要改进的措施，例如饮食或者运动等方面。还可通过设定提醒功能，帮助老年人按时吃药。此外该智能轮椅在座椅上还仿照按摩椅的设计，通过触摸屏上的App可开启轮椅按摩功能，为老年人进行保健治疗，给老年人的身体健康提供有效保障。

4.在日常生活方面：在扶手上设有USB插口，可进行手机充电，同时还装有各种快捷按钮，例如开关按钮，在不使用轮椅时，通过关闭按钮，减少轮椅电量消耗；一键启停按钮，在行驶途中，可通过一键启停快速实现对轮椅的操控；以及辅助站立按键，可使轮椅座面向前倾斜，方便老年人独自站起上下轮椅。

四、老年智能轮椅主要装置改进部件的设计简介

老年智能轮椅通常由机器本身和控制系统组成，是一个以智能系统为核心的移动机器人，它的内部包含很多不同类型的功能模块，比如人机交互模块、控制模块、通讯与数据互连模块、供电模块、驱动模块、感知模块等[11]。基于人机工程学设计改进后的老年智能轮椅外观结构如图3所示。以下将着重介绍该老年智能轮椅的设计亮点。

（一）多用伞：将多用伞加入智能轮椅中的设计，来源于能够风雨无阻的电动车。为方便老年人在雨天或烈日时出行，在头枕的上方特别安装了一把可以自动收合的多用伞，既起到了伞本身的作用，又能解决老年人因撑伞而需消耗体力的问题。

（二）立体音响：立体音响的设计出自于对老年人特殊身体状况的考虑，随着年龄增长，老年人的听力水平有所下降。利用扬声器将声音放大，可有效缓解老年人的“耳背”问题。此外，立体音响的使用，还可以营造全景声环绕的效果，使老年人在播放音频时拥有身临其境的体验。

（三）触摸屏：在智能轮椅的扶手前段装有一个触摸屏，可根据使用者的不同姿态，进行角度调整。通过触摸屏中的App可对轮椅上的功能进行全面的了解与使用，包括智慧出行、健康监测、信息共享等功能。作为轮椅中人机交互的窗口，除了手动操控外，还可通过语音进行唤醒，更加方便使用。同时为丰富老年人的精神生活，提高他们的生活质量。老年人可通过触摸屏进行播放音乐、观看戏曲，收听广播等休闲娱乐活动。触摸屏的设计可为老年人提供专属、全面、人性化的贴心服务。

（四）小桌板：小桌板的创意源于大型报告厅中座椅扶手中的可收纳桌板。桌板的存在，提供了一个简易式可放置物品的平面，对于老年人来说，借助小桌板，可以更加轻松地完成吃药、用餐、看报等日常生活习惯。在非使用时刻，可将小桌板进行折叠、收纳，以减少小桌板对轮椅其他机构的使用影响。

（五）红外感应及夜视灯：为了保障出行的安全，在智能轮椅前后轮胎的护板上方分别安装红外感应及夜视灯装置，尤其在路况较为复杂或者夜间行驶时，能发挥其重要的作用，可以扩大视线范围，并及时对前方行驶条件进行判断。除此之外，夜视灯还起到了照明效果，使旁边的行人和车辆能够看清轮椅的位置，避免发生碰撞。

（六）储物箱和扶手箱：由于老年人需要经常喝水、吃药、看报，且可随身携带的物品非常有限。为解决这个问题，在轮椅坐垫的下方以及扶手两侧分别设置大小不同的收纳装置，以发挥储存的功能。坐垫下方安装空间相对较大的储物箱，可以存放一些大件物品。扶手下方安装扶手箱，收纳空间则相对较小，能够容纳诸如水杯、药品、手机及老花镜等一些使用频率较高的小物件。在使用时可将扶手箱体从中拉出，使用完后再重新收回。两个收纳装置的设计，实现了轮椅空间的充分利用，方便老年人的生活习惯和平时取用。

（七）操控手柄：为激发老年人在轮椅行驶过程中的参与性，在扶手箱一侧上方安装操控手柄。手柄整体采用FOC闭环控制系统，具有操作简单、反应灵敏的特点，以保证老年人在独立操控輪椅行驶方向与行进速度时的平缓顺畅。

（八）按摩靠背：智能轮椅除了承担出行工具的角色外，针对老年人的身体状况，融入按摩的元素。在靠背内部安装磁石、按摩头、红外灯、加热面板等元器件，当轮椅处于保健模式时，靠背上的按摩装置将开始发挥作用，老年人可根据自身需要选择腰椎推拿、热敷等不同按摩方式，还可以设定按摩的力度大小与时间，实现一椅多用的功效。

结语

随着我国老龄化社会程度的加深，未来老年人对智能轮椅的依赖程度将会越来越高。本文应用人机工程学原理，从安全性、舒适性、高效性、友好性四个方面出发，面向人性化、功能化对现有智能轮椅进行改进设计。结合老年人的心理与生理特点，设计出一款更加符合当今时代需求，更能满足老年人审美要求和生活习惯的智能轮椅。创新地将实际生活与当代科技相结合，从而有效地解决了老年人在轮椅使用过程中出现的各类问题，最大程度地保障了老年人的出行安全和身体健康。