關于可穿戴座椅機構設計及運動學和動力學分析

亓強強 程實 張豆豆 周謀 余漢錦

摘要：社會不斷發(fā)展，為醫(yī)療產業(yè)帶來全新發(fā)展契機，醫(yī)療領域開始關注可穿戴座椅機構設計工作，結合運動學和動力學特點，設計一套滿足大眾現代化需要可穿戴座椅，為人們健康做保障。本文主要就可穿戴座椅機構設計及運動學和動力學分析和研究，增加醫(yī)療研究領域對可穿戴座椅機構設計及運動學和動力學知識了解，保證設計工作有序開展。

關鍵詞：可穿戴座椅；機構設計；運動學和動力學；分析和研究

可穿戴座椅是當下醫(yī)療領域熱點討論話題，在醫(yī)療領域發(fā)揮不可替代作用。特別是隨著社會發(fā)展進程加快，人們生活節(jié)奏不斷加快，在快節(jié)奏生活中，人們在高壓力工作條件下，缺少鍛煉和運動機會，特別容易患有腰椎疾病和脊椎類型疾病，腰椎疾病和脊椎類型疾病治療，主要是利用藥物治療方法，但是效果一般。面對這一發(fā)展形勢，醫(yī)療領域開始研究儀器療法，利用可穿戴座椅進行治療和鍛煉患病部位，具有較好實際應用性。

1 研究背景和意義闡述

其一，可穿戴座椅機構設計及運動學和動力學研究背景。隨著醫(yī)學領域不斷發(fā)展，可穿戴座椅研究不斷深入，開始對可穿戴座椅進行設計和產品制作。在對當下產品制作分析和研究后發(fā)現，其存在自身發(fā)展弊端，主要體現在以下幾點內容。1）當下可穿戴座椅的設計，按鈕控制系統鎖定和實現解鎖工作。但是實際應用人員在應用環(huán)節(jié)，在運用按鈕控制時，無法實現控制最大目標，控制和運作難度大，不理操作，降低對可穿戴座椅關注，影響可穿戴座椅生產工作。2）可穿戴座椅在運用期間，應用人員坐到椅子上時，為了確保起在椅子上的穩(wěn)定度，需要保證使用者體重合理性，把使用者體制控制在一定范圍內，產生局限性，導致應用人員在運用時，上部運動受到限制。3）整合人機工程理論知識，考慮到個體自身差異性，發(fā)現當下可穿戴座椅設計，需要結合個體自身特點，開展針對性設計，設計財務支出增加，加大設計難度。

其二，可穿戴座椅研究意義闡述。可穿戴座椅研究意義主要分為以下幾點內容。1）站在世界性角度來說，可穿戴座椅研究和設計滿足世界性醫(yī)療領域發(fā)展要求，隨著社會不斷發(fā)展，可穿戴座椅設計將會不斷加近和外骨骼技術聯系，實現外骨骼技術研究和發(fā)展目標，實現智能化控制目標，質量和體積設計更為合理，應用領域將不斷延伸和發(fā)展。2）解決了當下工廠工作人員，在實際工作中身體疲勞和腰肩疼痛發(fā)生，利于提高工作人員身體素質，降低起患病率[1]。

2 研究方案和技術闡述分析

為了實現可穿戴座椅設計最大目標，在實際設計過程中，設計工作人員需要設計一個系統方案，建立在方案基礎上開展設計工作。如下圖1，是可穿戴座椅 系統設計方案展示圖。設計工作人員在工作期間，利用模型構建，開展設計工作。對這一系統進行分析和研究，發(fā)現系統主要是建立在ChairlessChair體系基礎上，來開展控制工作，彌補原有系統設計弊端和不足。簡化可穿戴座椅設計結構，不提場合和不同人員均可以隨時隨地運用。

詳細來說，主要是把這一系統劃分為三個不同系統平臺，建立一個數學模型板塊，把數學模型板塊劃分為動力學和位置分析系統，分析人力坐姿。在分析靜力學和位置后，建立一個Mawlab數值仿真系統，判斷長度大小和尺寸，分析數據，強度分析和判斷構建截面大小。在判斷和分析截面大小和長度尺寸后，結合實際情況，對結構機械能設計。結構設計需要劃分為兩個體系，劃分Slolidwroks建模、和ANSYS建模系統。進而把這三個系統整合后，就可以得到一個完整的系統構建圖。在這一展示圖中，研究內容主要涵蓋以下幾點。人體動力理論分析和研究工作、可穿戴座椅動力和運動學分析工作。結構和系統設計工作，系統仿真建設分析、系統控制分析、原型搭建分析、原型檢測分析等等工作。可穿戴座椅系統 模型建立和設計分析主要目標，為加大可穿戴座椅應用主體上身活動范圍，增加可穿戴座椅實際應用主體舒適度和操作性，避免受到體重影響。解決以往按鈕設計弊端，提高操作能力，可以實現自主判斷和辨別的目標。板塊化設計清晰，可以滿足不同體重和體型人員應用需求，實現可穿戴座椅生產被抓目標，減少財務支出[2]。

3 可穿戴座椅設計和運動動力學研究

可穿戴座椅研究和設計存在自身弊端，阻礙了可穿戴座椅研究進度和發(fā)展進程。為了實現可穿戴座椅最大應用性，需要結合動力學設計優(yōu)勢，建立就合理化設計目標，增加對自主控制設計關注度，保證可穿戴座椅應用主體，在應用時，身體可以良好運作，為不同身體形式人群，提供良好享受。為了實現研究最大目標，在研究時，需要充分考慮到動力學特點，建立在動力學理論基礎上開展研究和設計工作。

3.1 可穿戴座椅系統設計和運動動力學研究

可穿戴座椅結構設計需要結合座椅實際應用性，把其設置到下肢部位下側位置，利于實現支撐目標。其次 ，在可穿戴座椅設計時，也需要注意結構設計。可以把結構設計成為L形式，在使用人員應用時，把身體重心控制在L型區(qū)域中，降低足部位置支撐力度，減低踝關節(jié)支撐力度。人們在步態(tài)運作時，L型桿件運作，關系到足部設計效果，因此需要結合人體力學知識，結合人力力學知識特點，獲得運動包絡圖。在得到運動包絡圖后，就可以運用三維你技術，構建MATLAB編程系統構建圖，判斷和分析不同桿件長度。如下圖2，是可穿戴座椅結構設計簡化展示圖。設計人員在設計初期，可以優(yōu)先構建一個系統設計展示圖，展開設計工作。對可穿戴座椅系統設計展示圖進行分析和研究，我們可以看出，在這一展示圖中，可穿戴座椅在大腿系統桿側位置和綁定位置，足部和11足套聯系密切。

需要注意的是在結構設計環(huán)節(jié)，為了實現設計最大目標，需要滿足以下設計需求。其一，選擇質量輕巧和高品質材料。例如：可以選擇鋁合金材料、碳纖維材料。其二，選擇加工難度較小，標準化和科學化的材料，例如：選擇鋼管型材料。其三，板塊系統設計。板塊系統設計工作，結合總體設計形式，建立前期設計目標，保證設計前期設計合理性，降低前期設計失誤，影響加工設計進程。其次，為了保證設計時，選擇桿件參數合理性，結合我國人體特點，保證設計合理性，在關聯設計時，需要設計和構建成常用形式。其四，保證在人體正常運動形勢下，確保運動科學性和合理性。特別是在運作期間，需要確保可穿戴座椅運作，不可以影響人體運動，結合系統結構設計，考慮設計形式和結構。其五，考慮傳感設備設計合理性，為后續(xù)安裝工作奠定堅實基礎。設計時，利于電缸作為設計運作原件，執(zhí)行項目設計，考慮到體系合理性原因，發(fā)現電缸設計和儲氣罐相比，更具實際應用性。利于對系統進行控制和管理，為后期評判工作奠定堅實基礎，實現了電流直機設計和絲桿設計合理性目標。總的來說，結構設計需要依據二維圖紙進行設計，構建合理化設計目標和方案，確保設計全面性和科學性。如下圖3，是可穿戴座椅機構設計成果展示圖[3]。

3.2 可穿戴座椅系統設計和運動動力學研究

可穿戴座椅系統設計之前，需要對系統進行仿真分析。仿真系統分析包括連個主要內容：運動干涉分析和有限元分析。在仿真分析完畢后，對系統開展整體設計工作。可穿戴座椅系統整體設計主要包括傳感系統信息設計、電路控制設計、算法控制設計工作。控制系統主要控制器選擇，可以選擇51單片來設計，選擇Arduino設計，實現控制系統最大目標。信息采集系統。濾波系統和A/D轉化需要在可穿戴座椅傳感電路中，在被腳踝位置和腳中間位置進行設計。如下圖4，是可穿戴座椅系統控制電路展示圖。對可穿戴座椅系統控制電路分析和研究，其主要控制理念為，利于多樣化傳感設備控制和得到信息和數據參數。結合運動需知識和運動學知識，判斷和分析出應用人員意圖。把意識圖形轉化為控制信號，提高可穿戴座椅位置鎖定能力和解鎖能力[4]。

詳細來說，可穿戴座椅電路系統控制和設計，主要是建立在PCB平臺基礎上，構建異常保護信息體系，建立電源包塊，利用RS232端口開展關聯工作。單片機可以選擇Arduino/51單片設備，構建A/D轉換板塊，在可穿戴座椅外腿位置和右腿位置增設一個壓力傳感設備和位移傳感設備，實現可穿戴座椅應用最大目標。其次，可穿戴座椅設計和系統控制，結合人體步態(tài)特點，利用專業(yè)行步態(tài)捕捉設備，分析人體動力學信息。但是需要注意的是，撲捉設備財務支出較多，不滿足可穿戴座椅設計經濟目標，因此，在系統設計時，需要量結合運動影響力，分析起是否存在干涉問題，建立在這一基礎上，對人體動力學standtosit進行分析和研究，對人體動力學的sittostand進行分析和研究，在研究過后，結合可穿戴座椅實際建立形式，建立一個系統模型，考慮人體運動在矢狀態(tài)運作形式。結合中國人體特點，結合骨骼共和手臂、軀干等等特點，構建三自由度模型，結合尺寸大小，建立一個可穿戴座椅設計結構和控制系統，保證可穿戴座椅設計科學性。

4 結論

可穿戴座椅結構設計需要結合座椅實際應用性，選擇鋼管型加工難度較小，標準化和科學化的材料。確保可穿戴座椅運作，不可以影響人體運動，結合系統結構設計，考慮設計形式和結構。注意結構設計，可以把結構設計成為L形式，結合我國人體特點，保證設計合理性，在關聯設計時，需要設計和構建成常用形式。控制系統主要控制器選擇，可以選擇51單片來設計，選擇Arduino設計，實現控制系統最大目標。其次，為了保證設計工作有序開展，需要建立一個Mawlab數值仿真系統，判斷長度大小和尺寸，分析數據，強度分析和判斷構建截面大小，在可穿戴座椅外腿位置和右腿位置增設一個壓力傳感設備和位移傳感設備，結合我國人體特點設計，結合骨骼共和手臂、軀干等等特點，保證按鈕設計科學性。

參考文獻：

[1]鄭偉昌.氣動減重步行助力機器人的開發(fā)及運動仿真[D].大連理工大學，2016.

[2]廖勇強.下肢外骨骼機器人結構可拓設計與仿真研究[D].廣東工業(yè)大學，2016.

[3]呂超.上肢偏癱康復機器人研究[D].上海交通大學，2011.

[4]姚姮.可穿戴兒童安全產品的設計研究[D].華東理工大學，2015.

作者簡介：亓強強（1995），男，安徽阜陽人，本科在讀，研究方向：機械設計（液壓）方向。