关于可穿戴座椅机构设计及运动学和动力学分析

亓强强 程实 张豆豆 周谋 余汉锦

摘要：社会不断发展，为医疗产业带来全新发展契机，医疗领域开始关注可穿戴座椅机构设计工作，结合运动学和动力学特点，设计一套满足大众现代化需要可穿戴座椅，为人们健康做保障。本文主要就可穿戴座椅机构设计及运动学和动力学分析和研究，增加医疗研究领域对可穿戴座椅机构设计及运动学和动力学知识了解，保证设计工作有序开展。

关键词：可穿戴座椅；机构设计；运动学和动力学；分析和研究

可穿戴座椅是当下医疗领域热点讨论话题，在医疗领域发挥不可替代作用。特别是随着社会发展进程加快，人们生活节奏不断加快，在快节奏生活中，人们在高压力工作条件下，缺少锻炼和运动机会，特别容易患有腰椎疾病和脊椎类型疾病，腰椎疾病和脊椎类型疾病治疗，主要是利用药物治疗方法，但是效果一般。面对这一发展形势，医疗领域开始研究仪器疗法，利用可穿戴座椅进行治疗和锻炼患病部位，具有较好实际应用性。

1 研究背景和意义阐述

其一，可穿戴座椅机构设计及运动学和动力学研究背景。随着医学领域不断发展，可穿戴座椅研究不断深入，开始对可穿戴座椅进行设计和产品制作。在对当下产品制作分析和研究后发现，其存在自身发展弊端，主要体现在以下几点内容。1）当下可穿戴座椅的设计，按钮控制系统锁定和实现解锁工作。但是实际应用人员在应用环节，在运用按钮控制时，无法实现控制最大目标，控制和运作难度大，不理操作，降低对可穿戴座椅关注，影响可穿戴座椅生产工作。2）可穿戴座椅在运用期间，应用人员坐到椅子上时，为了确保起在椅子上的稳定度，需要保证使用者体重合理性，把使用者体制控制在一定范围内，产生局限性，导致应用人员在运用时，上部运动受到限制。3）整合人机工程理论知识，考虑到个体自身差异性，发现当下可穿戴座椅设计，需要结合个体自身特点，开展针对性设计，设计财务支出增加，加大设计难度。

其二，可穿戴座椅研究意义阐述。可穿戴座椅研究意义主要分为以下几点内容。1）站在世界性角度来说，可穿戴座椅研究和设计满足世界性医疗领域发展要求，随着社会不断发展，可穿戴座椅设计将会不断加近和外骨骼技术联系，实现外骨骼技术研究和发展目标，实现智能化控制目标，质量和体积设计更为合理，应用领域将不断延伸和发展。2）解决了当下工厂工作人员，在实际工作中身体疲劳和腰肩疼痛发生，利于提高工作人员身体素质，降低起患病率[1]。

2 研究方案和技术阐述分析

为了实现可穿戴座椅设计最大目标，在实际设计过程中，设计工作人员需要设计一个系统方案，建立在方案基础上开展设计工作。如下图1，是可穿戴座椅 系统设计方案展示图。设计工作人员在工作期间，利用模型构建，开展设计工作。对这一系统进行分析和研究，发现系统主要是建立在ChairlessChair体系基础上，来开展控制工作，弥补原有系统设计弊端和不足。简化可穿戴座椅设计结构，不提场合和不同人员均可以随时随地运用。

详细来说，主要是把这一系统划分为三个不同系统平台，建立一个数学模型板块，把数学模型板块划分为动力学和位置分析系统，分析人力坐姿。在分析静力学和位置后，建立一个Mawlab数值仿真系统，判断长度大小和尺寸，分析数据，强度分析和判断构建截面大小。在判断和分析截面大小和长度尺寸后，结合实际情况，对结构机械能设计。结构设计需要划分为两个体系，划分Slolidwroks建模、和ANSYS建模系统。进而把这三个系统整合后，就可以得到一个完整的系统构建图。在这一展示图中，研究内容主要涵盖以下几点。人体动力理论分析和研究工作、可穿戴座椅动力和运动学分析工作。结构和系统设计工作，系统仿真建设分析、系统控制分析、原型搭建分析、原型检测分析等等工作。可穿戴座椅系统 模型建立和设计分析主要目标，为加大可穿戴座椅应用主体上身活动范围，增加可穿戴座椅实际应用主体舒适度和操作性，避免受到体重影响。解决以往按钮设计弊端，提高操作能力，可以实现自主判断和辨别的目标。板块化设计清晰，可以满足不同体重和体型人员应用需求，实现可穿戴座椅生产被抓目标，减少财务支出[2]。

3 可穿戴座椅设计和运动动力学研究

可穿戴座椅研究和设计存在自身弊端，阻碍了可穿戴座椅研究进度和发展进程。为了实现可穿戴座椅最大应用性，需要结合动力学设计优势，建立就合理化设计目标，增加对自主控制设计关注度，保证可穿戴座椅应用主体，在应用时，身体可以良好运作，为不同身体形式人群，提供良好享受。为了实現研究最大目标，在研究时，需要充分考虑到动力学特点，建立在动力学理论基础上开展研究和设计工作。

3.1 可穿戴座椅系統设计和运动动力学研究

可穿戴座椅结构设计需要结合座椅实际应用性，把其设置到下肢部位下侧位置，利于实现支撑目标。其次 ，在可穿戴座椅设计时，也需要注意结构设计。可以把结构设计成为L形式，在使用人员应用时，把身体重心控制在L型区域中，降低足部位置支撑力度，减低踝关节支撑力度。人们在步态运作时，L型杆件运作，关系到足部设计效果，因此需要结合人体力学知识，结合人力力学知识特点，获得运动包络图。在得到运动包络图后，就可以运用三维你技术，构建MATLAB编程系统构建图，判断和分析不同杆件长度。如下图2，是可穿戴座椅结构设计简化展示图。设计人员在设计初期，可以优先构建一个系统设计展示图，展开设计工作。对可穿戴座椅系统设计展示图进行分析和研究，我们可以看出，在这一展示图中，可穿戴座椅在大腿系统杆侧位置和绑定位置，足部和11足套联系密切。

需要注意的是在结构设计环节，为了实现设计最大目标，需要满足以下设计需求。其一，选择质量轻巧和高品质材料。例如：可以选择铝合金材料、碳纤维材料。其二，选择加工难度较小，标准化和科学化的材料，例如：选择钢管型材料。其三，板块系统设计。板块系统设计工作，结合总体设计形式，建立前期设计目标，保证设计前期设计合理性，降低前期设计失误，影响加工设计进程。其次，为了保证设计时，选择杆件参数合理性，结合我国人体特点，保证设计合理性，在关联设计时，需要设计和构建成常用形式。其四，保证在人体正常运动形势下，确保运动科学性和合理性。特别是在运作期间，需要确保可穿戴座椅运作，不可以影响人体运动，结合系统结构设计，考虑设计形式和结构。其五，考虑传感设备设计合理性，为后续安装工作奠定坚实基础。设计时，利于电缸作为设计运作原件，执行项目设计，考虑到体系合理性原因，发现电缸设计和储气罐相比，更具实际应用性。利于对系统进行控制和管理，为后期评判工作奠定坚实基础，实现了电流直机设计和丝杆设计合理性目标。总的来说，结构设计需要依据二维图纸进行设计，构建合理化设计目标和方案，确保设计全面性和科学性。如下图3，是可穿戴座椅机构设计成果展示图[3]。

3.2 可穿戴座椅系统设计和运动动力学研究

可穿戴座椅系统设计之前，需要对系统进行仿真分析。仿真系统分析包括连个主要内容：运动干涉分析和有限元分析。在仿真分析完毕后，对系统开展整体设计工作。可穿戴座椅系统整体设计主要包括传感系统信息设计、电路控制设计、算法控制设计工作。控制系统主要控制器选择，可以选择51单片来设计，选择Arduino设计，实现控制系统最大目标。信息采集系统。滤波系统和A/D转化需要在可穿戴座椅传感电路中，在被脚踝位置和脚中间位置进行设计。如下图4，是可穿戴座椅系统控制电路展示图。对可穿戴座椅系统控制电路分析和研究，其主要控制理念为，利于多样化传感设备控制和得到信息和数据参数。结合运动需知识和运动学知识，判断和分析出应用人员意图。把意识图形转化为控制信号，提高可穿戴座椅位置锁定能力和解锁能力[4]。

详细来说，可穿戴座椅电路系统控制和设计，主要是建立在PCB平台基础上，构建异常保护信息体系，建立电源包塊，利用RS232端口开展关联工作。单片机可以选择Arduino/51单片设备，构建A/D转换板块，在可穿戴座椅外腿位置和右腿位置增设一个压力传感设备和位移传感设备，实现可穿戴座椅应用最大目标。其次，可穿戴座椅设计和系统控制，结合人体步态特点，利用专业行步态捕捉设备，分析人体动力学信息。但是需要注意的是，扑捉设备财务支出较多，不满足可穿戴座椅设计经济目标，因此，在系统设计时，需要量结合运动影响力，分析起是否存在干涉问题，建立在这一基础上，对人体动力学standtosit进行分析和研究，对人体动力学的sittostand进行分析和研究，在研究过后，结合可穿戴座椅实际建立形式，建立一个系统模型，考虑人体运动在矢状态运作形式。结合中国人体特点，结合骨骼共和手臂、躯干等等特点，构建三自由度模型，结合尺寸大小，建立一个可穿戴座椅设计结构和控制系统，保证可穿戴座椅设计科学性。

4 结论

可穿戴座椅结构设计需要结合座椅实际应用性，选择钢管型加工难度较小，标准化和科学化的材料。确保可穿戴座椅运作，不可以影响人体运动，结合系统结构设计，考虑设计形式和结构。注意结构设计，可以把结构设计成为L形式，结合我国人体特点，保证设计合理性，在关联设计时，需要設计和构建成常用形式。控制系统主要控制器选择，可以选择51单片来设计，选择Arduino设计，实现控制系统最大目标。其次，为了保证设计工作有序开展，需要建立一个Mawlab数值仿真系统，判断长度大小和尺寸，分析数据，强度分析和判断构建截面大小，在可穿戴座椅外腿位置和右腿位置增设一个压力传感设备和位移传感设备，结合我国人体特点设计，结合骨骼共和手臂、躯干等等特点，保证按钮设计科学性。

参考文献：

[1]郑伟昌.气动减重步行助力机器人的开发及运动仿真[D].大连理工大学，2016.

[2]廖勇强.下肢外骨骼机器人结构可拓设计与仿真研究[D].广东工业大学，2016.

[3]吕超.上肢偏瘫康复机器人研究[D].上海交通大学，2011.

[4]姚姮.可穿戴儿童安全产品的设计研究[D].华东理工大学，2015.

作者简介：亓强强（1995），男，安徽阜阳人，本科在读，研究方向：机械设计（液压）方向。