智能轮椅控制器工业设计.pdf

n 一 几p 翻 里 分 肠 智能轮椅控制器工业设计 文 薛卉上海电气中央研究院 2 000尸 0 藤卉臼9引 年4刀 一 女毕业于上海工程友术大学就职上海老气中 央研究院服务初器人室 生要以事工业没计的摧厂和应用工 炸 摘要 以轮椅控制器的工业设计为例 阐述了产品工业 设计的全过程和工业设计产品在开发中的重要性 a b stra ct t h i s p ap e r 1 5 m ain l y o n the in d u stri a ld e si g n o f th e i n tell ig en t w h eeleh a j r co n tro jl e r w h jch sh o w s th e j m p o rta n ce o f th e jn d ustrial d esjg n p ro ced u re an d the p ro d u ct d u ring th e d eve l o p m e nt 一 引言 工业设计是产品创新的必要手段 它是产品开 发过程中统 一产品合理性 经济性 审美性 独创 性的产品规划 我国人 l 老龄化程度正在 日益加深 2000年 上海市老年人 口已达238万 占总人 口的 18 5 到20 25 年 将达 到 最 高峰4 6 8 8万 占总 人 口的 32 7 智能轮椅作 为典 型的助 老助残 产品 将 逐步成为老 人及残障人士的代步工具 市场前 景 非常广阔 1前国内外生产智能轮椅的生产厂商 很多 但是轮椅控制器方面的自有技术能力上明 显存 在不 足 国 内市场 主要 以使用p 产品是否顺手和好使用 是否防止 了 使用 人操作时意外伤害和错用时产生的危险等 轮椅 控制器作为供老年人及残障人使 用的产 品 在对其进行外形设计时必须融人人机工程学原 理 提高控制器的操纵舒适度 图2所示产品在外 5 1 闪 0 12009 n ewte c卜 n o o g y 吕 n ewpro d u et 观设计时就充分考虑了人机工程学 通过在摇杆与 上壳之间增加的平面 使得控制器以底面水平安装 时摇杆与地面垂直 形成人体用力最适合的角度 便于用户操作 我们在设计时 出于外观及减耗的 考虑省去了这个平面 使得摇杆向前倾斜 老年人 及残障人长时间使用后会导致操纵疲劳 违背了人 机工程学原理 为了能够兼顾外观和操作舒适 在 控制器底部设计了一个小小的平面 见图3 以该面 作为与轮椅的固定面 安装完成后 摇杆仍可保持 与地面的9 0 角 保证操纵摇杆的舒适度 另外 老 年人及残障人是坐在轮椅上对控制器进行操作的 导致视野范围比较狭窄 若水平安装将很难看清控 制器前部的触摸面板 给操作带来不便 以该平面 作为固定面 可以带动触摸面板翘起 与视觉构成 一个锐角 形成了适宜的视觉角度 最大程度地提 高控制器的使用舒适度 图4内部部件建模 图3 轮椅控制器外形的设计 2 相关联部件建模 轮椅控制器是实现轮椅功能 的核心 包括 了 摇杆 电路板 面板 充 电器插座 集线头 固 定支架 橡皮圈等多个部分 为了便于后期的虚 拟装配及表现控 制器 的完整性 必 须对 以上部件 进行逐一建模 整个建模过程在50 1 记w ork s 环境下 进 行 对于前期 完成且 已经制作完成 的部件 根 据实际测量尺寸进行 1 1建模 值得一提的是 在 so l i d y吸 rk s 下 默认状 态的尺寸是毫米 因此 在 输入尺寸时必须注意单位之间的换算 对于橡皮圈 这类受到上下壳体尺寸相关联的部件 则借助已经 完成的上下壳体模型 通过实体转换等功能 完成 草图的精确绘制 建成所需的模型 图4分别为电 路板 摇杆 充电器插座及橡胶圈的建模图 3 虚拟装配及修改模型 产品设计过程 中最容 易出现也最难发现的问 题就是装配问题 有时设计完的产品在生成成品的 时候 才发现产品的装配无法实现 零部件装配发 生干涉等问题 虚拟装配可以在产品的设计阶段 对产品的结构设计 零件的安装 装配进行虚拟操 作 从而及早发现并解决装配 中的问题 提高设计 效率 减少不必要的经济损失 在s o l i d w o r k s 下建立 以轮椅控制器命 名的装 配体 插入 已建模 完成的控制器上下壳 体及相连 部件 遵循 自下而 l 由内到外的装配 顺序 通 过设置相互的配合关 系实现整个控制器 的装配过 程 由于许多是内部部件 在装配过程中受外壳的 阻挡难以显示需要配合的点 线或面 在这种情况 下 可以对暂不涉及装配的壳体进行隐藏 配合完 成后重新显示 检 查内部配合情 况时 可 以点取 so l i d w orks中选线架图或是剖面视图进行显示 通 过省去实体面清楚地观察内部配合状态 也可以直 接更改外部壳体的透明度 使内部结构清晰明了 通过在建模软件中的虚拟装配 可以仔细检查内部 部件的干涉现象及安装方式 若存在干涉现 象或结 构不合理的情况 则在装配体中选中需要修改的零 件进行零件编辑 修改完成后 软件可以及时在装 配体 中呈现修改完后的装配状态 使整个修改过程 5 2 装备机 图5 轮椅控制器爆炸图图6 轮椅控制器线架图图7 轮椅控制器的剖面 按键功能进 行区 分 3 色彩运用 鲜明 使 图形 更 加醒 目 整个 面板 以 黑色作为底色 给 人感觉 比较沉 实时快捷 图5 图6及图7分别为模型的爆炸图 线架图及剖面视图 4 触摸面板平面设计 为了使控制器便 于老年人及残障人士掌握使 用 我们对触摸面板进行平面设计时除 了保证 美 观 更求简单明了 便于老年人及残障者的理解 整个控制面板共有7个表现元素 其中4个为按键 分别表示开关 喇叭 降速及减速 2个为电量及 速度的显示窗 口 l个为电量的标志 对表现元素 进行有序的排版 色彩运用及图案构成时 我们遵 循以下几个原则 l 按键大小适中 确保老年人及残障人士操 作舒适 在进行按键设计时 我们首先排除 了诸如矩形 或方形等直线条形状 因为按键本身是突起的 若 采用矩形或方形 按键四周的尖角会导致老年人及 残障人士手指在触摸面板上来回移动时手感不适 我们考虑圆润的弧线构成 例如圆或椭圆作为按键 形态 相比圆形 最终选用了椭圆形作为所有按键 的形状 椭圆形面积较大 更贴合人的手指形态 保证按键时的舒适度 同时在按键表面作了曲面处 理 使触感更为鲜明 外观上 由于按键数 目较 多 采用椭圆形可 以使相邻的按键得到有效的过 渡 更增强视觉的流线感 2 用图案代替文字 使老年人及残障人士更 易区分 考虑到老年人或残障人中有大部分人士视力不 佳 若采用文字的形式在小面积的按键上显示 文 字字体会很小且不宜辨认 为此 针对每个按键的 功能设计了相符合的图形标识 一个图形置于一个 按键 可以尽量放大 比例 便于视力不佳的人士对 闷 因此 在色彩运用上采用鲜明的色彩 分别 选用 了蓝色 绿色 红色以及橘色这四种鲜艳的 色彩 使按键 图形更加醒 目 更易于老年人及残 障人士的识别 4 根据按键使用频率进行有序排列 触摸面板上 包含多个元素 在对其进行排列 时 我们以实现人性化作为主旨 考虑到老年人及 残障人士的手脚不便 我们将需要触摸的按键置于 贴近 使用者的触摸 面 板 后方 显示窗 口置 于触摸 板的前方 随 后根据按键 的使用频 率 使 用次数越 多位 置越靠 后 便 于使用 者的操作 5 样机试制 图8触摸面板的效果图 样机试制是节能减耗的重要表现 因为样机和 实际产品一样是可装配的 它能直观地反映出结构 设计合理与否 安装的难易程度 使结构工程师可 以及早发现和解决问题 在正式投产前进行样机试 制 可以避免因结构设计不合理等因素造成的产品 报废 减少不必要的材料消耗 降低生产成本 目前 样机试制运用最 多是快速成型方法 快 速成型的制作周期短 材质选择面广且精度很高 还有一个最适宜样机试制的优点 是模型的造价几 乎与产品的复杂程度无关 成型复杂的形态也非常 容易 只需通过u g so l i dw brk s 等工程软件转换获 得相匹配的格式文件 就可以进行制作 在进行样机试制前 我们先将设计完成的轮椅 控制器三维模型在50 1 记w ork s 中直接保存为st l 的 格式文件 随后交付进 行快速 成型制作 整个模 5 3 闪 2 9 型我们选用了最常用的树脂材料 耗时2天加工完 成 加工过程一 常快速 大大缩短了产品工业设 计 周期 图9为轮椅控制器样机模型 属于小批量生产 故选用c n c 数控的方式 c n c 数控加工是将建模文件通过计算机转换 为数字化信 号 对机床的运动及其加工过 程进行 控制 成品精度非常高 在材质选择 卜 考虑到轮 椅控制器经常受力 因此选用强度很高的铁质材料 进行数控加 工 随后进行喷漆处理 最终形成 j建 模吻合的成品 制作装配完成后 再将其与轮椅进 行组装 最终形成一辆具备多功能的助老助残轮椅 车 图1 1 为装 卜 轮椅控制器后的整车示意 图9 轮椅控制器样机模型 6 生成加工图样 样机试制 完成后 通过 实际装配检验模型的 准确性 对需 要改动的部分进行修 改和优化 模 型校验完成后 通过so l i d w ork s 自带的产 l 成图样功 能 将侮一 个部件生成加 工图样 用一 j几 后期的加 工制作 沪 孟 孟孟r与 吵 万 万 户 户 户 甲 眼 眼 e 令 嗯 嗯 一一 一气刃刃 呀 fr 一护户卜 抓 a卜壳 工 a l 口 二 洲日 弓 卜t 图10 轮椅控制器上壳图样 7 加工制作 加工制作是工业设11 一 的最后工序 加工完成后 工业设计工作就全部完成 根据加工量来分可分为 大批量生产和小批量生产 对于大批 量生产的产品 多数采用开模的加工方式 若采用则需 要在加 11 1 1 几 产前对模型进行拔模处理 对于小批量的生产 可 以继续选用快速 成型方式或 是c n c 数控加工方式 等 由于该项 日处于智能轮椅产业化的初期 因此 三 二 是 配 有 轮 椅 控 制 器 的 智 能 2 9 擎 脱 寥 磊 臀 喜 粱 蓄 篆 蓄 掣 优 翟 盈 毖 竺 竺 震 会期间 与会者对我们 没计的轮椅控制器给 r r 充 一 自 勺 肯 定 l 赞 左 表 七 无