电动轮椅的动力学侧身提示和跌落：实验和冲击力的计算分析和伤害外文翻译资料

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

电动轮椅的动力学侧身提示和跌落：实验和冲击力的计算分析和伤害

摘要

背景：为了减少轮椅摔倒的发生并建立有效的保护系统，我们的目标是量化电动轮椅（EPW）的侧向倾斜和下落动力学。 我们假设驾驶速度，路缘高度和进近角度将影响轮椅骑手的冲击力和头部受伤风险。我们进一步预期，不受约束的骑手相比，跌落动态和头部受伤风险将更大内敛的车手。

方法：使用遥控后轮重建侧身轮椅的上下倾斜动力学在可调高度上以不同的接近角度（5至63°）驱动EPW和Hybrid III测试假人以0.6–1.5 m / s的速度遏制（0.30至0.41 m）。 刚体动力学模型（Madymo，TASS International，Livonia，MI）与实验同时进行，以系统地研究和量化冲击力和在不同的行驶条件下，EPW用户侧身倾斜或摔倒。

结果：最浅的接近角（25°）（p lt;0.05）和较高的路缘（0.4 m）（p lt;0.05）内向旅客小费的预测指标。 不受约束的乘客受较高路缘（0.4 m）的影响最大（p lt;0.005），并在接近角度为60°时从直立轮椅上掉下。 头部撞击力不受约束的使用者（6181plusmn;2372 N）大于受约束的使用者（1336plusmn;827 N）（p = 0.00053）。 奔放

使用者的头部冲击强度明显高于受限使用者（HIC = 610plusmn;634 vs HIC = 29plusmn;38，p = 0.00013），并且在无节制的使用者中发生了多次小费事件，导致HICgt; 1000（严重的头部受伤）

结论：轮椅的侧倾和前倾对路缘高度和进近最敏感角度，但不受行驶速度的影响。 侧倾和跌落导致冲击力可能会导致在脑震荡或颅脑损伤中需要采取预防措施。 安全带消除了以下危险在这项研究中，从直立的椅子上掉下来并减少了侧面轮椅尖端的头部撞击力，然而，必须在约束的道德和法律定义内考虑使用它们。

关键词：移动设备，模拟，光学跟踪，虚拟，刚体动力学，头部受伤标准，安全带。

背景

与所有移动设备一样，轮椅也必须遵守可能导致乘客受伤的事件。在一项研究中超过87％的轮椅使用者报告至少有一个小提示或在过去三年内下降[1]。约10％轮椅使用者驾驶电动轮椅[2]。电动轮椅专为稳定，因此很少翻倒过低高度障碍物[3]。 EPW更有可能向侧面倾斜，那些侧身的技巧或跌倒更有可能需要医疗[4]。脑外伤和脑震荡是最常见的伤害之一轮椅摔倒导致的住院[5]。车手不受约束的椅子可能会从椅子上掉下来即使椅子突然停止或摇动保持直立。先前的实验研究使用EPW和撞车假人发现没有显着相关性在行驶速度和提示或跌落之间的数量有限真实世界环境；但是，瀑布有一个与安全带的使用成反比[3]。减少轮椅摔倒的发生和发展有效保护系统，我们必须量化跌落EPW的局限性并确定影响的严重性对骑手的潜在后果。

计算模型是系统地强大的工具研究跌落动力学并评估影响跌落参数对冲击力和伤害的影响。刚体动力学分析最初是开发的研究机动车的影响[6]。 但是一样现在使用计算工具来模拟跌倒[7–9]。强度降低，从站立的人倒下通过刚体模拟和冲击能量和冲击后运动学相关有实验性跌倒[8]。参数刚体仿真游乐场设备坠落的数量量化了表面特性对伤害严重性的影响[10]。综合起来，这些先前的研究证明了刚体动力学对研究跌落的适用性一般。 但是，系统地比较计算具有受控实验的模型是必要的验证刚体动力学仿真以进行研究轮椅跌落动力学。

这项研究的总体目标是绘制关于摔倒风险，头部受伤风险和每个尖端或向前跌落的冲击位置。我们假设行驶速度，路缘高度和接近角度会影响撞击力和头部受伤的风险轮椅车手。我们进一步预期该影响不受约束的力量和头部受伤的风险会更大骑手相比，内敛的骑手。量化与动力相关的冲击力和伤害风险轮椅跌落对于发现机会很重要减少跌倒并建立有效的设计标准跌倒时的伤害预防技术。

方法

刚体动力学模型刚体动力学分析模型在MADYMO（塔斯国际公司，密西根州利沃尼亚）将系统地探索轮椅速度，方向的影响并限制脚尖或跌倒危险的高度，头部受伤的危险，电动轮椅的冲击力和冲击位置用户。由于设计复杂且材料多样用于电动轮椅（Express，Ranger轮椅Ltd. Surrey，BC），分配单个质量并确定惯性特性是不可行的。在另外，对轮椅的修改，例如更换电池大小或移动脚凳会影响整体椅子的惯性。因此，测量电动轮椅并称重一式三份。计算每种成分的惯性使用平均测量并假设均匀每个部分的质量分布。制作轮椅模型，组件分别建模并在MADYMO中组装以匹配尺寸现有椅子。每个组件都分配了一个质量，重心，惯性（Ixx，Iyy，Izz，Ixy，Iyz，Ixz）和尺寸。建立了MADYMO刚体模型，带圆柱体，椭圆体和平板；因此每个分量都用圆柱体，长方体，椭圆形或平面。组装椅模型中心重力和惯性特性的实验验证。

将组装好的轮椅模型与空EPW的物理特征以进行验证刚体模型的行为。重心椅子是用校准标度在每个车轮以及评估前/后和侧面/侧面椅子的临界点。重心通过比较尖端对模型轮椅进行了验证模型中椅子的角度与实体的顶角光学跟踪轮椅（Oqus相机系统，Qualisys Inc.，哥德堡，瑞典）。惯性通过比较扶正动力来验证具有光学跟踪位置的模拟轮椅通过轮椅物理测试获得的数据已发布从倾斜的位置。

研究因以下原因对骑手造成的冲击力轮椅摔倒，经过校准的50％Hybrid III使用了虚拟模型。 选择了Hybrid III模型匹配实验测试配置并因为Hybrid III模型提供了更真实的头颈特性比ISO测试假人常用于轮椅稳定性测试。Madymo包括经过校准和验证的虚拟模型以进行研究外部力学对载荷传递和损伤的影响人身危险。人体测量学，关节僵硬特征和组织顺应性都是个别的在模型开发过程中得到验证[11]。尽管这些模型未针对秋季模拟进行明确验证，他们已经证明了在模拟各种秋天的情景[7-10]。

测试乘客约束对小费和小费的影响跌落动态，安全带已构造并固定在使用皮带拟合算法定义的虚拟模型皮带接触[11]，皮带材料特性[12]，锚点和预张力。假定安全带为所有骑手正确定位the下方的一圈。皮带被建模为定义与假人接触的有限元网。长度可变的电缆元素分配给了每个皮带的末端，以消除皮带松弛的同时在第一个步骤中平衡的虚拟位置模拟。

定义了路缘和假设地板的材料刚度类似于混凝土[13]。 假人与人之间的摩擦系数轮椅在0.1到1.2之间变化座椅和脚凳上的0.3到1.2以确定属性与实验结果最相关。双线性刚度特性（12.5 N / mm至轮椅100毫米和100毫米以上125 N / mm）座椅和靠背近似于提供氯丁橡胶包裹的轮廓泡沫垫电动轮椅。

实验测试

评估轮椅跌倒模拟的有效性在MADYMO中建造，进行了一系列实验使用相同的电动轮椅和50百分位数Hybrid III假人（图1）。 可调高度路缘的斜角路径标记为在表面上将轮椅从路边驶下方向范围（15–60°）。后轮驱动功率轮椅（Express，萨里巡游者轮椅有限公司，BC）已修改为由有线远程操纵杆驱动。远离坠落区。轮椅有12英寸长。（0.3048 m）驱动轮，可转向8英寸（0.2032 m）脚轮和背面的4英寸防倒转轮的设备齐全的椅子重293磅（133千克），混合动力III假人重171磅（77.7千克）。两套已进行以下测试：1）装有空电动轮椅-进一步验证椅子和环境变量和2）将假人放在轮椅上-验证完整的模拟。假人和轮椅上装有反光标记跟踪轮椅框架和假人的位置使用光学跟踪的光学头（Oqus摄像系统，Qualisys（瑞典哥德堡）。速度和方向每次测试中轮椅的位置略有不同由于使用了操纵杆。实际速度和临行前轮椅的方向通过运动捕捉确定路沿上方数据。总共进行了6次空椅子试验，并且进行了8次无限制的占用试验已经完成，速度不等从0.6到1.5 m / s，方向从5到63°（其中零度平行于路缘），路缘高度从0.30至0.41 m。每次测试在MADYMO中重建以进行验证。来自运动捕捉研究的地标被输入到模拟以比较模拟的跌倒研究与实验结果。

轮椅驾驶参数敏感性分析

验证模型后，环境变量的影响对轮椅跌落动力学进行了系统的研究。车速（1 mph（0.4470 m / s），2 mph（0.8941 m / s）s）或3 mph（1.3411 m / s）），入射角（25、40或60°），路缘高度（0.2、0.3或0.4 m）和安全带使用（是/否）同时进行更改以生成54个模拟轮椅摔倒。 相对于轮椅的撞击位置参考框架（图2），头部冲击力和头部每次模拟记录伤害标准（HIC）。

确定影响最大的因素统计分析轮椅摔倒时受伤的严重程度量化驾驶参数对撞击的影响位置和HIC。 15毫秒HIC用于确定头部受伤的风险[14]。运动学轮椅提示与骑手摔倒的提示不同，轮椅保持直立的位置；因此，动力学轮椅尖端的分析与骑手摔倒。由于所有人的瞬间特性撞击时，撞击时的头部位置由平均以三个位置数据为中心与峰值力相关的时间。使用线性回归（Matlab R2014，MathworksInc，马萨诸塞州内蒂克）行驶参数（速度，方向和路缘）的影响高度）的HIC值以及相关性头部位置。假设当p ＜0.05。使用多项式logit回归确定驾驶参数与小费之间的相关性或跌倒风险。安全带对头部受伤风险的影响使用Wilcoxon符号秩检验进行评估约束和不受约束的模拟结果具有相同的参数。消除向前摔倒的重大影响（当骑手摔倒但椅子保持直立）的HIC值。Wilcoxon签署等级测试技巧比较结果仅适用于受约束和不受约束的情况。

结果

实验上，空轮椅的重心被发现从一侧到另一侧居中，后轮轴前方0.147 m，上方0.449 m地面。 重心的位置是用于计算轮椅的惯性特性基于已知质量和几何的模型个别椅子组件。 计算的Ixx组合椅的空间为10.70千克平方米，比较一下根据实验确定的Ixx结果（10.58plusmn;2.55 kg m2）。

在轮椅上有假人的八项身体检查中，在路缘互动中，两个包含明显的偏航由于远程驱动程序错误，当椅子越过路缘时，进近角发生变化。这些测试从仿真比较中排除。其余三个测试产生相似的参数值，因此选择了这三个值之一用于仿真。 所有实验匹配的模拟导致定性结果（技巧，骑手，摔倒，直立）与物理测试结果相对应。比较运动捕捉和模型数据显示模拟之间的一致滚动行为与验证Madymo模型动态的实验特性（图3）。

在模拟中，在有安全带的情况下，EPW在27种情况中的16种中彻底解决；15个明确提示，但是在0.4 m时以1 mph（0.4470 m / s）的速度进行测试，粘在60°方向上后几乎恢复路缘边缘（表1）。 除此测试外，高度和方向的相同参数组合导致1 MPH的提示，也导致2 MPH的提示和3 MPH。 多项式logit回归显示方法角度是发生的最重要因素尖端的高度（p lt;0.05），同时路缘高度也为轮椅提示的重要因素（p lt;0.05）（表2）。对路边采取更浅层的方法更有可能

导致小费。 路缘高度和安全带使用相关可能会从直立轮椅上摔下来与坐在轮椅上直立相比。EPW的速度不会影响倾倒或跌倒的风险。

在不受约束的模拟中，没有约束允许虚拟模型从轮椅-当有约束时目前（表1）。 注意到翻倒和跌落伤害机制，路缘高度是最重要的预测指标保持直立状态（p lt;0.05），而椅子方向可变的效果。 所有六个车手摔倒都发生在轮椅与路缘边缘成60度角旅客不受约束；但是，提示也类似地发生内敛的乘客更常见在低接近角处。 在所有情况下，约束使用者并没有增加轮椅倾斜的风险不受限制的用户。

冲击位置之间存在差异克制的骑手和不受约束的轮椅使用者不受约束的用户从轮椅，撞击位置变化更大（图4）。 沿头部的平均头部撞击位置Z轴（从椅子座位升起）为0.75 SD 0.01 m对于受约束的用户，0.82 SD 0.02 m（对于不受约束的用户）用户。 X轴（从椅子座椅向前）组件受限使用者的平均值为0.06 SD 0.05 m，相比之下，不受限制的用户为0.21 SD 0.06 m。使用者从椅子上摔下来而椅子仍在立柱的撞击位置变化最大在x方向上为minus;1.38至2.07 m，在-0.10至y方向（左右椅位置）为0.27 m。

不受约束的用户对头部的影响明显更大所有模拟的严重程度均高于受限用户（HIC =610plusmn;634对HIC = 29plusmn;38，p = 0.00013）。 几个小费事件导致HIC超过1000（严重的头部受伤）无拘无束的用户，而所有头部的影响都受到抑制用户为轻度（lt;200）。 在轮椅提示中，有一个头部撞击位置与撞击之间的相关性很强力冲击发生在靠近椅子的地方较低的冲击力（图4）。 不受限制的用户翻倒或摔倒时离轮椅更远并且具有更大的平均头部冲击力（6181plusmn;2372 N）比受限使用者（1336plusmn;827 N）（p =0.00053）。 头在Z方向上的位置（上升主席）强烈预测会有更高的影响力（R2 = 0.712，p = 0.0002）。

表1受约束和不受约束的模拟HIC结果虚拟模型和相应的驱动参数值。在不受限制的模拟中，HIC值明显更高比拘束模型。 几个不受约束的骑手模拟导致HIC值超过1000阈值（合并值）提示可能发生严重的头部受伤。

讨论区

EPW为某些最弱势群体提供了流动性个人，受伤的风险很重要跌落和跌落所导致的结果可以量化并进行明确。轮椅摔倒和小费经常发生，当前的医疗保健系统存在严重且潜在的可避免的情况。 EPW损伤动力学的最新研究尚未量化有效伤害所需的标准预防技术。了解头部相对于轮椅的位置撞击以及

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[608098]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word