履帶式多功能助老輪椅的設計與應用

趙成龍 宋青豫 馮榮森 楊雪婷 舒旭東

摘要：隨著社會發(fā)展，老年人和殘疾人，尤其是一些喪失上肢運動能力的殘疾人，愈來愈需要運用現(xiàn)代高新技術來改善他們的生活質(zhì)量和自由度，這也會促進輪椅逐步智能化的發(fā)展。針對上述問題，本文設計了一款履帶式多功能助老輪椅，結構簡單，組裝方便，易拆卸，易清洗，并對其系統(tǒng)功能進行了簡要的分析，對控制抓取模塊與電機驅(qū)動模塊做出設計，對將來的市場發(fā)展帶來一定的參考依據(jù)。

關鍵詞：履帶式輪椅;智能;設計

一、引言

在經(jīng)濟飛速發(fā)展的現(xiàn)代社會中，一方面，人口老齡化的速度不斷加快，問題越來越嚴重。據(jù)相關調(diào)查顯示全球大多數(shù)國家正迅速老齡化，2019年我國65歲以上的人口達到了約2.54億（2018年約為2.49億），預計到2050年老齡人口將超過4億，占社會總?cè)丝诘?1%左右。另一方面，殘疾人的數(shù)量也在大幅增加，值得注意的是，由于工傷和交通事故、體育運動傷和自然災害等原因造成的肢體殘障者的數(shù)量大幅上升。由此可見，我國的輪椅使用群體日趨龐大，為關心老年人、殘疾人的生活，減輕醫(yī)療護理事業(yè)的壓力，各式各樣的助老、助殘運動裝置也應運而生。此外，據(jù)相關社會調(diào)查普遍反應：現(xiàn)有的手動輪椅缺乏上下樓梯和翻越障礙的實用效能，使用較為麻煩，很難進一步滿足使用者日常生活和出行需要。而多功能輪椅作為先進的代步工具能進一步有效幫助老年人和行動障礙人士滿足生活需求、改善生活質(zhì)量，具有很大的實用性社會研究價值，我國對多功能輪椅的研究創(chuàng)新也尤為迫切。

二、國內(nèi)外發(fā)展趨勢

（一）國外研究情況

國外對爬樓梯裝置的研究開始得相對較早，最早的專利是1892年美國的Bray發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國紛紛開始投入此項研究，其中美國、英國、德國和日本占主導地位，技術相對比較成熟。英國Baronmead公司開發(fā)的一種電動輪椅車，底部是履帶式的傳動結構，可爬樓梯的最大坡度為35°，上下樓梯速度為每分鐘15-20個臺階。日本長崎大學更在普通單履帶輪椅的基礎上，研究了一種代號為“Sakadankun”的雙履帶式的爬樓梯裝置，即左右兩側(cè)各有兩組履帶相互連接在-一起，解決了在水平狀態(tài)與樓梯傾角切換時，座椅傾角過大而影響使用安全的問題。

（二）國內(nèi)研究情況

我國對此類研究起步相對較晚，雖然也誕生了很多專利，但在結構的復雜性和靈活性上和國外相比有一定的差距，但也能根據(jù)自身特色研制出技術指標接近國外先進水平的輪椅。香港某科技公司推出了號稱全球首款二段式履帶驅(qū)動全自動爬梯電動輪椅B-Free Chair?？偟膩碚f，國內(nèi)輪椅市場發(fā)展逐漸成熟，需更加注重人性化設計與合理性消費。

三、履帶式多功能助老輪椅的設計與應用

（一）需求分析

隨著人口增長，老齡化問題的嚴重發(fā)展。目前市場上出售的輪椅分為手動和電動兩種，前者靠手搖或人力推行，對老年人來說用起來很不方便;后者以電機驅(qū)動，雖省力自主，但仍存在一些隱患。

（二）系統(tǒng)功能分析

1.采用了液壓桿升降機構，該機構能夠讓使用者自行調(diào)節(jié)座椅高度，以適應不同的高度要求，達到合適的舒適度;

2.添加智能定位儀系統(tǒng)，可預防突發(fā)性走失情況，提高人身安全系數(shù);

3.采用了履帶式自動平衡機構，可通過單片機控制液壓裝置使平衡機構自動保持與地面平衡，作用相當于“天平”，且結構本身穩(wěn)固性良好，使人不至于傾倒;

4.為了保證舒適度，座椅采用質(zhì)地柔軟且透氣防塵的材料制成，便于清潔;座椅的靠背、坐墊，扶手等根據(jù)人性化需求都設計有一定的弧度，使其與人體相關部位相適應，保證使用者即使久坐也不會感到太累。另外靠背可前后調(diào)節(jié)，方便使用者上下床。

（三）履帶式多功能助老輪椅的結構設計

履帶式多功能助老輪椅能夠憑借一定的人工智能，解決大部分殘疾人的出行不便的問題，履帶式多功能助老輪椅由底座移動履帶、座椅、機械手、中軸、電源等基本構件組成，結構簡單，組裝方便，易拆卸，易清洗，日常不需要太多維護，大大降低了日常維護頻率。

1.座椅裝置

該履帶式多功能助老輪椅使用結構相同的兩個可伸縮調(diào)節(jié)的座椅系統(tǒng)，水平儀穩(wěn)定系統(tǒng)，使輪椅在什么時候都可以穩(wěn)定的保持水平狀態(tài)，使駕駛者平穩(wěn)運行。

2.履帶裝置

采用BT坦克的克里斯蒂懸掛履帶懸掛設計，使履帶在高速轉(zhuǎn)彎以及低洼地段行駛依然具有很高的穩(wěn)定性，這對于一款殘疾人專用的輪椅是必不可少的。其次非常高的能量轉(zhuǎn)達能力，使較低的電力依然具有大量的力，更加節(jié)約電力。

（四）履帶式多功能助老輪椅控制系統(tǒng)硬件設計

助老輪椅控制系統(tǒng)硬件主要由單片機控制器、電源模塊和電機驅(qū)動模塊組成。

1.控制捉取模塊

為了更加靈活方便，單個機械臂共采用4個舵機，使用STM32單片機產(chǎn)生的PWM信號進行控制。單片機通過硬件進行計數(shù)，受外界干擾少，工作可靠。通過控制4個舵機實現(xiàn)4個自由度機械手的捉取控制。相對于傳統(tǒng)模擬舵機，反應變得更快，加速和減速時也更迅速更柔和，使得數(shù)字舵機提供更高的精度和更好的固定力。

2.電機驅(qū)動模塊

考慮到履帶行走裝置、立體結構、各傳感器模塊、機器人整體重量、工作電壓以及控制方式等因素。采用N20直流減速電機作為機器人的驅(qū)動電機，工作電壓5V，額定轉(zhuǎn)速66r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1Kg每厘米，以滿足機器人整體的設計要求。

四、結語

根據(jù)國家提出的科技強國戰(zhàn)略以來，我國科技研發(fā)能力得到了前所未有的發(fā)展，全方位得到了不斷提升與突破。本設計提出了一款新型的履帶式多功能輪椅，該輪椅結構簡單，安全性能高，造價成本低，市場前景廣闊，這將為廣大的乘坐者和護理人員提供更加安全、舒適、便捷的使用體驗。

參考文獻

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基金項目：北部灣大學高等教育本科教學改革項目：互聯(lián)網(wǎng)+虛擬現(xiàn)實技術在工程實訓教學中的研究與應用—以北部灣大學為例（項目編號：19JGYB27）;北部灣大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目（202011607154）。

作者簡介：趙成龍（1992—），男，漢族，山東濱州人，學士，高級技師，助理實驗師，研究方向：機械加工制造

（北部灣大學?廣西?欽州?535011）