全向移動(dòng)可調(diào)節(jié)式輪椅設(shè)計(jì)

陳寶林，張公永

（1.濱州學(xué)院 機(jī)電工程系，山東 濱州 256600；2.濱州學(xué)院 電氣工程系，山東 濱州 256600）

如何設(shè)計(jì)和制造功能更加完善、人性化的輪椅是殘疾人士最為關(guān)心的問(wèn)題，而現(xiàn)在市場(chǎng)上的輪椅大都需要人力推動(dòng)，在狹小空間移動(dòng)不靈活，使用不方便，并且大多輪椅存在價(jià)格昂貴，功能單一的弊端。因此設(shè)計(jì)一款輕便小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單易用、價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大的輪椅是刻不容緩的。全向移動(dòng)可調(diào)節(jié)式輪椅擁有以上特點(diǎn)，可使殘疾人士更好的生活與工作，同時(shí)可節(jié)省家庭護(hù)理費(fèi)用[1]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

全向移動(dòng)可調(diào)節(jié)式輪椅主要由框架、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、升降系統(tǒng)四部分構(gòu)成?？蚣芨鲾?shù)據(jù)根據(jù)人體工程學(xué)原理設(shè)計(jì)；動(dòng)力系統(tǒng)包括電機(jī)、傳動(dòng)裝置、麥克納姆輪；控制系統(tǒng)包括單片機(jī)、穩(wěn)壓模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、按鈕、操控桿等；升降系統(tǒng)包括液壓電動(dòng)千斤頂、滑道、固態(tài)繼電器?？傮w設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主要硬件設(shè)計(jì)選擇

圖1 總體設(shè)計(jì)方案框圖Fig.1 Block diagram of the overall design

1）框架設(shè)計(jì)：扶手支架呈三角形，節(jié)省材料的同時(shí)增加了支架穩(wěn)固性；座椅據(jù)人體工程學(xué)原理設(shè)計(jì)座深800 mm，寬600 mm，距地面的高度為530 mm。

2）電機(jī)的選用：采用額定電壓 24 V、功率 250 W、轉(zhuǎn)速300 r/min的電機(jī)，內(nèi)置10：1減速箱，降低轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)斷電狀態(tài)作為駐車裝置[2]。

3）傳動(dòng)裝置：采用鏈傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)無(wú)彈性滑動(dòng)和打滑，能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高，可在惡劣環(huán)境條件下正常工作。本輪椅共有4套相同型號(hào)的鏈條與鏈輪相互配合，并使它們安裝在底盤上的位置相互關(guān)聯(lián)，成中心對(duì)稱分布，目的使每個(gè)輪子能夠獨(dú)立的進(jìn)行控制，這樣設(shè)計(jì)也便輪椅在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有良好的穩(wěn)定性；

4）選用麥克納姆輪：麥克納姆輪是一種全向輪，其輪緣上斜45度分布12個(gè)滾子，可把一部分的車輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)換到法向面上，依靠各自機(jī)輪的方向和速度不同產(chǎn)生合力矢量實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)。

2.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料選擇

1）全向移動(dòng)可調(diào)節(jié)式輪椅可容納一人，底盤采用焊接式連接，整體尺寸為650 mm*530 mm*370 mm，上部采用20 mm*20 mm方管搭建外殼支架，外殼材料選用0.3 mm厚的有機(jī)板，通過(guò)鉚釘使有機(jī)板材料固定在外殼支架上，減輕重量的同時(shí)，極大的減小了行進(jìn)產(chǎn)生的噪音。

2）根據(jù)實(shí)際需要，電機(jī)下部焊接4 mm鋼板，電機(jī)底座與鋼板用螺栓連接，以保證電機(jī)牢固及底盤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固。

3）麥克納姆輪連接軸采用直徑為20 mm光軸，光軸進(jìn)行機(jī)加工其上形成鍵槽，光軸與麥克納姆輪通過(guò)鍵連接位置相對(duì)固定，光軸上安裝軸承，利用軸承座固定在底盤上。這樣主要受力軸與輪子的連接已經(jīng)基本完成。

4）為了保證座椅上升或下降的平穩(wěn)，在底盤上豎直焊接有4個(gè)立柱，每個(gè)立柱內(nèi)側(cè)固定有鋼珠式滑軌，滑軌一端與座椅下方連接，當(dāng)電動(dòng)液壓千斤頂運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)滑軌的同步運(yùn)動(dòng)。依靠滑軌的同步移動(dòng)即可使座椅的上升、下降保持平穩(wěn)。

5）麥克納姆輪邊緣分布諸多滾子，滾子的軸線與其輪子的回轉(zhuǎn)軸線成斜45度，而且諸多滾子的包絡(luò)面形成一個(gè)圓柱，這保證了輪椅移動(dòng)與地面的良好接觸。每個(gè)輪子有3個(gè)自由度，分別是：繞滾子軸線轉(zhuǎn)動(dòng)、繞輪子轉(zhuǎn)動(dòng)和繞地面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。

2.3 主要部件受力校核

麥克納姆輪與電機(jī)連接軸的校核[4]：

假設(shè)性分析：成年人的體重80 kg，整車重40 kg，連接軸直徑20 mm，長(zhǎng)度70 mm，支點(diǎn)處于軸的兩端，通過(guò)鏈條連接。

由橫向彎曲最大正應(yīng)力公式：

橫截面為圓的抗彎界面系數(shù)的計(jì)算公式為：

人重與車重之和為120 kg，F(xiàn)=ma=300 N，由于軸的兩端受力，所以最大危險(xiǎn)截面在中間位置，連接軸使用材料10NiCr5-4的許用應(yīng)力為150 Mp?？傻茫?/p>

經(jīng)計(jì)算，其實(shí)際切應(yīng)力小于許用切應(yīng)力，因此連接軸不會(huì)被損壞。

2.4 輔助部件的設(shè)計(jì)

輔助部件包括：控制箱、腳踏板及座椅后方的儲(chǔ)物筐等。為了方便安裝與檢修控制箱設(shè)計(jì)為翻蓋式，最大翻轉(zhuǎn)角120度；腳踏板的中心位置用銷穿過(guò)，使腳踏板在35度范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)使用者可自行調(diào)節(jié)；針對(duì)殘疾人士的需要在座椅后方設(shè)計(jì)儲(chǔ)物筐。

2.5 行駛速度計(jì)算

每臺(tái)電機(jī)在額定功率下的空轉(zhuǎn)速度為3 000 r/min，通過(guò)減速比為10:1的減速箱，計(jì)算得輸出轉(zhuǎn)速300 r/min。車輪直徑203.5 mm，周長(zhǎng)為1 319.43 mm。由于車輪與電機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)連接，則該輪椅能在無(wú)負(fù)載全速行駛的情況下時(shí)速為24 km/h。由于采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，這樣4臺(tái)電機(jī)提供的扭矩總和遠(yuǎn)大于每臺(tái)電機(jī)的扭矩，所以即使在負(fù)載的情況下該輪椅的時(shí)速也不會(huì)小于15 km/h，據(jù)以上數(shù)據(jù)可知該車完全能滿足行駛速度的需要。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全向移動(dòng)可調(diào)節(jié)式輪椅的電氣系統(tǒng)由ATmega16單片機(jī)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)。它的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。操作者通過(guò)對(duì)按鍵和對(duì)八方位搖桿的動(dòng)作使得單片機(jī)接收信號(hào)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊接收到單片機(jī)的命令后對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)麥克納姆輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)或者千斤頂開始帶動(dòng)座椅的上升下降。

圖2 控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Control system block diagram

3.1 運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程

利用穩(wěn)壓模塊為AVR單片機(jī)提供穩(wěn)定電能，操控信號(hào)經(jīng)單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊后，利用PWM控制4個(gè)電機(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)4個(gè)輪子有不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，4個(gè)輪子相互配合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)[5]。

3.2 升降功能控制

當(dāng)輪椅移動(dòng)到合適位置，可根據(jù)拿取物品的高度按動(dòng)左扶手前端的升降按鈕，此時(shí)AVR單片機(jī)接收信號(hào)控制固態(tài)繼電器的通斷，可使電動(dòng)液壓千斤頂?shù)秒姡Ы镯攷?dòng)座椅進(jìn)而完成升降。千斤頂選用藍(lán)貝爾NE-345、12 V液壓電動(dòng)千斤頂，最大伸縮范圍0～200 mm并且可在此范圍內(nèi)任意停留[6]。座椅下方的4個(gè)立柱內(nèi)側(cè)安裝有滑道，在豎直伸縮時(shí)保證座椅升降的平穩(wěn)性。

3.3 控制流程圖

控制系統(tǒng)的流程如圖3所示，控制系統(tǒng)利用軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)行為模塊的控制，行為模塊包括：座椅的上升、下降模塊；輪椅的直線運(yùn)動(dòng)模塊；斜向運(yùn)動(dòng)模塊以及原地旋轉(zhuǎn)模塊?？梢园凑找筮x擇不同的模塊從而進(jìn)行不同的控制。

圖3 控制流程圖Fig.3 Control flow graph

4 性能測(cè)試

通過(guò)上述分析計(jì)算已經(jīng)對(duì)輪椅的硬件結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等有了全面認(rèn)知，最終進(jìn)行加工制作得到了全向移動(dòng)可調(diào)式輪椅，它的整體外觀如圖4所示。

圖4 整體外觀圖Fig.4 Overall Appearance

全方位移動(dòng)通過(guò)4個(gè)大功率直流減速電機(jī)和一套麥克納姆輪的獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。使用者操控方向控制搖桿發(fā)出移動(dòng)命令，MCU立即響應(yīng)中斷，開始處理所發(fā)出的指令，隨后退出中斷服務(wù)程序，通過(guò)利用定時(shí)器對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行模擬，使MCU輸出相應(yīng)的信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使能端，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于麥克納姆輪的特殊結(jié)構(gòu)，輪子對(duì)地的作用力并不垂直于支撐面，這時(shí)加上獨(dú)立電機(jī)的協(xié)調(diào)配合便可使行進(jìn)方向與水平合力方向一致，實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)[7]。

升降功能通過(guò)電動(dòng)液壓千斤頂來(lái)提供上升動(dòng)力，使用者按動(dòng)升降按鈕，單片機(jī)接收信號(hào)，然后發(fā)出命令控制固態(tài)繼電器的通斷。當(dāng)正向?qū)〞r(shí)電動(dòng)液壓千斤頂開始帶動(dòng)座椅平穩(wěn)的上升，最終到達(dá)所需高度。當(dāng)突然斷電時(shí)，由于千斤頂?shù)淖枣i功能從而會(huì)保持座椅目前的高度[8]，而不會(huì)導(dǎo)致意外的發(fā)生。具體性能指標(biāo)如表1所示。

表1 全向移動(dòng)可調(diào)節(jié)式輪椅性能指標(biāo)Tab.1 Omnidirectional mobile adjustable wheelchair performance

5 結(jié) 論

全向移動(dòng)可調(diào)節(jié)式輪椅是針對(duì)殘障人士及體弱老人而設(shè)計(jì)，立足于安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用與智能的基本理念。利用麥克納姆輪實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)的靈活性；輪椅可以平穩(wěn)升降，高度可調(diào)，易于使用者取放高處物品；搖桿式電動(dòng)控制，使用更輕松、控制更方便。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，外形美觀，能夠迎合市場(chǎng)的需求，市場(chǎng)上暫無(wú)同類產(chǎn)品，有較好的市場(chǎng)前景。

[1]徐國(guó)華，譚民.移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001（3）:7-13.XU Guo-hua，TAN Min.Development Status and trends of mobile robot[J].Robot Technology and Applications in，2001（3）:7-13.

[2]陳家新.兩輪電動(dòng)車用電機(jī)及驅(qū)動(dòng)方式[J].電機(jī)電氣技術(shù)，2012（1）:16-18.ChEN Jia-xin.Two-wheeled electric vehicle motors and drive mode[J].Motor Electrical Technology，2012（1）:16-18.

[3]劉洲，吳洪濤.Mecanum四輪全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真[J].現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)，2011，40（5）:43-46.LIU Zhou，WU Hong-tao.Mecanum four full-motion analysis and simulation of moving bodies[J].Modern Design and Advanced Manufacturing Technology，2011，40（5）:43-46.

[4]王奇志，吳建國(guó)，張行.變截面梁彎曲切應(yīng)力分析[J].力學(xué)與實(shí)踐，2008（6）:96-97.WANG Qi-zhi，WU Jian-guo，ZHANG Heng.Variable crosssection beam bending shear stress analysis[J].Mechanics in Engineering，2008（6）：96-97.

[5]張立勛，王立權(quán)，楊勇.機(jī)械電子學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2005.

[6]方學(xué)武.電動(dòng)螺旋液壓千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì) [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2003，19（5）:78-79.FANG Xue-wu.Design electric screw hydraulic jacks[J].Mechanical Design and Research，2003，19（5）:78-79.

[7]呂偉文.全方位輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2006（12）:63-65.LV Wei-wen.Structure-round wheel moving mechanism design[J].Machinery&Electronics，2006（12）:63-65.

[8]李楷模，任成高.液壓千斤頂?shù)募夹g(shù)改良[J].液壓與氣動(dòng)，2011（5）:68-70.LIKai-mo，RENCheng-gao.Technical improvements hydraulic jacks[J].Hydraulic and pneumatic，2011（5）:68-70.