基于輔助康復(fù)平衡式輪椅的研究

王磊　唐仁貴　管佳鋒

【摘 要】本設(shè)計(jì)為一個(gè)平衡輪椅，能在不同路況行駛過(guò)程中自動(dòng)保持座椅水平，并且能實(shí)現(xiàn)幫助乘坐者自助站立活動(dòng)，可以廣泛的作為腿腳行走不便利的殘障人士或老年人輔助交通工具。作品主要由平衡升降機(jī)構(gòu)部分、扶手升降部分與輪椅行進(jìn)部分組成。 輪椅下方安裝傳感器，能夠使輪椅在上下斜坡時(shí)座椅保持水平，行駛于不同路面，使乘坐者更舒適。輪椅操作靈活，功能豐富。

【關(guān)鍵詞】醫(yī)療；設(shè)備；康復(fù)；制造

中圖分類號(hào)： R473.74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）31-0132-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.064

【Abstract】This design is a balanced wheelchair ， can automatically maintain the seat level in different road conditions， and can help passengers to stand on their own. It can be widely used as an auxiliary vehicle for people with disabilities or the elderly who are not convenient for walking on legs and feet. The works are mainly composed of the balance lifting mechanism， the armrest lifting and the wheelchair moving. Sensors are installed below the wheelchair to keep the chair level on the upper and lower slopes and drive on different roads to make the occupants more comfortable. Wheelchair flexible operation， rich functions.

【Key words】Medical； Equipment； Rehabilitation； Manufacturing

1 研制背景及意義

老年人和下肢殘障人士在生活中行動(dòng)不便，因此智能輪椅是一種很好的代步工具。但是現(xiàn)在市面上的智能輪椅或者功能單一或者價(jià)格昂貴。

所以設(shè)計(jì)一款價(jià)格便宜且功能豐富操作方便，能有效幫助使用者的智能輪椅是符合市場(chǎng)需求的，且發(fā)展前景廣闊。

2 主要功能和性能指標(biāo)

本作品主要是用于輔助對(duì)象直立行走鍛煉，遇不同路面保持座位水平的平衡輪椅

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的作品為平衡輪椅，使用對(duì)象為腿腳行走不便利的殘障人士或老年人。平衡輪椅主要由平衡升降機(jī)構(gòu)部分、扶手升降部分與輪椅行進(jìn)部分組成。

3.2 平衡升降部分

平衡升降部分主要由兩大機(jī)構(gòu)組成：（1）絲桿鉸鏈升降機(jī)構(gòu)；（2）座椅轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。能實(shí)現(xiàn)座椅在不同路況保持水平位置。

3.2.1 絲桿鉸鏈升降機(jī)構(gòu)

絲桿鉸鏈升降機(jī)構(gòu)由電機(jī)絲桿、鉸鏈升降機(jī)構(gòu)和滑軌滑槽來(lái)進(jìn)行升降。如圖3-3所示，電動(dòng)絲桿正反轉(zhuǎn)，使滑塊沿水平方向左右滑動(dòng)，從而使鉸鏈升降機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)。

3.2.2 座椅轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

座椅轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由支撐軸和轉(zhuǎn)動(dòng)軸組成。鉸鏈升降桿上下升降使靠背沿兩側(cè)滑軌移動(dòng)，帶動(dòng)座椅板繞支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)支撐軸沿滑槽前后平動(dòng)。

例如行進(jìn)至上坡或下坡路面，傳感器檢測(cè)出座椅傾角角度變化，電機(jī)做相應(yīng)的順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使座椅向相反的方向調(diào)整，從而保持水平。

3.3 扶手抬升部分

扶手抬升主要由絲桿電機(jī)和滑軌組成，電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)推動(dòng)與絲桿螺母連接的扶手沿垂直滑軌上下移動(dòng)。

工作過(guò)程：在輔助直立行走鍛煉時(shí)，按下開關(guān)，電機(jī)絲杠帶動(dòng)扶手滑軌上下升降，輔助乘坐者由平坐姿勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎玖ⅰ?/p>

3.4 輪椅行進(jìn)部分

輪椅行進(jìn)主要由手動(dòng)式大型后輪與小型萬(wàn)向輪（前輪）組成，通過(guò)手轉(zhuǎn)動(dòng)大型后輪邊上的圓形轉(zhuǎn)動(dòng)扶手，在兩邊加不同的力可以實(shí)現(xiàn)輪椅的前進(jìn)與轉(zhuǎn)向。

3.5 控制電路部分

控制電路部分主要由水平傳感器與控制處理器組成，水平傳感器主要檢測(cè)座位的水平偏移角度，使用型號(hào)為SCA60C傾斜檢測(cè)傳感器模塊，電機(jī)采用12伏電源供電。

SCA60C角度傳感器模塊描述，主要芯片有LM393 、傾斜感應(yīng)探頭，其工作電壓為DC 5V。傾角信號(hào)模擬電壓輸出范圍在0-180°對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0.5-4.5V。具有雙向傾斜信號(hào)報(bào)警輸出功能，輸出有效信號(hào)低電平指示燈亮。電路板傾斜信號(hào)為TTL 高低電平，接單片機(jī)IO口。

控制器采用arduino控制，使用電機(jī)帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)控制座位的平衡。傳感器SCA60C處于水平位置時(shí)，Vo端輸出+0.5V的模擬電壓。當(dāng)平衡板轉(zhuǎn)到使傳感器與水平面成90度的角度時(shí)，此時(shí)Vo端輸出+5V的模擬電壓。在0～90度的傾角范圍內(nèi)，Vo端輸出的是正比于傾角大小的+0.5～+5V的模擬電壓信號(hào)，輸出端Vo輸出的是從+5V依次變化到+0.5V的模擬電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)arduino對(duì)信號(hào)的處理實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前座位狀態(tài)的判斷并控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)角度。

實(shí)現(xiàn)控制功能：角度傳感器檢測(cè)角度當(dāng)小于-5°時(shí)電動(dòng)機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)抬升機(jī)構(gòu)上升，水平后停止。大于5°時(shí)電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)抬升機(jī)構(gòu)下降，使座位始終保持水平。

輪椅行進(jìn)時(shí)遇上坡路面，角度傳感器給出信號(hào)，電動(dòng)機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)電路開通；反之，下坡時(shí)電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)電路開通。

3.6 坐墊與靠背連接方式

坐墊與靠背使用軸鏈接，并由鏈接件固定靠背和坐墊?？勘澈妥鴫|可以沿軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)靠背鏈接的滑軌與主體機(jī)架相連，座位底部的軸承與固定在主體機(jī)架上的滑槽鏈接。

3.7 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部分

輪椅前部安裝兩個(gè)萬(wàn)向輪用于轉(zhuǎn)向，每個(gè)萬(wàn)向輪都可以360°旋轉(zhuǎn)。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在后面大輪上的圓環(huán)形扶手可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

轉(zhuǎn)向方式：右輪順時(shí)針轉(zhuǎn)，左輪順時(shí)針轉(zhuǎn)為左轉(zhuǎn)；右輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)，左輪逆時(shí)針為右轉(zhuǎn)。

4 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

選取額定轉(zhuǎn)速為50rad/s，額定電壓12v，最大轉(zhuǎn)矩25kg/cm的直流渦輪電機(jī)。

絲桿電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

螺桿的螺距p=1.5mm，中經(jīng)d2=8mm，承受外力FQ=1000N

得 螺紋升角 Φ=arctan（p/πd2）=3.902°

摩擦角 p=arctanf=arctan0.15=8.53°（1）

擰緊力矩 T=d2/2FQtan（Φ+p）=4×1000tan（3.902°+8.53°）N.mm=892.18 N.mm

擰緊力Ft=FQ（Φ+p）=1000tan（3.902°+8.53°）=209N

齒輪分度圓處力矩T1=T（d2/d）=892.18×（8/27）=264.35N/mm

電動(dòng)機(jī)所需功率P=T1n/（9.55×106）=264.35×50/（9.55×106）=1.384w

總效率：η=η齒輪×η螺旋=0.97×0.6=0.582（2）

電動(dòng)機(jī)所需實(shí)際功率Ps：Ps=P/0.582=2.378w

根據(jù)廠家提供的電動(dòng)機(jī)型號(hào)，選取電動(dòng)機(jī)型號(hào)為JGY370-100-30-12V，其功率100w，轉(zhuǎn)速30rad/min，減速比200。

鉸鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)

鉸鏈桿長(zhǎng)d鉸鏈=450mm，絲桿長(zhǎng)d絲桿=300mm，載重100kg，電機(jī)型號(hào)JGY370

H總抬升高度=2×h單個(gè)抬升高度=2×[√（d鉸鏈2-d絲桿12）-√（d鉸鏈2-d絲桿22）]=2×[√（4502-3002）-√（4502-2002）]=2×（403-335）=136mm

絲桿滑塊移動(dòng)距離d= d絲桿2- d絲桿1=100mm，抬升高度H總抬升高度=136mm

軸向負(fù)載Fa

Fa=F+μmg=0+0.01*100000*9.8=9800N

驅(qū)動(dòng)扭矩Ta

Ta=（Fa*I）/（2*3.14*n1）= 980*5/5.9032≈8300kgf.mm=83N.M

鉸鏈夾角為α

絲桿橫向最大承重能力Fmax

Fmax=2×Fa×tan（αmin/2）=2×9800×0.268=5251N（3）

鉸鏈承受的拉力F鉸鏈

F鉸鏈=F載重/（2·sinα/2）

鉸鏈承受的最大拉力

F鉸鏈=F載重/（2·sinαmin/2）=1000N/（2×0.2588）=1932N

5 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

本組作品實(shí)際考慮到生活中各種問(wèn)題，將多種功能集于一體

輪椅的功能豐富，主要有：（1）支撐輔助起立功能：使用者只需按下站立開關(guān)，絲桿升降機(jī)構(gòu)幫助乘坐者輔助站立，（2）座椅自動(dòng)水平：輪椅下方安裝傳感器，能夠使輪椅在上下斜坡時(shí)座椅保持水平，行駛于不同路面，使乘坐者更舒適。輪椅操作靈活，功能豐富。

并且本組輪椅可以滿足使用者的多種需求，同時(shí)可以為使用者帶來(lái)更加舒適的體驗(yàn)。相較于市面上功能單一且價(jià)格昂貴的輪椅，更能滿足市場(chǎng)需求。本組作品無(wú)需復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，價(jià)格便宜且功能豐富操作方便，能有效幫助使用者的智能輪椅是符合市場(chǎng)需求的，且發(fā)展前景廣闊。

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