基于智能輪椅的電磁減震裝置設(shè)計

杜妍辰，管振興

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和物質(zhì)生活水平的不斷提高，殘疾人士對智能輪椅的渴望越來越高，輪椅不僅是他們的代步工具，而且它的智能性、安全性、舒適性也是非常必要的。在大多情況下，地面的路況往往是復(fù)雜的，非常平坦無顛簸的路面相對較少，因此，對輪椅的減震性能和安全性能要求較高。目前，針對智能座椅功能的設(shè)計，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究。李雪蓮[1]提出了輪椅的自主避障導(dǎo)航、安全性等； 夏進(jìn)軍、吳志遠(yuǎn)等[2-3]從殘疾人的心理出發(fā)，設(shè)計了用戶體驗高的智能輪椅； 王麗軍、王景川等[4]研究了輪椅的最優(yōu)路徑規(guī)劃。但是，他們都是強(qiáng)調(diào)輪椅的智能性與安全性，沒有考慮輪椅在不平坦道路行走時的減震性、安全性和舒適性。傳統(tǒng)的彈簧減震裝置存在壽命短、剛度不可調(diào)、靈活度差的缺點(diǎn)，使用時間越長，輪椅的減震效果越差，且對殘疾人的脊椎部位有一定的傷害，容易給殘障人士的身體和心理造成二次創(chuàng)傷。本文在傳統(tǒng)智能輪椅的設(shè)計基礎(chǔ)上，提出電磁減震技術(shù)，設(shè)計電磁減震柱應(yīng)用于輪椅減震，增加輪椅在行駛過程中的平穩(wěn)性與舒適性。

1 設(shè)計原則與需求

(1)殘疾人心理需求分析

輪椅的設(shè)計主要是為腿腳不便的殘障人士和老年人，起初的目的主要是給予他們行動上的方便[5-6]，但是在科技迅速發(fā)展的今天，身體需要僅僅是一方面，更重要的是殘障人士的心理需求。殘障人士更渴望像正常人那樣行動和生活，周圍的人像普通人那樣看待他們，輪椅就是替代他們行走的工具，智能性和舒適性是一直以來輪椅設(shè)計的初衷。但是輪椅良好的減震性能往往容易被人忽視，殘疾人本身已經(jīng)在身體上受到了傷害，減震效果差的輪椅在長期使用后容易給他們帶來頸椎等疾病，會給殘障人士造成二次傷害，也更容易造成他們的心理創(chuàng)傷。

(2)輪椅使用時效性

現(xiàn)在智能輪椅的功能包含自動識別導(dǎo)航、語音識別控制、防碰撞等眾多功能[7-8]，所以它的價格相較而言還是比較昂貴的，因此對輪椅的使用年限和時效性也相對要求較高。在輪椅的實際使用過程中，地面往往大都不是光滑平整的，輪椅在行駛過程中的減震性能也是尤為重要的。但是，傳統(tǒng)的智能輪椅在設(shè)計的過程中，往往采用的是彈簧減震等減震裝置，但是彈簧減震存在壽命短、剛度不可調(diào)、靈活度差等缺點(diǎn)，長時間使用后，輪椅的減震性能大大下降，縮短了輪椅的使用壽命，也對殘疾人的頸椎造成巨大的傷害。所以，本文設(shè)計的電磁減震裝置是通過線圈纏繞電磁控制，利用同性相斥的原理減震，不但增加了輪椅的使用年限，而且保證了每次使用時的減震效果，解決了彈簧在長時間使用后減震效果下降的弊端。

(3)自適應(yīng)調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)的智能輪椅在出廠后，它的減震裝置都是固定不能調(diào)節(jié)的，輪椅的高度也是通過手動自行調(diào)節(jié)。但是不同類型的人有高矮胖瘦之分，普適的減震裝置在設(shè)計上是有欠缺的，在實際過程中往往不能夠帶給殘疾人最佳舒適感的體驗。本文設(shè)計的電磁減震裝置是通過傳感器檢測人的身高和體重以及路面的實際路況，自適應(yīng)調(diào)節(jié)電磁強(qiáng)弱從而控制輪椅的平穩(wěn)行駛，進(jìn)而達(dá)到最佳的減震效果。

(4)安全性

智能輪椅在行駛的過程中，是具有一定的速度的，使用輪椅的一般都是腿腳不便的人，速度過快時若地面突然出現(xiàn)人眼未發(fā)現(xiàn)的顛簸等狀況，人在輪椅上由于慣性作用有前傾跌倒的風(fēng)險。針對這種情況，在電磁減震裝置的基礎(chǔ)上，輪椅的椅背處輔以設(shè)計環(huán)抱減震帶，可以根據(jù)人的胖瘦自行調(diào)節(jié)松緊舒適度，既能與電磁減震裝置配合減震，又能保證輪椅的安全性。不用的時候環(huán)抱帶可以自動收縮到椅背后，不占用任何空間，便捷性強(qiáng)。

2 設(shè)計方案

(1)設(shè)計思路

現(xiàn)代智能輪椅在設(shè)計的時候往往大多采用彈簧的減震形式，而彈簧在長久使用后減震效果將會大大下降，而且彈簧剛度不可調(diào)適應(yīng)性差。本文在設(shè)計的時候參考了磁懸浮列車的一些原理設(shè)計，根據(jù)設(shè)想若是人能夠懸浮在半空中前進(jìn)，那么不管地面是平坦還是顛簸，對人都是沒有影響的。所以由此采用了電磁技術(shù)來減震，根據(jù)同性相斥的原理，利用傳感器，根據(jù)人的身高和體重以及地面的實際狀況，自適應(yīng)調(diào)節(jié)電磁強(qiáng)弱來控制減震，達(dá)到最佳的減震目的。

(2)設(shè)計結(jié)構(gòu)

輪椅的電磁減震裝置主要包括電磁減震柱、椅座、環(huán)抱減震裝置和控制單元。如圖1為智能輪椅主結(jié)構(gòu)圖，圖2、圖3為電磁減震裝置的實心柱和空心柱，其中，1為實心柱，2為線圈，3為孔，4為線圈保護(hù)套，5為空心柱，6為長軸。電磁減震柱包括上下兩部分，上部為實心柱，下部為空心柱，表面分別纏繞線圈，利用同性相斥原理，通電后實心柱可以懸浮在空心柱中央，實心柱中心設(shè)置有孔，空心柱內(nèi)部固定有長軸，孔和長軸契合，便于垂直上下運(yùn)動。其中，空心柱內(nèi)直徑大于實心柱外直徑，實心柱和空心柱的線圈外部設(shè)有保護(hù)套。當(dāng)路面不平坦振動時，根據(jù)壓力傳感器傳出的信號，通過控制單元自動調(diào)節(jié)電磁強(qiáng)弱，增大或減小空心柱對實心柱的排斥力度，能夠有效地減少因振動對殘障人士脊椎的傷害，進(jìn)而達(dá)到最佳的減震效果和舒適度。椅座固定在電磁減震柱的實心柱的上部，其中椅座的椅面中部和椅面的前部設(shè)置有壓力傳感器，監(jiān)測人的體重和地面顛簸狀況。環(huán)抱減震裝置是設(shè)置在椅座的椅背上，能夠?qū)⑷谁h(huán)抱鎖住，增加輪椅在行駛過程中的安全性，不用的時候自動收縮到椅背后，便捷美觀。

控制單元包括數(shù)據(jù)處理機(jī)，其中數(shù)據(jù)處理機(jī)分別與壓力傳感器、環(huán)抱減震裝置以及電磁減震柱相連接。壓力傳感器檢測到地面的顛簸狀況，然后將信號傳輸?shù)娇刂贫嗽?，?jīng)控制單元轉(zhuǎn)換后控制電磁減震柱的電磁強(qiáng)弱自動升降達(dá)到減震的目的。控制流程圖如圖4所示。

圖1 智能輪椅結(jié)構(gòu)圖

圖2 電磁減震裝置實心柱局部放大圖

圖3 電磁減震裝置空心柱局部放大圖Fig.3 Partial enlarged view of hollow column of electromagnetic damping device

圖4控制流程圖

Fig.4Controlflowchart

(3)工作方式

在地面顛簸時，傳統(tǒng)智能輪椅的彈簧減震裝置是通過彈簧的收縮來減震，但是彈簧隨著時間的推移減震效果是不斷減弱的，而且剛度不可調(diào)、靈活性差，不能適應(yīng)不同類型的人和實際路況。本文設(shè)計的電磁減震輪椅，當(dāng)人坐在輪椅上，椅面上的壓力傳感器可以根據(jù)檢測到的體重，將信號傳輸給控制單元處理，然后控制單元發(fā)出信號調(diào)節(jié)電磁強(qiáng)弱控制椅面升降將人調(diào)整到一個最舒適的角度，適應(yīng)不同類型腿腳不便的殘障人士和老年人。輪椅在地面行駛的過程中，由傳感器檢測地面的顛簸程度從而帶來的壓力變化，控制單元控制電磁強(qiáng)弱調(diào)整座椅隨人的位置變化而自適應(yīng)升降，因此減震效果最佳人也最舒適。輪椅在行駛中，環(huán)抱裝置緊扣人的腰部，第一，使人與輪椅達(dá)到最佳契合度增強(qiáng)減震的效果； 第二，輪椅具有一定的速度，遇到復(fù)雜路況時的突發(fā)狀況可以提高輪椅的安全性。

3 結(jié)論

現(xiàn)代輪椅的發(fā)展向著更加智能與舒適的方向不斷前進(jìn)，但是它的價格也是不菲，所以輪椅的使用壽命和是否會對殘障人士造成二次傷害是近年來國內(nèi)外學(xué)者一直關(guān)心的問題。通過設(shè)計電磁式減震輪椅，首先, 符合現(xiàn)代化智能發(fā)展的要求，其次, 根據(jù)不同類型的人和路況自適應(yīng)調(diào)節(jié)電磁強(qiáng)弱控制輪椅達(dá)到最佳減震效果，增加了減震系統(tǒng)的靈活性； 再次，通過環(huán)抱裝置將人緊緊抱住，與電磁減震柱互相輔助提高減震性能，也增加了輪椅整體使用過程中的安全性； 最后，輪椅優(yōu)秀的減震效果可以減小對殘障人士頸椎的危害，從而避免了對他們身體和心理的二次傷害。所以，輪椅的電磁減震裝置既符合了智能輪椅發(fā)展的模塊化需求，也加速了它整體的不斷向前發(fā)展。