一種電動(dòng)爬樓輪椅的改進(jìn)設(shè)計(jì)與研究

馬瑞東，嚴(yán)海領(lǐng)

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院，寧夏 銀川 753000）

輪椅是特殊群體在日常生活和工作中頻繁要使用到的必需品，更是他們參加社會(huì)活動(dòng)和鍛煉的重要工具，隨著社會(huì)的發(fā)展，老齡化的增長(zhǎng)，他們?cè)谌粘Ｉ钪校偸菚?huì)與正常人的生活方式有些許的不同，比如，上下樓梯的活動(dòng)。據(jù)調(diào)查，目前，仍然有一大部分老年人住在老舊小區(qū)房屋，然而，這些樓體內(nèi)并沒有設(shè)計(jì)殘障通道，電梯等一些輔助老年人和特殊人群的設(shè)施，因此，本設(shè)想是在現(xiàn)有的輪椅基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出一款新型的多功能輪椅。

普通輪椅主要有以下幾種行進(jìn)的方式，來進(jìn)行日?；顒?dòng)：（1）通過手輪圈或者搖桿和按鈕來進(jìn)行行進(jìn)的功能。（2）通過輪椅的把手進(jìn)行推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)。（3）有些爬樓的輪椅的爬升是運(yùn)用履帶的行進(jìn)方式。

這些方式的缺點(diǎn)就是：（1）運(yùn)用手輪圈的輪椅的行進(jìn)方式，如果路面有積水，或者路面不干凈，往往會(huì)使得使用者的手上，衣服上面被弄臟。（2）如果路遇坑洼、泥沙，或者積水的路面時(shí)，會(huì)使得輪椅陷入無法走動(dòng)，這樣還會(huì)影響電動(dòng)輪椅的電路性能。（3）在上下樓的時(shí)候，履帶和樓梯的接觸面，實(shí)際可以看作一條線，摩擦力會(huì)很小，實(shí)際操作會(huì)很危險(xiǎn)。

1 改進(jìn)輪椅結(jié)構(gòu)及原理

圖1 后輪圈結(jié)構(gòu)圖

通過以上的綜述，可以看出，輪椅的輪子對(duì)于日常生活影響還是比較大的，所以我們實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅的輪子的改進(jìn)，進(jìn)而使它在行進(jìn)中擁有很好的通過性，首先，我們對(duì)輪椅的車輪進(jìn)行了拆解，可以看出，普通的電動(dòng)輪椅的輪子是由后輪、馬達(dá)、以及前輪組成的一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這樣的輪子并不具備爬樓，以及越過一些障礙的能力。所以，我們進(jìn)行輪椅車輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，通過圖1可以看出，后輪部分由外部輪圈、中間支撐件、內(nèi)外輪圈支撐柱、內(nèi)部輪圈、外部伸縮件、轉(zhuǎn)子、彈簧這些部件組成的，在需要的時(shí)候通過外部輪圈部位進(jìn)行電生磁，以達(dá)到使外部輪圈帶磁的目的，從而使其與外部伸縮件內(nèi)部安裝的磁鐵進(jìn)行排斥，從而可以將外部伸縮件伸出，以達(dá)到輔助特殊人群正常進(jìn)行日常生活的目的。普通輪椅如圖2。

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制件的選擇

圖2 普通輪椅

本設(shè)計(jì)所采用的控制核心為單片機(jī)控制，STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的八位CMOS微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，STC89C52使用的是經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了許多改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。STC89C52單片機(jī)使用串口編程。

2.2 傳感器的選擇

輪椅后輪的高度調(diào)節(jié)是通過傳感器接收到的信號(hào)，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，之后再通過算法進(jìn)行計(jì)算，傳輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，使得后輪面臨各種地形時(shí)，進(jìn)行變化，從而可以應(yīng)對(duì)相應(yīng)的地形，所以，本次選用的傳感器是傾角傳感器、位置傳感器。

2.3 傾角傳感器的選擇

傾角傳感器對(duì)輪椅的實(shí)時(shí)傾角進(jìn)行捕捉，捕捉后的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的處理，控制后輪部分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。經(jīng)過選擇，傾角傳感器采用的是MST810動(dòng)態(tài)傾角傳感器，由于MST810采用更先進(jìn)的慣導(dǎo)技術(shù)，在不借助GPS等的輔助下，精確測(cè)量載體的滾動(dòng)角，該指標(biāo)控制不受時(shí)間限制。所以，本次設(shè)計(jì)采用MST810動(dòng)態(tài)傾角傳感器，進(jìn)而能夠隨時(shí)監(jiān)控到使用者的坐姿，通過監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)整輪椅的姿態(tài)。

2.4 位置傳感器的選擇

位置傳感器是安裝在后輪部分的伸出件上的，當(dāng)后輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)，位置傳感器通過實(shí)時(shí)的傳回各個(gè)伸縮件的位置數(shù)據(jù)，從而可以通過數(shù)據(jù)的匯總，算出車輪應(yīng)該達(dá)到的最佳狀態(tài)，這樣才能做到讓使用者可以更加舒服。采用距離傳感器GP2Y0A21YKOF。它由PSD(positionsensitive detector)和IRED (infrared emitting diode)以及信號(hào)處理電路三部分組成。由于采用了三角測(cè)量方式，被測(cè)物體的材質(zhì)、環(huán)境溫度以及測(cè)量時(shí)間都不會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度。傳感器輸出電壓值對(duì)應(yīng)探測(cè)的距離。通過測(cè)量電壓值就可以得出所探測(cè)物體的距離，所以這款傳感器可以用于距離測(cè)量、避障等場(chǎng)合。將這樣的傳感器加在外部伸縮件與外部輪圈之間，這樣就可以實(shí)時(shí)地檢測(cè)到各個(gè)伸縮件與外部輪圈的位置，通過算法的計(jì)算，就可以得到一個(gè)合適伸出位置。如上所述，將選擇的單片機(jī)STC89C52、傾角傳感器、位置傳感器、方向控制、后輪伸出件等綜合，構(gòu)成后輪控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)方案

3 算法的處理

這套輪椅的程序的算法，程序所用到的算法是通過C語言寫出的，通過在單片機(jī)中寫入程序，然后，再通過傳感器的數(shù)據(jù)傳回，從而可以控制輪椅的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。算法流程圖如圖4。

圖4 算法流程圖

4 輪椅模型建立

我們?cè)谄胀ㄝ喴蔚幕A(chǔ)上進(jìn)行改造后，經(jīng)過模型的建立，就得到了圖5，這樣的三維模型，主要是通過后輪部位的伸縮件的伸出和收回，來達(dá)到減震、爬樓、越過障礙的動(dòng)作的，相對(duì)于普通的輪椅，已有大的方面的改進(jìn)，能夠幫助到需求的特殊人群。

圖5 輪椅三維模型

5 結(jié)語

本文通過對(duì)現(xiàn)在社會(huì)的輪椅中存在的問題進(jìn)行論述，通過硬件和軟件的設(shè)計(jì)，把輪椅的后輪作為進(jìn)行改進(jìn)的主要點(diǎn)，以及通過各種傳感器的配合使用，在設(shè)計(jì)的過程中，通過硬件的模塊化的設(shè)計(jì)，所以可以使得各個(gè)模塊得到相對(duì)獨(dú)立的控制作用，便于調(diào)節(jié)，也為當(dāng)今社會(huì)的輪椅的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可參考的技術(shù)方案。