履帶式多功能助老輪椅的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙成龍 宋青豫 馮榮森 楊雪婷 舒旭東

摘要：隨著社會(huì)發(fā)展，老年人和殘疾人，尤其是一些喪失上肢運(yùn)動(dòng)能力的殘疾人，愈來愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量和自由度，這也會(huì)促進(jìn)輪椅逐步智能化的發(fā)展。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一款履帶式多功能助老輪椅，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便，易拆卸，易清洗，并對(duì)其系統(tǒng)功能進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，對(duì)控制抓取模塊與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊做出設(shè)計(jì)，對(duì)將來的市場(chǎng)發(fā)展帶來一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：履帶式輪椅;智能;設(shè)計(jì)

一、引言

在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，一方面，人口老齡化的速度不斷加快，問題越來越嚴(yán)重。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示全球大多數(shù)國(guó)家正迅速老齡化，2019年我國(guó)65歲以上的人口達(dá)到了約2.54億（2018年約為2.49億），預(yù)計(jì)到2050年老齡人口將超過4億，占社會(huì)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(yùn)動(dòng)傷和自然災(zāi)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(guó)的輪椅使用群體日趨龐大，為關(guān)心老年人、殘疾人的生活，減輕醫(yī)療護(hù)理事業(yè)的壓力，各式各樣的助老、助殘運(yùn)動(dòng)裝置也應(yīng)運(yùn)而生。此外，據(jù)相關(guān)社會(huì)調(diào)查普遍反應(yīng)：現(xiàn)有的手動(dòng)輪椅缺乏上下樓梯和翻越障礙的實(shí)用效能，使用較為麻煩，很難進(jìn)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(jìn)的代步工具能進(jìn)一步有效幫助老年人和行動(dòng)障礙人士滿足生活需求、改善生活質(zhì)量，具有很大的實(shí)用性社會(huì)研究?jī)r(jià)值，我國(guó)對(duì)多功能輪椅的研究創(chuàng)新也尤為迫切。

二、國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)

（一）國(guó)外研究情況

國(guó)外對(duì)爬樓梯裝置的研究開始得相對(duì)較早，最早的專利是1892年美國(guó)的Bray發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國(guó)紛紛開始投入此項(xiàng)研究，其中美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對(duì)比較成熟。英國(guó)Baronmead公司開發(fā)的一種電動(dòng)輪椅車，底部是履帶式的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可爬樓梯的最大坡度為35°，上下樓梯速度為每分鐘15-20個(gè)臺(tái)階。日本長(zhǎng)崎大學(xué)更在普通單履帶輪椅的基礎(chǔ)上，研究了一種代號(hào)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(shí)，座椅傾角過大而影響使用安全的問題。

（二）國(guó)內(nèi)研究情況

我國(guó)對(duì)此類研究起步相對(duì)較晚，雖然也誕生了很多專利，但在結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和靈活性上和國(guó)外相比有一定的差距，但也能根據(jù)自身特色研制出技術(shù)指標(biāo)接近國(guó)外先進(jìn)水平的輪椅。香港某科技公司推出了號(hào)稱全球首款二段式履帶驅(qū)動(dòng)全自動(dòng)爬梯電動(dòng)輪椅B-Free Chair?？偟膩碚f，國(guó)內(nèi)輪椅市場(chǎng)發(fā)展逐漸成熟，需更加注重人性化設(shè)計(jì)與合理性消費(fèi)。

三、履帶式多功能助老輪椅的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（一）需求分析

隨著人口增長(zhǎng)，老齡化問題的嚴(yán)重發(fā)展。目前市場(chǎng)上出售的輪椅分為手動(dòng)和電動(dòng)兩種，前者靠手搖或人力推行，對(duì)老年人來說用起來很不方便;后者以電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)能夠讓使用者自行調(diào)節(jié)座椅高度，以適應(yīng)不同的高度要求，達(dá)到合適的舒適度;

2.添加智能定位儀系統(tǒng)，可預(yù)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(dòng)平衡機(jī)構(gòu)，可通過單片機(jī)控制液壓裝置使平衡機(jī)構(gòu)自動(dòng)保持與地面平衡，作用相當(dāng)于“天平”，且結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)有一定的弧度，使其與人體相關(guān)部位相適應(yīng)，保證使用者即使久坐也不會(huì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(dòng)履帶、座椅、機(jī)械手、中軸、電源等基本構(gòu)件組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便，易拆卸，易清洗，日常不需要太多維護(hù)，大大降低了日常維護(hù)頻率。

1.座椅裝置

該履帶式多功能助老輪椅使用結(jié)構(gòu)相同的兩個(gè)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(shí)候都可以穩(wěn)定的保持水平狀態(tài)，使駕駛者平穩(wěn)運(yùn)行。

2.履帶裝置

采用BT坦克的克里斯蒂懸掛履帶懸掛設(shè)計(jì)，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(duì)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(dá)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(shè)計(jì)

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

1.控制捉取模塊

為了更加靈活方便，單個(gè)機(jī)械臂共采用4個(gè)舵機(jī)，使用STM32單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)進(jìn)行控制。單片機(jī)通過硬件進(jìn)行計(jì)數(shù)，受外界干擾少，工作可靠。通過控制4個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)4個(gè)自由度機(jī)械手的捉取控制。相對(duì)于傳統(tǒng)模擬舵機(jī)，反應(yīng)變得更快，加速和減速時(shí)也更迅速更柔和，使得數(shù)字舵機(jī)提供更高的精度和更好的固定力。

2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

考慮到履帶行走裝置、立體結(jié)構(gòu)、各傳感器模塊、機(jī)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(jī)作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，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(jī)器人整體的設(shè)計(jì)要求。

四、結(jié)語

根據(jù)國(guó)家提出的科技強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略以來，我國(guó)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(shè)計(jì)提出了一款新型的履帶式多功能輪椅，該輪椅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性能高，造價(jià)成本低，市場(chǎng)前景廣闊，這將為廣大的乘坐者和護(hù)理人員提供更加安全、舒適、便捷的使用體驗(yàn)。

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基金項(xiàng)目：北部灣大學(xué)高等教育本科教學(xué)改革項(xiàng)目：互聯(lián)網(wǎng)+虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的研究與應(yīng)用—以北部灣大學(xué)為例（項(xiàng)目編號(hào)：19JGYB27）;北部灣大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（202011607154）。

作者簡(jiǎn)介：趙成龍（1992—），男，漢族，山東濱州人，學(xué)士，高級(jí)技師，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)械加工制造

（北部灣大學(xué)?廣西?欽州?535011）