基于Arduino控制系統(tǒng)的爬樓輪椅的創(chuàng)新型輪胎結(jié)構(gòu)研究

王成哲 廖翊杰 周炎淼 張志恒 張洵

[摘? ? 要]輪椅的便攜性和可靠性的發(fā)展可以提高老年人和殘障人士的生活品質(zhì)。文章研究設(shè)計了一種智能爬樓輪椅。智能化行駛功能基于Arduino微型控制單元及超聲波傳感器、紅外傳感器、滾珠開關(guān)、手動開關(guān)、馬達、蜂鳴器等傳感器和執(zhí)行器來設(shè)計實現(xiàn)。智能健康監(jiān)測系統(tǒng)基于51單芯片微型計算機和心律傳感器、血壓傳感器、顯示屏等來設(shè)計實現(xiàn)。并且還設(shè)計研究了一種輪椅爬升機械系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有爬升功能的后輪和前爬升輪。后輪通過機構(gòu)運作，可以從車輪外圓伸出一圈用于爬升臺階的齒，齒可以和臺階嚙合。前爬升輪為可伸縮的齒形爬升輪。伸縮臂可以調(diào)節(jié)，以達到調(diào)節(jié)前后輪間距的目的。齒形輪可以和臺階嚙合。通過該機械系統(tǒng)可以使輪椅沿臺階向上爬升。

[關(guān)鍵詞]爬樓輪椅;微型控制單元;健康監(jiān)測;爬升機械系統(tǒng)

[中圖分類號]U665.2 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–00–02

Research on Innovative Tire Structure of Stair-climbing

Wheelchair Based on Arduino Control System

Wang Cheng-zhe，Liao Yi-jie，Zhou Yan-miao，Zhang Zhi-heng，Zhang Xun

[Abstract]The development of the portability and reliability of wheelchairs can improve the quality of life of the elderly and the disabled. This paper studies and designs an intelligent stair-climbing wheelchair. The intelligent driving function is designed and implemented based on the Arduino miniature control unit， ultrasonic sensor， infrared sensor， ball switch， manual switch， motor， buzzer and other sensors and actuators. The intelligent health monitoring system is designed and implemented based on 51 single-chip microcomputers， heart rate sensors， blood pressure sensors， and display screens. This paper also designs and studies a wheelchair climbing mechanical system. The system includes a rear wheel with a climbing function and a front climbing wheel. The rear wheel operates through a mechanism， and a circle of teeth for climbing steps can be extended from the outer circle of the wheel， and the teeth can mesh with the steps. The front climbing wheel is a retractable toothed climbing wheel. The telescopic arm can be adjusted to achieve the purpose of adjusting the distance between the front and rear wheels. The toothed wheel can mesh with the step. Through this mechanical system， the wheelchair can climb up the steps.

[Keywords]stairs-climbing wheelchair; miniature control unit; health monitoring; climbing mechanical system

為了提高逐漸增加的老齡化人口和殘障人士的生活質(zhì)量，輪椅的智能化和爬樓功能尤為重要。國內(nèi)外學(xué)者和工程師對輪椅的智能化進行了大量研究[1]。上海健康醫(yī)學(xué)院護理與健康管理學(xué)院的肖蕊等人[2]在輪椅上加裝語音操作系統(tǒng)和導(dǎo)航定位系統(tǒng)。Nath Sudarshan等人[3]也進行了語音控制智能輪椅的研究與設(shè)計。Pathan Shadman Mahmood Khan等人[4]研究了通過頭部動作進行控制的智能輪椅系統(tǒng)。南京郵電大學(xué)的劉志超[5]研究了腦電信號和頭部姿態(tài)對智能輪椅的混合控制方法。單芯片微型計算機是智能輪椅的控制核心。廣東省機械技師學(xué)院的盧茹[6]進行了基于ATxmega64單片機的電動輪椅控制系統(tǒng)的設(shè)計，硬件設(shè)計包括電源模塊、顯示模塊、操控模塊和動力模塊，軟件設(shè)計包括運動控制程序、按鍵及搖桿程序和現(xiàn)實程序。山東管理學(xué)院智能工程學(xué)院的Chen Qinghua等人[7]基于STM32單片機進行了輪椅智能化的研究與設(shè)計。華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院的陳毅博[8]基于STC89C52單片機進行了多地形智能輪椅的研究與設(shè)計。

為了實現(xiàn)輪椅的爬樓功能，大量學(xué)者對輪椅的運動機構(gòu)進行了設(shè)計和研究。浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院的祝志芳等人[9]提出了一種直線型連桿爬升機構(gòu)，并通過Solidworks軟件對機構(gòu)的運動進行了模擬，爬升機構(gòu)的整體運動軌跡近似直線。華北理工大學(xué)機械工程學(xué)院的蔡敬宇等人[10]設(shè)計了一種輪–履帶復(fù)合式的爬樓輪椅，采用前后雙履帶，并通過ADAMS軟件對輪椅質(zhì)心的速度和加速度進行了運動分析。鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機械與交通工程系的劉榮娥等人設(shè)計了一種具有行星輪機構(gòu)的輪椅，具有爬樓、減震、座椅調(diào)平、起落架調(diào)距和座椅升降功能，并通過Solidworks中的Motion模塊對輪椅的運動進行了仿真。內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與機電學(xué)院蘇和平等人設(shè)計了一種雙聯(lián)行星輪機構(gòu)爬樓輪椅。

通過學(xué)者以往的研究發(fā)現(xiàn)，輪椅的智能化對于輪椅的多功能和安全性能尤為重要。對于輪椅的爬樓功能，主要通過連桿機構(gòu)、履帶機構(gòu)或行星輪機構(gòu)實現(xiàn)。很少有學(xué)者對輪椅輪子的結(jié)構(gòu)和形式進行創(chuàng)新型研究。本文設(shè)計的智能化輪椅具有智能避障、警報和健康檢測功能。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種具有可伸縮齒形機構(gòu)的后輪與攀爬齒型機械臂，來實現(xiàn)輪椅的爬樓功能。

1 智能系統(tǒng)

本文中的智能輪椅是基于Arduino單芯片微控制器來實現(xiàn)的。Arduino以AtmelAVR單片機為核心，采用了開放源代碼的軟硬件平臺。智能化系統(tǒng)電路如圖1所示。

2 總控系統(tǒng)

總控是通過HC-05藍牙模塊與Arduino主板配合形成的系統(tǒng)，可以通過應(yīng)用軟件控制輪子的運動速度和方向，從而控制輪椅的運動狀態(tài)（左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、直行），從而保證輪椅順暢安全地行駛。還可通過控制變形爬升輪的形態(tài)實現(xiàn)輪椅常規(guī)使用模式和爬樓模式的切換?？偪叵到y(tǒng)控制邏輯如圖2所示。

3 爬樓機構(gòu)設(shè)計

3.1 整體機構(gòu)設(shè)計

整體化設(shè)計如圖3所示。

（1）后輪驅(qū)動系統(tǒng)：后輪采用分離電機驅(qū)動，通過程序控制兩電機的轉(zhuǎn)速，進而形成差速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。

（2）后輪爬樓系統(tǒng)：后輪采用電機帶動的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)爬升齒的伸縮，在爬樓時，通過電機帶動，將爬樓齒伸出，與樓梯形成嚙合機構(gòu)，進而實現(xiàn)爬樓：在正常行進過程中爬樓齒處于收回狀態(tài)，以確保正常行進。

3.2 后輪機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本產(chǎn)品后輪采用可伸縮齒形結(jié)構(gòu)?？缮炜s齒形結(jié)構(gòu)的齒的伸縮由使用者通過按鍵或手機應(yīng)用軟件來控制。輪體內(nèi)部通過連桿滑塊機構(gòu)實現(xiàn)齒的伸縮。如圖4所示，臂（2）與齒（3）相對固定，臂（2）與輪（1）之間由轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié)，軌道（5）用于保證齒

（3）運動順滑。

當需要爬升臺階時，如圖4（a）所示，由使用者通過控制輪體內(nèi)部電機轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動輪（1）逆時針轉(zhuǎn)動，將齒（3）順滑動軌道（5）推出，使輪體變形成具有10個齒的齒輪，齒輪可通過嚙合臺階進行爬升。爬升結(jié)束后，在平坦路面正常運行時，如圖4（b）所示，使用者控制輪體內(nèi)中間驅(qū)動輪（1）順時針旋轉(zhuǎn)，臂（2）將10個齒（3）順導(dǎo)軌縮入輪體內(nèi)部，使齒（3）的弧形斷面與輪體外圓面重合，保證后輪能夠在平坦地面平穩(wěn)行駛。

4 結(jié)語

本文通過以單芯片微型計算機為基礎(chǔ)設(shè)計輪椅的智能控制系統(tǒng)，使輪椅實現(xiàn)了自動避障、求救警報、健康監(jiān)測等功能。通過利用連桿滑塊機構(gòu)設(shè)計使輪椅后輪具有可伸縮臺階嚙合齒，加上可伸縮前臺階嚙合齒輪以及可伸縮車架，實現(xiàn)爬升臺階的功能。智能化控制系統(tǒng)與臺階爬升機構(gòu)設(shè)計結(jié)合，設(shè)計出了用于行動不便的老年人與殘障人士的智能化爬樓輪椅。

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