電動輪椅減震、智能變速及自動避障設(shè)計

張澤江 柳青 譚想 王凱

摘? 要：一方面，人口老齡化問題是當(dāng)今社會一大問題，另一方面，因為各種事故而導(dǎo)致下肢殘疾人數(shù)成千上萬，他們喪失了行走能力，生活極為不便。為了給老齡人以及殘障人士提供結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、操作簡單的人性化代步工具，本文設(shè)計了一款新型電動輪椅，該產(chǎn)品具有省力、減震、智能變速及自動避障功能，極大的改善了這類人群的生活方式。

關(guān)鍵詞：電動輪椅 減震 智能變速 自動避障

1.緒論

1.1研究背景

隨著社會發(fā)展，人口數(shù)量增長速度變慢，中國正處于人口老年化社會迅速發(fā)展的階段，另外我國殘障人士也越來越多。老年人和殘障人士的出行和生活面臨著很大的困難。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國家醫(yī)療保健系統(tǒng)發(fā)展健全，人們對殘障人士和老年人的關(guān)心也是與日俱增，老年人出行也逐漸成為一個需要關(guān)注的問題。

1.2產(chǎn)品現(xiàn)狀

當(dāng)前市面上輪椅種類也是各種各樣，但是并不能滿足所有老年人及殘障人士的需求。隨著科技不斷發(fā)展、智能化不斷普及，需要輪椅的智能化來幫助老年及殘障人士來完成一系列需求。

中科院自動化研究所研究的智能輪椅是我國第一輛多功能智能輪椅，該輪椅采用嵌入式控制技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)和語音導(dǎo)航技術(shù)，使用戶能夠簡便控制，為后續(xù)的輪椅研究方向提供了思路。

上海交通大學(xué)關(guān)于智能輪椅研發(fā)也取得了很大的成果。采用攝像頭和激光雷達(dá)測距傳感器采集輪椅周圍環(huán)境信息，使輪椅有定位、導(dǎo)航、避障功能;通過觸摸顯示屏與用戶進(jìn)行人機(jī)交互，方便用戶的指令下達(dá)。

本設(shè)計主要通過施加動力、減震機(jī)構(gòu)、自動避障設(shè)計等對輪椅進(jìn)行改造。

2.設(shè)計方案

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計以常見輪椅作為基礎(chǔ)框架，大眾熟悉的結(jié)構(gòu)能使老年殘障人士更快的熟悉機(jī)械結(jié)構(gòu)及各項功能的實現(xiàn)。

2.1.1動力部分設(shè)計

坐墊下部，為輪椅增加動力裝置—蓄電池，選擇的蓄電池體型較小，并且具有充足能源和強(qiáng)力續(xù)航能力。

2.1.2減震部分設(shè)計

首先在后輪中增加阻尼減震器，可以大大增加輪椅越野能力，適應(yīng)各種路況的。

輪椅前輪設(shè)計原理：采用高強(qiáng)度耐磨樹脂進(jìn)行分葉片式設(shè)計，每個葉片單獨內(nèi)置彈簧，所有葉片安裝后組合成一個圓型輪，在運行過程中各個葉片進(jìn)行單獨伸縮來適應(yīng)各種路況從而使輪椅運行平穩(wěn)，做到對各種路況的自適應(yīng)模式。

前輪結(jié)構(gòu)如圖1，內(nèi)輪6分成16個區(qū)，每個區(qū)可以安裝一個彈簧，在內(nèi)輪的內(nèi)圈中設(shè)計了16個高度和深度都是1毫米的凸起和凹陷，方便固定內(nèi)輪同時鎖住彈簧，使彈簧只能做伸長或收縮運動。

外輪7由16個葉片組成，葉片與葉片徑向之間留有縫隙，是為了能讓這16個部分能有較大的運動空間。在每個葉片中間各開一個方槽，通過這個方槽實現(xiàn)內(nèi)輪與外輪的連接并且使外輪的運動軌跡固定。

卡件2的凸起與外輪內(nèi)圈方槽咬合，從而可以使外輪維持圓形，卡件可以帶動外輪旋轉(zhuǎn)，同時外輪可以沿徑向在彈簧作用下移動。

2.2智能變速及自動避障設(shè)計

智能電動輪椅采用了壓力傳感器，通過計算，將避震器彈簧的壓縮量與傳感器上的壓力大小相對應(yīng)。在實踐中測出電動輪椅正常行駛且路況良好時的壓力值作為標(biāo)準(zhǔn)壓力值。在電動輪椅行駛過程中，通過壓力傳感器將避震器的壓縮量實時反饋給控制系統(tǒng)，與標(biāo)準(zhǔn)壓力值做比較。將實時反饋量與標(biāo)準(zhǔn)壓力值之間的誤差，因檢測過程中可能會出現(xiàn)干擾，致使壓力傳感器傳回的數(shù)據(jù)包含噪音，所以在控制系統(tǒng)中加入了卡爾曼濾波利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計，采集穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。經(jīng)過卡爾曼濾波器后得到的結(jié)果記作誤差，若誤差在給定周期內(nèi)僅在無限趨近的附近輕微波動，則視當(dāng)前路況良好，電機(jī)穩(wěn)定輸出;當(dāng)檢測到誤差的值在給定的周期內(nèi)波動劇烈時，則視當(dāng)前路況不佳，此時，使用PID控制算法在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象──“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。

電機(jī)端的反電動勢作為速度環(huán)的反饋信號采集，反饋值在單片機(jī)中做 PID 計算，根據(jù)計算結(jié)果，調(diào)整PWM的輸出波形，輸出當(dāng)前指令速度的 PWM信號，使電機(jī)始終處于當(dāng)前控制指令中的速度。在控制電機(jī)加減速的過程中，需要注意加減速曲線的平滑，否則會造成電機(jī)的控制不平穩(wěn)，甚至造成設(shè)備的損壞。如果加減速曲線調(diào)節(jié)的足夠光滑，電機(jī)速度的變化會非常穩(wěn)定，不會使設(shè)備或者其他電機(jī)驅(qū)動的裝置發(fā)生震顫。

PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活，將傳感器上的壓力值作為輸入量，標(biāo)準(zhǔn)壓力值作為目標(biāo)量，將計算結(jié)果用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時設(shè)置PID計算的輸出限幅，限制了電動輪椅的最大速度解決誤操作問題，做到降低輪椅速度的同時，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨路況而改變，由此，即保障的使用者的安全，有提高了輪椅的舒適性。

輪椅采用了激光雷達(dá)避障系統(tǒng)，可以掃描輪椅周圍的障礙物，通過算法計算輪椅與障礙物的距離，給出合理避障方案，還會語音提示，并在駕駛者誤操作距離障礙物30cm處緊急制停。

3.結(jié)束語

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)，本文通過對輪椅設(shè)計改造，實現(xiàn)了省力、減震、智能變速及自動避障功能，方便了使用者。

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項目來源：2021年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，編號202110148014

通訊作者：柳青，女，講師，碩士，從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計

第一作者：張澤江，男，本科生