一種智能化多路況護(hù)理裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

何 慶，楊 俊，于慶龍

(江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

1 研究現(xiàn)狀

護(hù)理裝置(尤其是輪椅類)已成為行動(dòng)不便的高齡群體、殘障人士等不可缺少的代步工具之一，但傳統(tǒng)輪椅不能解決復(fù)雜地形順暢通過(guò)等難題，尤其是崎嶇道路或階梯段則需要在他人的幫助下才能順利通過(guò)，并且傳統(tǒng)的機(jī)型及人機(jī)互動(dòng)模式等方面也不夠理想。

目前市面上已有的自動(dòng)可攀爬輪椅一般有兩種類型：一是后置折疊履帶式電動(dòng)輪椅,實(shí)現(xiàn)了上樓梯的攀爬,平地行駛時(shí)將履帶向靠背折疊，依靠滾輪行走，靈活小巧。但是,此類裝置在攀爬時(shí)使用者背靠樓梯，需有人從旁輔助牽引。二是下置伸縮頂桿式電動(dòng)輪椅，滾輪下方頂桿通過(guò)前后擺動(dòng)和上下伸縮的配合實(shí)現(xiàn)階梯攀爬，可單人操控，但運(yùn)行緩慢，可適用樓梯類型較少。

目前德國(guó)烏爾姆大學(xué)在專用于商業(yè)輪椅設(shè)備的基礎(chǔ)上，又研發(fā)了輪椅式的機(jī)器人[1],此類型的機(jī)器人可以在大批客流的公共場(chǎng)合中,能夠通過(guò)自動(dòng)識(shí)別和分析檢測(cè)出前、后方是否存在被路人攔截，還能夠及時(shí)地警醒被阻擋的車(chē)輛和行人。對(duì)于智能輪椅方面的研究我國(guó)雖然起步較晚，且在其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)良性方面與國(guó)外產(chǎn)品相比仍然存在著一定的差距,但也有依靠自身技術(shù)特點(diǎn)而研發(fā)試制出新產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，如中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所自主設(shè)計(jì)研發(fā)的一種多模態(tài)、智能型護(hù)理輪椅,它既具有視覺(jué)和語(yǔ)音導(dǎo)航兩大優(yōu)勢(shì),也可以進(jìn)行人機(jī)交互[2]；上海交通大學(xué)成功地為患有全身癱瘓的殘疾病人設(shè)計(jì)了具有聲吶系統(tǒng)、紅外線感應(yīng)、攝像頭等多種傳感器、不同運(yùn)轉(zhuǎn)工作模式的智能輪椅。但目前國(guó)內(nèi)多數(shù)的智能護(hù)理裝置仍然處于試制階段,并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，所以仍有大量的研究工作需要去做。

2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

在以上分析的基礎(chǔ)上，我們創(chuàng)新設(shè)計(jì)了智能化多路況護(hù)理裝置外形圖，如圖1所示。

圖1 智能化多路況護(hù)理裝置外形圖

2.1 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本智能化多路況護(hù)理裝置的行走機(jī)構(gòu)如圖2所示。采用三角形的履帶型機(jī)構(gòu)，是用1個(gè)驅(qū)動(dòng)輪與2個(gè)從動(dòng)輪所構(gòu)造的輪系機(jī)構(gòu)固定到支撐架上,驅(qū)動(dòng)車(chē)輪帶動(dòng)裝置的整體運(yùn)動(dòng)。針對(duì)前置從動(dòng)輪及后置從動(dòng)輪輪徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),提高了接觸角，實(shí)現(xiàn)對(duì)大傾斜角地況的適用性。三角形的履帶型機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上結(jié)合了傳統(tǒng)的輪式和履帶型的特征，運(yùn)動(dòng)較為靈活，同時(shí)履帶相對(duì)于輪式的吸附、履帶之間的接觸范圍更大，吸附力也更大，負(fù)載能力強(qiáng)，且三角形結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定堅(jiān)固。在進(jìn)行越障情況下,普通輪式的牽引力并沒(méi)有完全克服土壤的阻力來(lái)帶動(dòng)該裝置向前行駛，在相同的條件下，三角形履帶型相比于輪式具有較大的牽引傳動(dòng)系數(shù)及較高的牽引效率，所以經(jīng)過(guò)改進(jìn)的新型裝置在特定區(qū)域(如積雪、泥濘、崎嶇等路段)具備較好的越障優(yōu)勢(shì)。

1.前置從動(dòng)輪；2.連接支架；3.驅(qū)動(dòng)輪；4.后置從動(dòng)輪；5.三角履帶 圖2 三角履帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主動(dòng)輪與前置從動(dòng)輪進(jìn)行交錯(cuò)設(shè)計(jì),同時(shí)保留一定的緩震行程，減少履帶輪高度從而降低輪椅重心，提高其穩(wěn)定性。普通輪椅與地面之間為一定線性的縱向接觸,有的甚至還要同時(shí)做到非定點(diǎn)性的橫向接觸,而三角形的履帶輪由于兩個(gè)履帶將完全接觸并碰到一個(gè)濕滑緩沖，在履帶引導(dǎo)輪再次穿越濕滑路障時(shí),履帶完全緊緊地附著于濕滑路障上,使得這個(gè)濕滑路障就可以轉(zhuǎn)化而成為原先正常行駛和濕滑路面的組成部分，再一次有效地減小了對(duì)道路沖擊的抑制效果，達(dá)到較好的減速和消除減震阻力的目的；同時(shí)這在該裝置中即使遇到交通路障等也未必會(huì)使其產(chǎn)生較大的顛簸，使乘坐人獲得良好的舒適感。

2.1.1 驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)輪主要用于承受利用重力等支撐驅(qū)動(dòng)輪架在軸和前軸之間運(yùn)動(dòng)形成的縱向三角形結(jié)構(gòu)時(shí)的支撐力，同時(shí)還要承受支撐履帶的縱向阻力和支撐后軸輪架對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的橫向推進(jìn)力，如圖3所示。主動(dòng)輪和承載履帶與在每個(gè)主動(dòng)輪上的各個(gè)承載物以及履帶一起需要受到承載物的力和履帶張力，進(jìn)行水平分解,將每個(gè)承載物的履帶受力按照履帶水平轉(zhuǎn)動(dòng)方向和履帶橫向或豎直的轉(zhuǎn)動(dòng)方向分別進(jìn)行分解計(jì)算，根據(jù)牛頓-歐拉公式[3]，可以計(jì)算得到對(duì)主動(dòng)輪的力和承載物履帶受力求解分析的力學(xué)關(guān)系式：

式中：Fa1、Fa2為撐輪架產(chǎn)生的支持力；αa1、αa2為撐輪架作用力與中心線的夾角；Tf、Tb為前進(jìn)方向和后面履帶產(chǎn)生的張緊力；αf、αb為張緊力與中心線的夾角；m1為主動(dòng)輪和其上履帶的質(zhì)量；B為履帶的厚度；r1為主動(dòng)輪的半徑；M為驅(qū)動(dòng)力矩；J1為主動(dòng)輪及輪上履帶的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

圖3 驅(qū)動(dòng)輪受力分析

2.1.2 電機(jī)功率確定

在進(jìn)行護(hù)理裝置輪椅的功能設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到崎嶇路面不平整和復(fù)雜的特殊陡坡地形,將電動(dòng)輪椅功率折算為一種具有快速爬坡的運(yùn)動(dòng)能力模式來(lái)用于計(jì)算車(chē)輪動(dòng)力機(jī)構(gòu)的最大功率。在正常情況下，輪椅按照額定車(chē)輪轉(zhuǎn)速10km/h時(shí)來(lái)進(jìn)行功率計(jì)算：

Ft=Gsinα+μmFn=mg(sinα+cosα)

(2)

(3)

式中：P為輪椅的最大行駛功率；G為設(shè)備傳動(dòng)裝置和額定承載裝置重量的一個(gè)總體承載重力；m為設(shè)備傳動(dòng)裝置和額定傳動(dòng)負(fù)荷承載重量的總承載質(zhì)量,可取150kg；g為一個(gè)總體重力的額定加速度；V為裝置行駛的速度；μm為其在運(yùn)行時(shí)的傳動(dòng)阻力系數(shù),一般取0.18；η為；傳動(dòng)效率,一般取0.9；α為其在斜面上的傾角,可取10°。

由公式(2)、(3)，可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)功率參數(shù)為：2.88kW,在考慮其他因素后確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為：3kW。

2.2 主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主控制器采用的是單片機(jī)，ARM內(nèi)核擁有高速的運(yùn)算能力及豐富的串口及控制功能,方便外接各類模塊,還可存儲(chǔ)系統(tǒng)的一些參數(shù),包括GPS定位經(jīng)緯度、心率數(shù)據(jù)、云端下發(fā)命令數(shù)據(jù)等。其主控系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 主控系統(tǒng)框圖

2.2.1 GPS模塊

GPS模塊是一個(gè)帶有高性能和高精度的定位功能模塊，其體積小，便于安裝,同時(shí)具有極好的性能，定位精度能夠達(dá)到8m。該模塊能夠通過(guò)串口通訊對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，包括數(shù)據(jù)刷新間隔、獲取的數(shù)據(jù)種類、獲取的數(shù)據(jù)來(lái)源等。在獲取數(shù)據(jù)后,該模塊能夠?qū)⑿畔⒈４嬖趦?nèi)部的FLASH中,可以做到隨時(shí)取用。該模塊帶IPX口,能夠方便地進(jìn)行通訊，工作電壓為3.3V/5V，能夠方便地連接單片機(jī)進(jìn)行供電。

2.2.2 避障設(shè)計(jì)

可以進(jìn)行測(cè)距的傳感器有多種，例如紅外傳感器,超聲波傳感器等。紅外傳感器主要目的就是通過(guò)利用光線進(jìn)行反射的原理，對(duì)于透明的障礙物就可能有一定的影響。紅外傳感器,因其價(jià)格和成本都比較低，抵抗干擾性和防御能力方面卻不如超聲波的好。超聲波測(cè)距的工作原理是：當(dāng)超聲波模塊中產(chǎn)生超聲波后,單片機(jī)的計(jì)時(shí)器就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行計(jì)時(shí)[4]。超聲波在遇到障礙物時(shí)就會(huì)被反射,超聲波模塊在單片機(jī)中接收到一個(gè)反射波之后,就會(huì)自動(dòng)停止計(jì)時(shí)。根據(jù)收發(fā)超聲波所造成的時(shí)間誤差,便可以準(zhǔn)確地計(jì)算得出超聲波模塊和障礙物之間的距離。因此，超聲波測(cè)距受環(huán)境影響較小，使用場(chǎng)所也較廣泛，價(jià)格合理，故在本裝置中選擇使用超聲波進(jìn)行避障。

2.3 液壓抬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓抬升機(jī)構(gòu)的工作原理，如圖5所示。伸縮式套筒油缸3與底架1采用銷軸2聯(lián)接，套筒油缸3從油箱5中吸取液壓油至無(wú)桿腔，伸縮式套筒油缸3的活塞右端與護(hù)理裝置底座的鉸支座相連接,當(dāng)無(wú)桿腔開(kāi)始進(jìn)油時(shí)，套筒油缸3的活塞開(kāi)始對(duì)護(hù)理裝置底座施加推力，使護(hù)理裝置底座4向前傾斜，使其在爬樓、上坡時(shí)始終保持座椅位置水平；當(dāng)爬樓、上坡結(jié)束時(shí)，套筒油缸3無(wú)桿腔的液壓油緩慢回到油箱，活塞對(duì)護(hù)理裝置4的底座推力逐漸減少直至底座回到與底架1的同一水平面。由于套筒油缸3右側(cè)無(wú)支撐架，當(dāng)沒(méi)有液壓油進(jìn)入無(wú)桿腔，無(wú)推力時(shí)，其也將因?yàn)橹亓σ蛩鼗氐降准?的同一水平面上。

1.底架；2.銷軸；3.套筒油缸；4.護(hù)理裝置底座；5.油箱圖5 液壓抬升機(jī)構(gòu)工作原理圖

液壓抬升機(jī)構(gòu)后置于輪椅底座下部，在上、下坡及階梯環(huán)境時(shí)，起到將座椅角度穩(wěn)定至水平的作用，使用者以一種舒適安全的姿態(tài)進(jìn)行爬坡行駛。結(jié)合翻轉(zhuǎn)氣缸，上下階梯時(shí)座椅始終保持水平，提高了本護(hù)理裝置的安全性和舒適性。避免使用者因全身重力集中而造成安全事故，保持輪椅裝置的重心穩(wěn)定，減少使用者的不適感，同時(shí)也提高了裝置的可靠性。

2.4 性能特點(diǎn)

本智能化多路況護(hù)理裝置的創(chuàng)新點(diǎn)可歸納為：

(1)越障能力強(qiáng)。采用履帶進(jìn)行越障式行走，越障式履帶的各個(gè)結(jié)構(gòu)組件采用了不銹橡膠材質(zhì)履帶，與普通不銹鋼式橡膠履帶行走相比，其履帶承載力強(qiáng)[5]，操作舒適性高，噪聲低，緩沖性好。

(2)行走平順性好。主動(dòng)輪支架與從動(dòng)輪軸之間分別設(shè)置了減震器，爬行階梯時(shí)對(duì)于履帶產(chǎn)生阻力，這使得減震器承受壓應(yīng)力[6]，提高了本裝置在行走時(shí)的安全感。

(3)人機(jī)交互性好。設(shè)置觸摸屏輔助操控，簡(jiǎn)化人機(jī)交互難度，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音觸摸操控和夜間自動(dòng)照明，多傳感器信息融合，大大提高了該裝置的安全系數(shù)。

(4)智能化護(hù)理。結(jié)合護(hù)理設(shè)備的語(yǔ)音識(shí)別、動(dòng)態(tài)避障、多種傳感器的信息交換與融合、實(shí)時(shí)裝置自適應(yīng)引擎導(dǎo)航監(jiān)測(cè)和控制；輪椅的扶手上設(shè)置了觸摸屏，以便可支持5G、藍(lán)牙等通訊，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)一鍵報(bào)警等新功能，同時(shí)也能輔助進(jìn)行車(chē)載人員的心率檢測(cè)、體溫檢測(cè)等功能的集成，做到智能化護(hù)理。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)人口步入老齡化階段的加快，智能化的輪椅類設(shè)備已成為行動(dòng)不便的群體等不可缺少的代步工具，如智能化多路況護(hù)理裝置作為此類人群的人機(jī)交互的護(hù)理裝置之一，可幫助解決該類人群不便出門(mén)活動(dòng)的窘境，讓行動(dòng)不便的老人們真正實(shí)現(xiàn)想到哪，就能利用本裝置“走”到哪的愿望，實(shí)現(xiàn)多路況的平穩(wěn)運(yùn)行。采用電池提供動(dòng)力，既節(jié)能又環(huán)保，因此，智能化多路況護(hù)理裝置將有廣闊的發(fā)展前景。