多路況下防摔倒智能輪椅的研究與設(shè)計(jì)

（華北理工大學(xué)，河北唐山市，063210）杜璟慧 邊俊霞 姜娜 王明華 董琬琦 楊曼

隨著中國(guó)逐漸進(jìn)入老齡化社會(huì)，最新人口普查結(jié)果顯示中國(guó)60歲以上的人口已經(jīng)達(dá)到2.64億且中國(guó)肢體殘疾人口達(dá)到了8 500萬(wàn)。設(shè)計(jì)一款針對(duì)多路況的智能化防摔倒輪椅，包括面對(duì)崎嶇道路與潮濕道路的安全防護(hù)響應(yīng)以及高速運(yùn)行的安全保障已經(jīng)成為當(dāng)前的主要任務(wù)之一。該輪椅的設(shè)計(jì)能夠有效保障老年人、殘疾患者等弱勢(shì)群體在復(fù)雜路況下的行駛安全，對(duì)促進(jìn)市場(chǎng)發(fā)展以及醫(yī)療輔助具有及其重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

1 輪椅設(shè)計(jì)

1.1 輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)用Pro.E三維建模軟件所設(shè)計(jì)的防摔倒型智能輪椅示意圖如圖1所示。該輪椅包含以下組成部分：（1）整體式加強(qiáng)車(chē)架；（2）左右分體式電池；（3）后輪雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)；(4)腳踏；(5)超聲波測(cè)距傳感器；(6)濕度傳感器；(7)速度傳感器；(8)制動(dòng)裝置；(9)自動(dòng)升降式履帶；(10)安全氣囊；(11)顯示屏；(12)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與傳輸集成盒（condition monitoring and transmission，CMT）。

圖1 整體示意圖

由于需要根據(jù)輪椅座椅前后與地面距離的差值來(lái)判斷輪椅是否有摔倒風(fēng)險(xiǎn)，此處采用兩個(gè)超聲波測(cè)距傳感器，分別安裝于座椅下方的前后。為了可以更好地監(jiān)測(cè)輪椅的行駛速度和地面的濕度，速度傳感器與濕度傳感器均安裝于輪轂上，制動(dòng)裝置安裝與后輪輪轂處。考慮到摔倒時(shí)為了更好地保護(hù)使用者，在輪椅的兩側(cè)均安裝了安全氣囊。

以上零部件以及傳感器的設(shè)置為后續(xù)實(shí)現(xiàn)路況識(shí)別以及安全保障做鋪墊，具體實(shí)現(xiàn)方式參考第三部分。

1.2 輪椅的功能模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)行動(dòng)不便的老年人、殘疾患者等弱勢(shì)群體，為保證此類(lèi)群體的安全出行設(shè)計(jì)的輪椅。該輪椅具有針對(duì)不同路況下的摔倒?fàn)顟B(tài)識(shí)別與傳輸、摔倒預(yù)警和校正，以及摔倒保護(hù)功能。為了讓使用者在生活上獲得幸福感和滿(mǎn)足感。根據(jù)以上需求初步確定了多功能輪椅的總體設(shè)計(jì)方案，主要分為制動(dòng)裝置，自動(dòng)升降式履帶，安全氣囊3個(gè)部分，以下將針對(duì)各部分進(jìn)行詳細(xì)描述。

1.2.1 制動(dòng)裝置

制動(dòng)裝置由剎車(chē)碟片和剎車(chē)器組成如圖2，用于及時(shí)制動(dòng)。制動(dòng)裝置主要是為了使輪椅在行駛過(guò)程中減速或在最短的距離內(nèi)停止[4]。

圖2 制動(dòng)裝置

以下是本輪椅制動(dòng)裝置的啟動(dòng)原理：在高速行駛時(shí)，將輪椅的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，經(jīng)放大整形之后送入單片機(jī)[5]，CMT會(huì)依據(jù)速度傳感器傳輸?shù)乃俣葦?shù)據(jù)進(jìn)行判定，當(dāng)速度超出第一閾值時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)并提示乘坐者降低速度，當(dāng)速度超過(guò)第二閾值時(shí)，加速電機(jī)停止工作，安裝于輪轂的緩慢制動(dòng)裝置開(kāi)始工作，直到速度為0停止工作。

在路面上行駛時(shí)，當(dāng)路面濕度和崎嶇程度超過(guò)閾值時(shí)，安裝在橫梁上的履帶輪會(huì)自行下降，增大輪椅于地面的接觸面積與摩擦力，從而防止輪椅打滑和顛簸，降低輪椅側(cè)翻的可能性。

1.2.2 安全氣囊

安裝于輪椅前方擋板與靠背處，用于保護(hù)輪椅摔倒?fàn)顟B(tài)下的乘坐人。

在使用者摔倒時(shí)，安全氣囊在乘員的周?chē)纬蓮椥詺鈮|，及時(shí)吸收沖擊能量，從而有效地保護(hù)使用者的安全，使之免于傷害或減輕傷害程度。

2 案例說(shuō)明

2.1 崎嶇道路

座椅前后的超聲波測(cè)距傳感器會(huì)測(cè)量出座椅前后離地面的距離（Distance between wheelchair and ground，DWG）前端DWG減去后端DWG的值為DWGS。當(dāng)在崎嶇道路上行駛時(shí)，超聲波測(cè)距傳感器測(cè)出數(shù)據(jù)后，會(huì)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺MT。CMT會(huì)根據(jù)前后兩個(gè)DWG的值來(lái)判定道路的崎嶇程度，并做出相應(yīng)的響應(yīng):

當(dāng)DWGS為正，且只有一個(gè)DWG值超出第一閾值時(shí)，CMT通過(guò)分析判斷輪椅進(jìn)入向后準(zhǔn)摔倒?fàn)顟B(tài)，此時(shí)，CMT發(fā)出指令，單片機(jī)輸出的為低電平，蜂鳴器開(kāi)始工作發(fā)出持續(xù)警報(bào)聲，提醒使用者及路人輪椅有摔倒的危險(xiǎn)；同時(shí)安裝于座椅后方自動(dòng)彈出裝置開(kāi)始工作，電磁閥上的彈簧帶動(dòng)電磁閥向下轉(zhuǎn)動(dòng)推出，推桿的另一端塞到卡扣的下側(cè)，向上帶動(dòng)卡扣旋轉(zhuǎn)打開(kāi)，支架迅速?gòu)棾觯馆喴闻c地面形成支撐，從而防止摔倒。此狀態(tài)下防摔倒流程如圖3所示。

圖3 向后準(zhǔn)摔倒?fàn)顟B(tài)下防摔倒流程圖

當(dāng)DWGS為負(fù)，且只有一個(gè)DWG值超出第一閾值時(shí)，CMT通過(guò)分析判斷輪椅進(jìn)入向前準(zhǔn)摔倒?fàn)顟B(tài)，此時(shí)，CMT發(fā)出指令，輪胎制動(dòng)裝置開(kāi)始工作，與車(chē)身相連的非旋轉(zhuǎn)元件與車(chē)輪相連的旋轉(zhuǎn)元件相互摩擦來(lái)阻止車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)齒輪來(lái)帶動(dòng)升降軸工作，使位于座椅下方的履帶輪慢慢下降，使輪椅整體的重心下降，避免摔倒。此狀態(tài)下防摔倒流程如圖4所示。

圖4 向前準(zhǔn)摔倒?fàn)顟B(tài)下防摔倒流程圖

當(dāng)兩個(gè)DWG均超出第一閾值時(shí)，CMT通過(guò)分析判斷輪椅進(jìn)入側(cè)翻準(zhǔn)摔倒?fàn)顟B(tài)，此時(shí)，CMT根據(jù)分析結(jié)果得到座椅的傾斜方向，并向?qū)?cè)的履帶傳動(dòng)裝置發(fā)出脈沖信號(hào)，使對(duì)側(cè)履帶慢慢下降，對(duì)重心進(jìn)行調(diào)整，使輪椅恢復(fù)平衡狀態(tài)。此狀態(tài)下防摔倒流程如圖5所示。

圖5 側(cè)翻準(zhǔn)摔倒?fàn)顟B(tài)下防摔倒流程圖

CMT根據(jù)傳感器輸入的數(shù)據(jù)判斷摔倒風(fēng)險(xiǎn)解除后，再次發(fā)出指令，蜂鳴器停止工作，警報(bào)聲消失；卡扣回落，彈出裝置自動(dòng)收回；與車(chē)輪相連的旋轉(zhuǎn)元件回到原始位置，制動(dòng)解除；發(fā)出脈沖信號(hào)，齒輪反向運(yùn)轉(zhuǎn)，使升降軸上升，履帶向上收回，輪椅繼續(xù)正常行駛。

2.2 濕滑道路

安裝于輪轂上的濕度傳感器會(huì)監(jiān)測(cè)行駛路面的濕度值，輪椅在路面濕滑的道路上行駛時(shí)，CMT會(huì)依據(jù)濕度傳感器傳輸?shù)臐穸戎颠M(jìn)行路況判定，當(dāng)路面濕度超過(guò)閾值時(shí)，CMT發(fā)出指令，將信號(hào)傳輸?shù)铰膸У纳迪到y(tǒng)，使齒輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在座椅下的履帶輪會(huì)自行下降，增大輪椅與地面的接觸面積，同時(shí)增大與地面的摩擦力，從而減小輪椅對(duì)打滑的敏感性，降低摔倒的可能性。此狀態(tài)下工作流程如圖6所示。

圖6 濕滑路面時(shí)防摔倒流程圖

2.3 摔倒保護(hù)

當(dāng)輪椅在行駛過(guò)程中，CMT對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，DWG與DWGS只要有一個(gè)超出第二閾值時(shí)，CMT判斷輪椅將發(fā)生摔倒，向電子控制系統(tǒng)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)刺破氣瓶，使靠墊后方和擋板處的安全氣囊迅速充滿(mǎn)氣體并彈出，在摔倒瞬間打開(kāi)安全氣囊，保護(hù)使用者的安全。

3 結(jié)論

隨著中國(guó)的老齡化程度不斷加深，老齡化人群和殘疾人群等弱勢(shì)群體數(shù)量上升，對(duì)輪椅的智能化需求不斷上漲，加之在如今這個(gè)醫(yī)護(hù)人員緊張、智能生活迅速發(fā)展的大環(huán)境下，獨(dú)立使用輪椅生活已成為不可避免的趨勢(shì)。未來(lái)的工作將致力于低成本的多路況防摔倒智能輪椅的設(shè)計(jì)，讓所有老年人可以更加幸福生活。