论文部分内容阅读
摘要：随着社会发展，老年人和残疾人，尤其是一些丧失上肢运动能力的残疾人，愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和自由度，这也会促进轮椅逐步智能化的发展。针对上述问题，本文设计了一款履带式多功能助老轮椅，结构简单，组装方便，易拆卸，易清洗，并对其系统功能进行了简要的分析，对控制抓取模塊与电机驱动模块做出设计，对将来的市场发展带来一定的参考依据。
关键词：履带式轮椅;智能;设计
一、引言
在经济飞速发展的现代社会中，一方面，人口老龄化的速度不断加快，问题越来越严重。据相关调查显示全球大多数国家正迅速老龄化，2019年我国65岁以上的人口达到了约2.54亿（2018年约为2.49亿），预计到2050年老龄人口将超过4亿，占社会总人口的31%左右。另一方面，残疾人的数量也在大幅增加，值得注意的是，由于工伤和交通事故、体育运动伤和自然灾害等原因造成的肢体残障者的数量大幅上升。由此可见，我国的轮椅使用群体日趋庞大，为关心老年人、残疾人的生活，减轻医疗护理事业的压力，各式各样的助老、助残运动装置也应运而生。此外，据相关社会调查普遍反应：现有的手动轮椅缺乏上下楼梯和翻越障碍的实用效能，使用较为麻烦，很难进一步满足使用者日常生活和出行需要。而多功能轮椅作为先进的代步工具能进一步有效帮助老年人和行动障碍人士满足生活需求、改善生活质量，具有很大的实用性社会研究价值，我国对多功能轮椅的研究创新也尤为迫切。
二、国内外发展趋势
（一）国外研究情况
国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是1892年美国的Bray发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟。英国Baronmead公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为35°，上下楼梯速度为每分钟15-20个台阶。日本长崎大学更在普通单履带轮椅的基础上，研究了一种代号为“Sakadankun”的双履带式的爬楼梯装置，即左右两侧各有两组履带相互连接在-一起，解决了在水平状态与楼梯倾角切换时，座椅倾角过大而影响使用安全的问题。
（二）国内研究情况
我国对此类研究起步相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但在结构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定的差距，但也能根据自身特色研制出技术指标接近国外先进水平的轮椅。香港某科技公司推出了号称全球首款二段式履带驱动全自动爬梯电动轮椅B-Free Chair。总的来说，国内轮椅市场发展逐渐成熟，需更加注重人性化设计与合理性消费。
三、履带式多功能助老轮椅的设计与应用
（一）需求分析
随着人口增长，老龄化问题的严重发展。目前市场上出售的轮椅分为手动和电动两种，前者靠手摇或人力推行，对老年人来说用起来很不方便;后者以电机驱动，虽省力自主，但仍存在一些隐患。
（二）系统功能分析
1.采用了液压杆升降机构，该机构能够让使用者自行调节座椅高度，以适应不同的高度要求，达到合适的舒适度;
2.添加智能定位仪系统，可预防突发性走失情况，提高人身安全系数;
3.采用了履带式自动平衡机构，可通过单片机控制液压装置使平衡机构自动保持与地面平衡，作用相当于“天平”，且结构本身稳固性良好，使人不至于倾倒;
4.为了保证舒适度，座椅采用质地柔软且透气防尘的材料制成，便于清洁;座椅的靠背、坐垫，扶手等根据人性化需求都设计有一定的弧度，使其与人体相关部位相适应，保证使用者即使久坐也不会感到太累。另外靠背可前后调节，方便使用者上下床。
（三）履带式多功能助老轮椅的结构设计
履带式多功能助老轮椅能够凭借一定的人工智能，解决大部分残疾人的出行不便的问题，履带式多功能助老轮椅由底座移动履带、座椅、机械手、中轴、电源等基本构件组成，结构简单，组装方便，易拆卸，易清洗，日常不需要太多维护，大大降低了日常维护频率。
1.座椅装置
该履带式多功能助老轮椅使用结构相同的两个可伸缩调节的座椅系统，水平仪稳定系统，使轮椅在什么时候都可以稳定的保持水平状态，使驾驶者平稳运行。
2.履带装置
采用BT坦克的克里斯蒂悬挂履带悬挂设计，使履带在高速转弯以及低洼地段行驶依然具有很高的稳定性，这对于一款残疾人专用的轮椅是必不可少的。其次非常高的能量转达能力，使较低的电力依然具有大量的力，更加节约电力。
（四）履带式多功能助老轮椅控制系统硬件设计
助老轮椅控制系统硬件主要由单片机控制器、电源模块和电机驱动模块组成。
1.控制捉取模块
为了更加灵活方便，单个机械臂共采用4个舵机，使用STM32单片机产生的PWM信号进行控制。单片机通过硬件进行计数，受外界干扰少，工作可靠。通过控制4个舵机实现4个自由度机械手的捉取控制。相对于传统模拟舵机，反应变得更快，加速和减速时也更迅速更柔和，使得数字舵机提供更高的精度和更好的固定力。
2.电机驱动模块
考虑到履带行走装置、立体结构、各传感器模块、机器人整体重量、工作电压以及控制方式等因素。采用N20直流减速电机作为机器人的驱动电机，工作电压5V，额定转速66r/min，额定转矩为1Kg每厘米，以满足机器人整体的设计要求。
四、结语
根据国家提出的科技强国战略以来，我国科技研发能力得到了前所未有的发展，全方位得到了不断提升与突破。本设计提出了一款新型的履带式多功能轮椅，该轮椅结构简单，安全性能高，造价成本低，市场前景广阔，这将为广大的乘坐者和护理人员提供更加安全、舒适、便捷的使用体验。
参考文献
[1]曹鹏彬，赵建宇，汤旭青.履带轮椅机器人爬楼姿态控制的研究[J].武汉工程大学学报，2016（05）：484-489.
[2]贾永祥，陶卫军，井田等.新型轮-履复合电动轮椅设计与实现[J].机械传动，2015（12）：179-182.
[3]吴晓龙，覃忠，伍学明等.新型可爬梯式智能轮椅的研究和设计[J].中国医学装备，2015（06）：12-15.
[4]张建卓，刘佳.可上下楼梯轮椅机器人的现状研究概述[J].现代制造工程，2016（01）：44-48.
基金项目：北部湾大学高等教育本科教学改革项目：互联网+虚拟现实技术在工程实训教学中的研究与应用—以北部湾大学为例（项目编号：19JGYB27）;北部湾大学大学生创新创业训练计划资助项目（202011607154）。
作者简介：赵成龙（1992—），男，汉族，山东滨州人，学士，高级技师，助理实验师，研究方向：机械加工制造
（北部湾大学 广西 钦州 535011）
关键词：履带式轮椅;智能;设计
一、引言
在经济飞速发展的现代社会中，一方面，人口老龄化的速度不断加快，问题越来越严重。据相关调查显示全球大多数国家正迅速老龄化，2019年我国65岁以上的人口达到了约2.54亿（2018年约为2.49亿），预计到2050年老龄人口将超过4亿，占社会总人口的31%左右。另一方面，残疾人的数量也在大幅增加，值得注意的是，由于工伤和交通事故、体育运动伤和自然灾害等原因造成的肢体残障者的数量大幅上升。由此可见，我国的轮椅使用群体日趋庞大，为关心老年人、残疾人的生活，减轻医疗护理事业的压力，各式各样的助老、助残运动装置也应运而生。此外，据相关社会调查普遍反应：现有的手动轮椅缺乏上下楼梯和翻越障碍的实用效能，使用较为麻烦，很难进一步满足使用者日常生活和出行需要。而多功能轮椅作为先进的代步工具能进一步有效帮助老年人和行动障碍人士满足生活需求、改善生活质量，具有很大的实用性社会研究价值，我国对多功能轮椅的研究创新也尤为迫切。
二、国内外发展趋势
（一）国外研究情况
国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是1892年美国的Bray发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟。英国Baronmead公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为35°，上下楼梯速度为每分钟15-20个台阶。日本长崎大学更在普通单履带轮椅的基础上，研究了一种代号为“Sakadankun”的双履带式的爬楼梯装置，即左右两侧各有两组履带相互连接在-一起，解决了在水平状态与楼梯倾角切换时，座椅倾角过大而影响使用安全的问题。
（二）国内研究情况
我国对此类研究起步相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但在结构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定的差距，但也能根据自身特色研制出技术指标接近国外先进水平的轮椅。香港某科技公司推出了号称全球首款二段式履带驱动全自动爬梯电动轮椅B-Free Chair。总的来说，国内轮椅市场发展逐渐成熟，需更加注重人性化设计与合理性消费。
三、履带式多功能助老轮椅的设计与应用
（一）需求分析
随着人口增长，老龄化问题的严重发展。目前市场上出售的轮椅分为手动和电动两种，前者靠手摇或人力推行，对老年人来说用起来很不方便;后者以电机驱动，虽省力自主，但仍存在一些隐患。
（二）系统功能分析
1.采用了液压杆升降机构，该机构能够让使用者自行调节座椅高度，以适应不同的高度要求，达到合适的舒适度;
2.添加智能定位仪系统，可预防突发性走失情况，提高人身安全系数;
3.采用了履带式自动平衡机构，可通过单片机控制液压装置使平衡机构自动保持与地面平衡，作用相当于“天平”，且结构本身稳固性良好，使人不至于倾倒;
4.为了保证舒适度，座椅采用质地柔软且透气防尘的材料制成，便于清洁;座椅的靠背、坐垫，扶手等根据人性化需求都设计有一定的弧度，使其与人体相关部位相适应，保证使用者即使久坐也不会感到太累。另外靠背可前后调节，方便使用者上下床。
（三）履带式多功能助老轮椅的结构设计
履带式多功能助老轮椅能够凭借一定的人工智能，解决大部分残疾人的出行不便的问题，履带式多功能助老轮椅由底座移动履带、座椅、机械手、中轴、电源等基本构件组成，结构简单，组装方便，易拆卸，易清洗，日常不需要太多维护，大大降低了日常维护频率。
1.座椅装置
该履带式多功能助老轮椅使用结构相同的两个可伸缩调节的座椅系统，水平仪稳定系统，使轮椅在什么时候都可以稳定的保持水平状态，使驾驶者平稳运行。
2.履带装置
采用BT坦克的克里斯蒂悬挂履带悬挂设计，使履带在高速转弯以及低洼地段行驶依然具有很高的稳定性，这对于一款残疾人专用的轮椅是必不可少的。其次非常高的能量转达能力，使较低的电力依然具有大量的力，更加节约电力。
（四）履带式多功能助老轮椅控制系统硬件设计
助老轮椅控制系统硬件主要由单片机控制器、电源模块和电机驱动模块组成。
1.控制捉取模块
为了更加灵活方便，单个机械臂共采用4个舵机，使用STM32单片机产生的PWM信号进行控制。单片机通过硬件进行计数，受外界干扰少，工作可靠。通过控制4个舵机实现4个自由度机械手的捉取控制。相对于传统模拟舵机，反应变得更快，加速和减速时也更迅速更柔和，使得数字舵机提供更高的精度和更好的固定力。
2.电机驱动模块
考虑到履带行走装置、立体结构、各传感器模块、机器人整体重量、工作电压以及控制方式等因素。采用N20直流减速电机作为机器人的驱动电机，工作电压5V，额定转速66r/min，额定转矩为1Kg每厘米，以满足机器人整体的设计要求。
四、结语
根据国家提出的科技强国战略以来，我国科技研发能力得到了前所未有的发展，全方位得到了不断提升与突破。本设计提出了一款新型的履带式多功能轮椅，该轮椅结构简单，安全性能高，造价成本低，市场前景广阔，这将为广大的乘坐者和护理人员提供更加安全、舒适、便捷的使用体验。
参考文献
[1]曹鹏彬，赵建宇，汤旭青.履带轮椅机器人爬楼姿态控制的研究[J].武汉工程大学学报，2016（05）：484-489.
[2]贾永祥，陶卫军，井田等.新型轮-履复合电动轮椅设计与实现[J].机械传动，2015（12）：179-182.
[3]吴晓龙，覃忠，伍学明等.新型可爬梯式智能轮椅的研究和设计[J].中国医学装备，2015（06）：12-15.
[4]张建卓，刘佳.可上下楼梯轮椅机器人的现状研究概述[J].现代制造工程，2016（01）：44-48.
基金项目：北部湾大学高等教育本科教学改革项目：互联网+虚拟现实技术在工程实训教学中的研究与应用—以北部湾大学为例（项目编号：19JGYB27）;北部湾大学大学生创新创业训练计划资助项目（202011607154）。
作者简介：赵成龙（1992—），男，汉族，山东滨州人，学士，高级技师，助理实验师，研究方向：机械加工制造
（北部湾大学 广西 钦州 535011）