基于我國大多數(shù)地區(qū)低于7層以下的樓房沒有安裝電梯的現(xiàn)狀，為了解決下肢傷殘者和年老體弱者上下樓不方便的窘狀，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于ARM11系統(tǒng)與C52單片機(jī)配合控制、采用三角輪系式機(jī)構(gòu)與履帶式移動機(jī)構(gòu)結(jié)合的智能輪椅。著重解決爬坡及上樓梯的平衡、攀登等問題，使用戶可以依靠智能輪椅登上樓梯。經(jīng)測試，系統(tǒng)運(yùn)行良好，具有良好的交互界面和修改設(shè)置等功能界面，平衡性較好，能夠較好的實(shí)現(xiàn)智能爬樓梯的目的。

輪椅是下肢傷殘者和年老體弱者出門必不可少的代步工具，傳統(tǒng)輪椅不具備爬樓和越障功能，故而上下樓很不方便。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，各種新型移動式機(jī)器人輪椅不斷涌現(xiàn)。對于新型輪椅來說，爬樓和越障能力是衡量其性能的重要指標(biāo)。在各類研究中，吳曉龍，覃忠等人研究的新型可爬梯式智能輪椅，解決的是醫(yī)院孕婦、母嬰人群身旁無護(hù)理人員時(shí)不能自我處理的難題，其設(shè)計(jì)采用Y型行星輪作為爬梯輪椅行走部件及驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)建型輪椅結(jié)構(gòu)，其最大爬坡角度為15°左右。本文采用三腳輪和履帶復(fù)合式結(jié)構(gòu)，智能控制中采用ARM11和89C52單片機(jī)以及觸摸屏來實(shí)現(xiàn)。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文旨在設(shè)計(jì)一款能夠正面上樓梯的輪椅，其設(shè)計(jì)思路歸結(jié)為硬件和軟件兩個(gè)分類，硬件設(shè)計(jì)主要考慮攀爬和安全問題。在攀爬方面，輪椅前輪采用三角輪，當(dāng)輪椅遇到樓梯或障礙物時(shí)，可以為輪椅提供上揚(yáng)角度，再寄由后輪履帶輪的推力使得輪椅有足夠的力氣爬梯和越障；在安全方面，輪椅采用水平測量模塊及平衡撐桿來為用戶提供平衡保障，水平測量模塊安裝于座椅下，當(dāng)用戶的座椅與水平面傾角超出設(shè)定范圍時(shí)，C52芯片通過LMD18200 驅(qū)動芯片驅(qū)動平衡撐桿，使得座椅與水平面傾角回歸安全范圍。

二、硬件和軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由硬件和軟件構(gòu)成，其中硬件主要包含輪椅前輪，輪椅后輪，輪椅履帶，及輪椅的骨架等。輪椅的骨架設(shè)計(jì)主要通過使用美國CNC Software Inc.公司的Mastercam X6軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的。輪椅前輪采用三角式移動機(jī)構(gòu)，可使輪椅遇到樓梯或障礙物時(shí)達(dá)到攀爬樓梯，為輪椅車頭提供上揚(yáng)角度的目的。輪椅后輪采用履帶式移動機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)抓地力強(qiáng)，具有穩(wěn)定的提供攀爬力的功能，能夠?yàn)檩喴卧谂逝罉翘輹r(shí)提供安全穩(wěn)定的攀爬力。輪椅的履帶輪采用同步帶，為了使同步帶在使用中保持穩(wěn)定的傳動，必須讓同步帶維持在正確的工作位置以及保障同步輪對應(yīng)齒的咬合。

硬件的動力設(shè)計(jì)采用伺服電機(jī)加減速機(jī)的模式。通過計(jì)算，推動輪椅前進(jìn)的選擇為功率2600W的交流伺服電機(jī)。履帶輪的主傳動輪半徑為5cm，采用1/12的行星減速機(jī)，可將轉(zhuǎn)矩提升至2400N，保障電機(jī)能推動240kg以下的物體。

軟件設(shè)計(jì)，主要采用ARM11系列中的Tiny6410作為主控版，通過對STC89C52從控制和SCA100T雙傾角傳感器來控制輪椅的平衡。用戶通過觸摸屏操作，控制ARM11芯片，ARM11芯片將指令傳給對于C52芯片，并完成相應(yīng)的電機(jī)控制、監(jiān)控控制、平衡控制等工作。用戶通過觸摸屏控制輪椅及對ARM11下達(dá)操作命令，ARM11根據(jù)用戶的指令，進(jìn)一步向?qū)?yīng)的STC89C52發(fā)送指令，ARM11獲取QT操作界面的信息后，向?qū)?yīng)的C52傳達(dá)平衡、電機(jī)控制、剎車等操作命令。ARM11根據(jù)C52的反饋信息不斷對C52的指令進(jìn)行更新，以進(jìn)一步達(dá)到用戶所下達(dá)的操作命令的要求。

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試

本系統(tǒng)是基于ARM11與C52單片機(jī)配合進(jìn)行控制，c52單片機(jī)控制輪椅的驅(qū)動電機(jī)，通信協(xié)議采用工業(yè)通用的modbus協(xié)議，輪椅的平衡通過水平測量模塊SCA100T來獲取水平數(shù)值，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，具有控制和修改的功能。用戶通過LCD觸摸屏控制，操作界面如圖3.1所示，用戶通過選擇加速，減速，剎車，調(diào)整輪椅行駛，界面中右上角的四個(gè)警示標(biāo)志即四個(gè)感嘆號分別代表不同的危機(jī)情況：黑色圓圈感嘆號代表輪椅驅(qū)動出現(xiàn)異常；紅色圓圈感嘆號代表電機(jī)溫度過高；黃色三角感嘆號代表電機(jī)電量不足；黑色三角感嘆號代表輪椅平衡異常，提醒用戶恢復(fù)自動平衡。

四、結(jié)語

本系統(tǒng)旨在創(chuàng)造出一輛能夠正面上樓梯的輪椅，并著重解決了：從推力需求出發(fā)進(jìn)行了電機(jī)選型、ARM11芯片指揮C52芯片控制電機(jī)驅(qū)動、前輪三角輪式移動機(jī)構(gòu)調(diào)整車頭仰角、復(fù)合式移動機(jī)構(gòu)移動機(jī)構(gòu)推力的實(shí)現(xiàn)；C52獲取水平測量模塊數(shù)據(jù)以及驅(qū)動電動推桿的方式等問題。系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際初衷。（作者單位為廣東科技學(xué)院）