葉瑀，劉浩明，張開帆，陳欣超

（廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，廣東 廣州 510663）

1 研究背景

隨著人口老齡化和各種慢性疾病的增加，以及逐年新增的重度運(yùn)動(dòng)功能疾病患者，作為老年人、殘疾人輔助出行工具電動(dòng)輪椅車的需求越來(lái)越大[1]。根據(jù)《醫(yī)療器械分類目錄》，電動(dòng)輪椅車屬于二類醫(yī)療器械。電動(dòng)輪椅車常用的標(biāo)準(zhǔn)有：GB 9706.1—2007、GB/T12996—2012、GB/T 18029 輪椅車系列標(biāo)準(zhǔn)、YY 0505—2012[2]。其中，電動(dòng)輪椅車的電磁兼容應(yīng)滿足YY 0505—2012 和GB/T 18029.21—2012 的要求。GB/T 18029.21—2012 適用于最大速度不超過15 km/h殘疾人用室內(nèi)和室外型電動(dòng)輪椅車和電動(dòng)代步車，且不適用與能承載1人以上的交通工具[3]。GB/T 18029.21—2012 規(guī)定電動(dòng)輪椅車的行駛模式在抗擾度試驗(yàn)時(shí)要對(duì)其速度和方向的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要使用兩個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)分別對(duì)輪椅車的左右輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)，在通過公式計(jì)算平均輪速變化和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性[4]。

常用的轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)是采用反射式測(cè)速傳感器，將反光材料粘貼于被測(cè)軸的測(cè)量部位上構(gòu)成反射面，但這種監(jiān)測(cè)方法人為誤差較大，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法溯源，反映平均輪速變化和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的參數(shù)需要手動(dòng)計(jì)算，而且轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)裝置在抗擾度試驗(yàn)時(shí)容易受到干擾導(dǎo)致不能正常監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速。

因此，針對(duì)這些問題，本文設(shè)計(jì)了一款由APP、電源模塊和監(jiān)測(cè)模塊組成的滿足電動(dòng)輪椅車電磁兼容測(cè)試的測(cè)速工裝，APP 通過藍(lán)牙功能將監(jiān)測(cè)模塊與移動(dòng)終端連接，監(jiān)測(cè)模塊包括通信模塊、測(cè)速模塊、信號(hào)處理模塊和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊。

2 工裝設(shè)計(jì)原理

目前，常見的電動(dòng)輪椅測(cè)速傳感器包括電磁式轉(zhuǎn)速傳感器或霍爾傳感器。由于電磁兼容測(cè)試的特殊性，電磁式轉(zhuǎn)速傳感器和霍爾傳感器會(huì)在試驗(yàn)過程中受到電磁干擾而無(wú)法正常測(cè)速。本文利用紅外光反射原理，將一個(gè)黑白相間的四等分的光碼盤放置于輪椅車左右輪的轉(zhuǎn)軸處，兩個(gè)紅外線感應(yīng)光電傳感器均可放置在輪椅車輪的外側(cè)。當(dāng)紅外光照射轉(zhuǎn)盤時(shí)，白色部分將反射紅外線，黑色部分不反射紅外線，從而得到一個(gè)脈沖值，工作原理如圖1 所示。因此，只需要紅外光能照射到轉(zhuǎn)盤上，即可根據(jù)公式（1）得到轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。

圖1 工作原理

式（1）中：ω為角速度；n為在測(cè)速時(shí)間內(nèi)得到的脈沖數(shù)；T為測(cè)速時(shí)間。

本測(cè)速工裝對(duì)放置位置無(wú)特殊要求，只需將發(fā)射模塊和接收模塊對(duì)準(zhǔn)測(cè)速終端任意一點(diǎn)，接收模塊接收到測(cè)速終端反射的光信號(hào)，經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)處理模塊轉(zhuǎn)換后得到轉(zhuǎn)速角速度。

本測(cè)速工裝的硬件部分包括電源模塊和監(jiān)測(cè)模塊。電源模塊由直流供電部分和濾波電路組成，所述濾波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)空間和電網(wǎng)傳遞的電磁騷擾信號(hào)濾波，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的抗擾度能力。監(jiān)測(cè)模塊包括通信模塊、測(cè)速模塊和信號(hào)處理模塊，通信模塊依次與電源模塊、測(cè)速模塊、信號(hào)處理模塊連接，測(cè)速模塊依次與電源模塊、信號(hào)處理模塊連接。測(cè)速模塊和信號(hào)處理模塊放置于一個(gè)特質(zhì)的屏蔽盒內(nèi)，屏蔽空間傳遞的電磁騷擾信號(hào)，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的抗擾度能力。

其中，測(cè)速模塊包括兩組光電轉(zhuǎn)換模塊、紅外線感應(yīng)光電傳感器和光碼盤，紅外線感應(yīng)光電傳感器包括發(fā)射模塊和接收模塊，接收模塊與信號(hào)處理模塊連接。接收模塊接收到測(cè)速終端反射的光信號(hào)，經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)處理模塊轉(zhuǎn)換后得到角速度，再根據(jù)GB/T 18029.21—2012 標(biāo)準(zhǔn)給出的公式計(jì)算輪椅車在試驗(yàn)中和試驗(yàn)后的平均輪速變化和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。

3 工裝的硬件結(jié)構(gòu)

工裝的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，信號(hào)處理模塊將脈沖信號(hào)經(jīng)過整流濾波、放大整流后，獲得相同頻率的方波信號(hào)，經(jīng)過測(cè)量方波的頻率和周期，可以得到電動(dòng)輪椅的角速度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給出的公式，可以計(jì)算出電動(dòng)輪椅的轉(zhuǎn)向角度，信號(hào)處理模塊與通信模塊連接，通過藍(lán)牙將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向信息傳輸?shù)桨惭bAPP的移動(dòng)終端。工裝中的APP 通過藍(lán)牙信號(hào)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線連接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的啟動(dòng)/停止控制，設(shè)置電動(dòng)輪椅轉(zhuǎn)動(dòng)輪的直徑，將測(cè)得的轉(zhuǎn)速角速度轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

4 準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本工裝的測(cè)速準(zhǔn)確性，采用市面上常見的激光轉(zhuǎn)速儀，且該激光轉(zhuǎn)速儀經(jīng)相關(guān)計(jì)量單位檢定，測(cè)量10 臺(tái)不同公司的雙輪驅(qū)動(dòng)的輪椅車在低、中、高擋位的左右輪轉(zhuǎn)速，并分別進(jìn)行對(duì)比。10 臺(tái)輪椅車的數(shù)據(jù)測(cè)量完畢后，整理完成轉(zhuǎn)速的對(duì)比情況如表1 所示。

表1 轉(zhuǎn)速的對(duì)比表

表1（續(xù)）

經(jīng)過對(duì)比測(cè)試結(jié)果，可以看出隨著輪速擋位的增加，工裝和激光轉(zhuǎn)速儀之間的誤差變大，最大的誤差為10.32%；在輪速低擋和中擋時(shí)，工裝和激光轉(zhuǎn)速儀之間的誤差范圍不大于6%。GB/T 18029.21—2012 要求輪椅車的行駛模式在速度設(shè)置為最大速度的50%±10%的狀態(tài)下進(jìn)行抗擾度試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中使用經(jīng)過有效計(jì)量的轉(zhuǎn)速計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)輪椅車的速度和轉(zhuǎn)向，平均輪速變化不超過±20%，差動(dòng)輪速度變化不超過±25%。因此，該測(cè)速工裝對(duì)中擋輪速的監(jiān)測(cè)精確度已滿足電動(dòng)輪椅車在電磁兼容測(cè)試的要求。

5 結(jié)論

本測(cè)速工裝測(cè)得的車輪速度與激光轉(zhuǎn)速儀測(cè)得的速度平均誤差為4.84%。誤差產(chǎn)生的原因是：激光轉(zhuǎn)速儀測(cè)量距離對(duì)檢測(cè)精度的影響和電機(jī)自身產(chǎn)生的電火花對(duì)測(cè)量脈沖波形的干擾等。但兩者測(cè)量的速度比較接近，說明本測(cè)速工裝的方案可行。輪椅車的運(yùn)行速度越高其測(cè)量誤差越大，說明本測(cè)速電路適用于低、中速工作的輪椅車。而適用于GB/T 18029.21—2012標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)輪椅車，對(duì)其最大速度有限制，而且輪椅車應(yīng)在中速狀態(tài)下測(cè)試，可滿足此要求。并且，通過工裝的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)功能，可以保證試驗(yàn)前、試驗(yàn)中和試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)溯源性。