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，并且傳統(tǒng)的機(jī)型及人機(jī)互動模式等方面也不夠理想。

目前市面上已有的自動可攀爬輪椅一般有兩種類型：一是后置折疊履帶式電動輪椅,實(shí)現(xiàn)了上樓梯的攀爬,平地行駛時將履帶向靠背折疊，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輪椅，滾輪下方頂桿通過前后擺動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合中,能夠通過自動識別和分析檢測出前、后方是否存在被路人攔截，還能夠及時地警醒被阻擋的車輛和行人。對于智能輪椅方面的研究我國雖然起步較晚，且在其機(jī)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)良性方面與國外產(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，如中國科學(xué)院自動化研究所自主設(shè)計研發(fā)的一種多模態(tài)、智能型護(hù)理輪椅,它既具有視覺和語音導(dǎo)航兩大優(yōu)勢,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。但目前國內(nèi)多數(shù)的智能護(hù)理裝置仍然處于試制階段,并沒有真正實(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

在以上分析的基礎(chǔ)上，我們創(chuàng)新設(shè)計了智能化多路況護(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

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個驅(qū)動輪與2個從動輪所構(gòu)造的輪系機(jī)構(gòu)固定到支撐架上,驅(qū)動車輪帶動裝置的整體運(yùn)動。針對前置從動輪及后置從動輪輪徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,提高了接觸角，實(shí)現(xiàn)對大傾斜角地況的適用性。三角形的履帶型機(jī)構(gòu)在設(shè)計上結(jié)合了傳統(tǒng)的輪式和履帶型的特征，運(yùn)動較為靈活，同時履帶相對于輪式的吸附、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)定堅固。在進(jìn)行越障情況下,普通輪式的牽引力并沒有完全克服土壤的阻力來帶動該裝置向前行駛，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系數(shù)及較高的牽引效率，所以經(jīng)過改進(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。

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

主動輪與前置從動輪進(jìn)行交錯設(shè)計,同時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,有的甚至還要同時做到非定點(diǎn)性的橫向接觸,而三角形的履帶輪由于兩個履帶將完全接觸并碰到一個濕滑緩沖，在履帶引導(dǎo)輪再次穿越濕滑路障時,履帶完全緊緊地附著于濕滑路障上,使得這個濕滑路障就可以轉(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；同時這在該裝置中即使遇到交通路障等也未必會使其產(chǎn)生較大的顛簸，使乘坐人獲得良好的舒適感。

2.1.1 驅(qū)動輪設(shè)計

驅(qū)動輪主要用于承受利用重力等支撐驅(qū)動輪架在軸和前軸之間運(yùn)動形成的縱向三角形結(jié)構(gòu)時的支撐力，同時還要承受支撐履帶的縱向阻力和支撐后軸輪架對整個驅(qū)動輪的橫向推進(jìn)力，如圖3所示。主動輪和承載履帶與在每個主動輪上的各個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,將每個承載物的履帶受力按照履帶水平轉(zhuǎn)動方向和履帶橫向或豎直的轉(zhuǎn)動方向分別進(jìn)行分解計算，根據(jù)牛頓-歐拉公式[3]，可以計算得到對主動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為主動輪和其上履帶的質(zhì)量；B為履帶的厚度；r1為主動輪的半徑；M為驅(qū)動力矩；J1為主動輪及輪上履帶的轉(zhuǎn)動慣量。

圖3 驅(qū)動輪受力分析

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)計時，考慮到崎嶇路面不平整和復(fù)雜的特殊陡坡地形,將電動輪椅功率折算為一種具有快速爬坡的運(yùn)動能力模式來用于計算車輪動力機(jī)構(gòu)的最大功率。在正常情況下，輪椅按照額定車輪轉(zhuǎn)速10km/h時來進(jìn)行功率計算：

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)備傳動裝置和額定承載裝置重量的一個總體承載重力；m為設(shè)備傳動裝置和額定傳動負(fù)荷承載重量的總承載質(zhì)量,可取150kg；g為一個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)行時的傳動阻力系數(shù),一般取0.18；η為；傳動效率,一般取0.9；α為其在斜面上的傾角,可取10°。

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

2.2 主控系統(tǒng)的設(shè)計

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,同時具有極好的性能，定位精度能夠達(dá)到8m。該模塊能夠通過串口通訊對其進(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

可以進(jìn)行測距的傳感器有多種，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利用光線進(jìn)行反射的原理，對于透明的障礙物就可能有一定的影響。紅外傳感器,因其價格和成本都比較低，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)的計時器就已經(jīng)開始進(jìn)行計時[4]。超聲波在遇到障礙物時就會被反射,超聲波模塊在單片機(jī)中接收到一個反射波之后,就會自動停止計時。根據(jù)收發(fā)超聲波所造成的時間誤差,便可以準(zhǔn)確地計算得出超聲波模塊和障礙物之間的距離。因此，超聲波測距受環(huán)境影響較小，使用場所也較廣泛，價格合理，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

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)無桿腔開始進(jìn)油時，套筒油缸3的活塞開始對護(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、上坡時始終保持座椅位置水平；當(dāng)爬樓、上坡結(jié)束時，套筒油缸3無桿腔的液壓油緩慢回到油箱，活塞對護(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)無支撐架，當(dāng)沒有液壓油進(jìn)入無桿腔，無推力時，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，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。主動輪支架與從動輪軸之間分別設(shè)置了減震器，爬行階梯時對于履帶產(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的安全感。

(3)人機(jī)交互性好。設(shè)置觸摸屏輔助操控，簡化人機(jī)交互難度，實(shí)現(xiàn)語音觸摸操控和夜間自動照明，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)備的語音識別、動態(tài)避障、多種傳感器的信息交換與融合、實(shí)時裝置自適應(yīng)引擎導(dǎo)航監(jiān)測和控制；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)一鍵報警等新功能，同時也能輔助進(jìn)行車載人員的心率檢測、體溫檢測等功能的集成，做到智能化護(hù)理。

3 結(jié)語

隨著我國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活動的窘境，讓行動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。