余明暉 譚江輝 蘇 蒲 劉大維 蔡慶坤 陳 日

（廣東技術(shù)師范大學(xué)機(jī)電學(xué)院，廣東 廣州 510600）

0 引言

在國內(nèi)老齡化嚴(yán)重、留守老人日益增多的背景下[1]，智能輪椅床墊為國內(nèi)養(yǎng)老難的問題提出了一個(gè)解決方案，對解決國內(nèi)養(yǎng)老問題起到了促進(jìn)作用。

智能輪椅床墊供行動(dòng)不便的老人或殘疾患者使用，操作簡單，安全系數(shù)高。主要功能為可以將使用者送上輪椅，還可以將使用者送上床并輔助使用者躺下[2-3]。

智能輪椅床墊可以讓使用者自行解決生活需求，提高其生活的信心，有利于康復(fù)和提高養(yǎng)老質(zhì)量，有效降低了使用者磕碰及跌倒的概率。

可分離式聲控智能輪椅床墊采用Altair Inspire軟件分析傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)合理性，保證傳動(dòng)過程中不會(huì)有過高的速率，提高了安全性和舒適性，還可以降低成本，提高利潤。與此同時(shí)，還通過SolidWorks Simulation對輪椅進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使輪椅的質(zhì)量變小，延長輪椅的續(xù)航時(shí)間。

1 可分離式聲控智能輪椅床墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過SolidWorks Simulation軟件對分離式聲控智能輪椅床墊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化。分離式聲控智能輪椅床墊主要由分離輪椅和床墊2個(gè)部分構(gòu)成。其中，床墊中主要由電推桿[4]、絲杠、乳膠、托板傳動(dòng)桿支架、絲桿固定支架以及滑道等組成。分離輪椅主要由行進(jìn)輪、可折疊扶手以及遙控器等組成，床墊為乳膠材質(zhì)。輪椅的前輪采用實(shí)心輪輻，外側(cè)包裹1圈橡膠輪胎，后輪為免充氣輪胎。整體設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 自鎖旋轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過自鎖旋轉(zhuǎn)裝置將輪椅板從床墊中部推往床邊的輪椅架上，可以實(shí)現(xiàn)輪椅板與床墊的自由連接和分離。自鎖旋轉(zhuǎn)裝置包括具有伸縮裝置的電動(dòng)推桿，可伸縮設(shè)計(jì)能更好地節(jié)約空間，在床墊移動(dòng)觸發(fā)前，將裝置隱藏在床墊下方。在輪椅平穩(wěn)后，電磁鐵通電固定輪椅架，床墊中央的電動(dòng)推桿推動(dòng)裝置開始將輪椅板平移至輪椅架上方，推動(dòng)裝置上的限位扣與輪椅板上的限位扣進(jìn)行自鎖卡緊，輪椅架上的滑軌裝置可以輔助輪椅板與輪椅架的組合，當(dāng)輪椅板與輪椅架組合后，輪椅組裝過程完成，斷開電磁鐵電源，使輪椅能夠脫離床體自由活動(dòng)。自鎖旋轉(zhuǎn)裝置如圖2所示。

圖2 自鎖旋轉(zhuǎn)裝置

2 安全性分析

2.1 輪椅扶手受力分析

在使用者起身的過程中，輪椅扶手為主要支撐。為了保證其安全性，對其進(jìn)行受力分析，扶手結(jié)構(gòu)簡圖及其受力分析圖如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可以得到公式（1）。

圖3 扶手結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 扶手受力分析

式中：σmax為扶手所受最大應(yīng)力；Mzmax為彎矩；Iz為中性軸慣性矩；ymax為截面上的點(diǎn)到中性軸最大的距離；Wz為抗彎截面系數(shù)。

扶手截面圖如圖5所示。由圖5可以得到中性軸慣性矩，如公式（2）所示。

圖5 扶手截面圖

由公式（2）可以得到抗彎截面系數(shù)，如公式（3）所示。

當(dāng)y=h/2時(shí)，存在最大正應(yīng)力，如公式（4）所示。

將公式（2）～公式（4）代入公式（1）可得公式（5）。

扶手的材料為Q235A，屈服強(qiáng)度為235 MPa，許用應(yīng)力為16 kN/cm2，經(jīng)過上述公式計(jì)算可知，其符合安全要求。

2.2 電推桿和輪椅板有限元分析

在“起身”、“坐下”等實(shí)際場景中，輪椅板的電推桿和輪椅板承受的負(fù)載最大，材質(zhì)為25CrMo4，須對這2個(gè)部件進(jìn)行有限元分析。通過Altair Inspire[5]軟件分析了成年人在使用可分離式聲控智能輪椅床墊時(shí)電推桿和輪椅板的等效應(yīng)力、最大位移以及最小安全系數(shù)，如圖6所示。

圖6 INSPIRE分析結(jié)果匯總

Inspire分析電推桿和輪椅板的米塞斯等效應(yīng)力結(jié)果如圖7所示。25CrMo4的屈服強(qiáng)度σs≥685 MPa、抗拉強(qiáng)度σb≥885 MPa，在受力后，電推桿和輪椅板的最大米塞斯等效應(yīng)力約為31 MPa，遠(yuǎn)小于電推桿和輪椅板的屈服強(qiáng)度，滿足產(chǎn)品的性能要求。

圖7 米塞斯等效應(yīng)力分析結(jié)果

Altair Inspire分析電推桿和輪椅板在使用過程中的位移，結(jié)果如圖8所示。輪椅板末端的位移最大，最大位移小于2 mm，滿足產(chǎn)品的性能要求。

圖8 位移分析結(jié)果

Altair Inspire分析電推桿和輪椅板在使用過程中的安全系數(shù)結(jié)果如圖9所示，安全系數(shù)滿足產(chǎn)品的使用要求。

圖9 安全系數(shù)分析結(jié)果

根據(jù)上述分析結(jié)果可以得出，電推桿和輪椅板的最大應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，位移量偏小，安全系數(shù)達(dá)到要求，完全滿足產(chǎn)品的性能要求。

3 控制設(shè)計(jì)

可分離式聲控智能輪椅床墊的主控芯片是STM32F103C8T6，其可快速處理語音指令并快速響應(yīng)，可以同時(shí)精準(zhǔn)控制多臺(tái)舵機(jī)、電機(jī)。

3.1 主要部件

可分離式聲控智能輪椅床墊的控制系統(tǒng)包括STM32、聲控裝置、舵機(jī)以及自鎖裝置，輪椅包括驅(qū)動(dòng)裝置、復(fù)位裝置。

智能語音控制系統(tǒng)采用LD3320語音芯片，可以靈敏識(shí)別老人較低的音量，1 m內(nèi)識(shí)別率達(dá)95%。其可識(shí)別所有中文詞條，當(dāng)對著小型麥克風(fēng)說出對應(yīng)的指令（例如上升、下降等）時(shí)，STM32控制床墊執(zhí)行相應(yīng)的指令。

舵機(jī)是一種角度伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于角度需要不斷頻繁變化的控制系統(tǒng)。采用舵機(jī)系統(tǒng)作為傳動(dòng)系統(tǒng)，舵機(jī)有較高的精度和較好的固定力量，防抖震性能高。

供電系統(tǒng)的供電裝置分為2個(gè)部分（床墊連接外部220 V交流電源，輪椅采用蓄電池進(jìn)行供電）：1） 內(nèi)置充電器與蓄電池連接，當(dāng)輪椅與床墊未分離時(shí)，充電器給輪椅內(nèi)蓄電池充電。2） 電源轉(zhuǎn)換器與蓄電池、外部電源連接，轉(zhuǎn)換器將蓄電池中12 V的直流電、三角插頭的外部電源轉(zhuǎn)化為5 V的直流電，供單片機(jī)控制系統(tǒng)正常工作使用。12 V蓄電池為輪椅的儲(chǔ)能裝置，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存電能。

3.2 輪椅床墊控制流程

可分離式聲控智能輪椅床墊的主體分為特制床墊和緊卡在床邊的輪椅架。輪椅板通過推動(dòng)、自鎖2個(gè)裝置，在滑軌的輔助下實(shí)現(xiàn)輪椅板與床墊的自由連接和分離。

系統(tǒng)在接收語音“移出”命令后，電磁鐵通電固定輪椅，床墊中央的推動(dòng)裝置將床墊平移至輪椅上方，直至輪椅板與輪椅組合好，推動(dòng)裝置上的自鎖裝置解鎖，并斷開電磁鐵電源，使輪椅能夠脫離床體自由活動(dòng)。

在接收“移入”命令后，滑軌上的電磁鐵通電，輪椅上的限位扣2通過電磁鐵與導(dǎo)軌吸合在一起，通過導(dǎo)軌與推動(dòng)裝置上的限位扣1完成鎖定，鎖定后電動(dòng)推桿回縮，順著導(dǎo)軌收縮到原定指令設(shè)定好的位置，輪椅板回到床墊上并且與床板契合在一起。限位扣位置如圖10所示。

圖10 限位扣

上床墊上有與床墊分離的輪椅身，當(dāng)使用者需要起身時(shí)，通過聲控帶動(dòng)電機(jī)使椅座先抬起5°，避免在椅背抬起的過程中因老人滑向床尾而引發(fā)未知的危險(xiǎn)。在抬起扶手的同時(shí)可以觸發(fā)上床墊下降到可以讓輪椅自主導(dǎo)出的高度，將扶手卡緊在椅座上，保證老人不會(huì)在兩側(cè)滑出后，電機(jī)將椅背緩慢抬起到合適的角度。保證以上操作完成后，輪椅通過電推桿卡在床側(cè)的輪椅架上并固定好，這時(shí)使用者可以控制輪椅架向前滑出脫離床墊，自由出行?？煞蛛x式聲控智能輪椅床墊的控制流程如圖11所示。

圖11 控制流程圖

4 功能實(shí)現(xiàn)

4.1 輪椅模式

系統(tǒng)接收語音“移出”命令后，扶手、輪椅板背部上升一定角度，在輪椅板背部平穩(wěn)后，由電動(dòng)推桿推動(dòng)輪椅板移動(dòng)到輪椅架上，然后輪椅板腿部向下旋轉(zhuǎn)一定角度，讓使用者的雙腳自然放下，在電動(dòng)推桿收回后，輪椅與床墊分離，進(jìn)入輪椅模式，如圖12所示。

圖12 輪椅模式

4.2 床墊模式

通過電推桿與輪椅板之間的鎖緊裝置，由原來的推動(dòng)裝置將輪椅板從輪椅架上拉回床墊處，輪椅板回到床墊上后會(huì)緩慢展平，扶手也會(huì)收回放平，輪椅板和床墊一起組合成床，如圖13所示。

圖13 床墊模式

5 結(jié)語

可分離式聲控智能輪椅床墊采用了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，與目前市面上的純護(hù)理床相比，增加了聲控系統(tǒng)以及床墊與輪椅自動(dòng)連接系統(tǒng)，使用者可輕松切換輪椅模式和床墊模式。通過SolidWorks Simulation對輪椅進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合Altair Inspire軟件分析了輪椅板在伸出電推桿、輪椅板時(shí)的米塞斯等效應(yīng)力、最大位移以及安全系數(shù)，保障了輪椅床墊的安全性?？煞蛛x式聲控智能輪椅床墊致力于解決行走不便的老人、腿部殘疾患者自主出行和日常生活需求的問題，也減輕了使用者家屬的陪護(hù)壓力，在醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用市場及前景?？煞蛛x式聲控智能輪椅床墊的設(shè)計(jì)樣機(jī)圖如圖14所示。

圖14 可分離式聲控智能輪椅床墊的設(shè)計(jì)樣機(jī)圖