一種多功能電液動輪椅的設計

陳立東，劉勝韜，鄭俊玲，李國昉，石 磊，馬淑英，王 懂

(河北科技師范學院1.機電工程學院;2.歐美學院，河北 秦皇島 066600)

隨著社會的發(fā)展和人類文明程度的提高，人們特別是身有殘障的社會成員愈來愈需要運用現(xiàn)代高新技術來提升他們的生活質(zhì)量和生活自由度。據(jù)調(diào)查，因為各種交通事故、天災人禍和種種疾病，每年均有成千上萬的人喪失一種或多種能力(如行走、動手能力等)。目前，我國65歲以上的老年人和需要使用輪椅的殘疾人有一億人以上，而且社會的老齡化程度還在不斷提高。因此，如何利用現(xiàn)代技術來擴大殘疾人和老年人的生活空間、提高他們的生活質(zhì)量，給他們帶來更多的自由和方便成為近幾年來國際學術界和企業(yè)界關注的熱點。輪椅作為殘疾人和行動不便的老年人的代步工具，越來越受到市場的歡迎。但目前，市場上的輪椅要么結構簡單、功能單一，安全性、機動性差，要么價格昂貴、經(jīng)濟性差，普通家庭購買不起。這就要求國內(nèi)生產(chǎn)的電動輪椅不僅實用性要強，價格也要便宜。國內(nèi)一些生產(chǎn)廠家和科研院所對電動輪椅做了一定的研究，但與國外相比還很不完善。為此，本文研制了一種適合我國國情的具有速度控制、高度調(diào)節(jié)及靠背角度調(diào)整的多功能電液動輪椅。

1 基本結構

輪椅主要由輪椅座位提升系統(tǒng)、電機驅動系統(tǒng)、靠背傾角調(diào)節(jié)裝置、調(diào)速與制動系統(tǒng)、轉向機構、單片機控制系統(tǒng)和前后輪等組成，其框架采用四點支撐立體結構，材料使用高強度不銹鋼管，可以提高輪椅的剛度和強度，基本結構如圖1所示。

圖1 多功能輪椅基本結構

2 主要部件的設計

2.1 輪椅座位提升系統(tǒng)

輪椅座位提升系統(tǒng)主要是用來調(diào)整輪椅座位的高度。當乘用人需要抬高身體去拿高處物品時，可以通過操縱輪椅座位升降開關來控制液壓泵工作，使前后四個支腿液壓缸工作，提高座位高度。輪椅座位提升系統(tǒng)主要由電源開關、電磁控制開關、液壓缸、溢流閥、分流閥及管路等組成［1-3］，其系統(tǒng)原理如圖2所示。

輪椅座位提升系統(tǒng)由一個三位四通電磁換向閥控制其工作狀態(tài)，當電磁換向閥處于左位時，液壓泵的壓力油經(jīng)過電磁換向閥的左位，經(jīng)節(jié)流閥到前排分流閥和后排分流閥，然后分別供給前排和后排液壓缸。設置分流閥的目的是使前后四個液壓缸提升平穩(wěn)且同步性好。當?shù)竭_指定高度時，使電磁換向閥處于中位即可切斷油路，座位停止在指定位置。當需要降低座位時，只需使電磁換向閥右位接通，即可控制液壓缸縮回，座位回落。此外，在回油路上設置了一個單向閥，起背壓閥的作用，可以改善座位回落時的平穩(wěn)性。座位最高可以升高42 cm，能夠滿足一般高度拿取東西時的需要。

圖2 輪椅座位提升系統(tǒng)液壓原理圖

2.2 電機驅動控制系統(tǒng)

電機驅動控制系統(tǒng)由48 V直流電源(4塊蓄電池)、速度手柄位置開關、單片機、功率驅動及功率開關電路、速度/電流檢測電路、直流無刷輪邊驅動電機等組成，其驅動控制原理如圖3所示。功率開關電路由6個功率晶體管構成三相全橋逆變電路，把直流電壓轉化為交流電壓，驅動電機運轉。功率驅動電路把單片機輸出的0～5 V的電平控制信號，進行功率放大，轉換到0～15 V，用來控制功率開關電路中的功率晶體管。速度/電流檢測電路采集速度、電流的反饋信號。

2.2.1 驅動電機的選擇

驅動電機選擇直流無刷電機，與輪椅后輪做成一體，其特點是啟動和爬坡力矩大，使用可靠，維護簡單。無刷直流驅動電機輪由電機本體、車輪、轉子位置傳感器、功率開關電路組成，其額定電壓為48 V，額定功率250 W。

2.2.2 控制系統(tǒng)的原理

單片機接收速度控制手柄給定的速度信號，并根據(jù)電流、速度的反饋調(diào)整輸出的PWM信號的占空比，控制電機轉子的轉速。

無刷電機內(nèi)部的霍爾元件的輸出信號經(jīng)過位置信號檢測電路，將電機轉子的當前位傳遞給單片機，單片機根據(jù)此信號計算出電機的轉速，同時輸出對應的換相信號。驅動電路根據(jù)單片機的輸出指令，控制三相橋功率開關電路上下功率管的導通順序和導通時間，從而實現(xiàn)對無刷電機的轉速調(diào)節(jié)。

單片機采用 ATmega103，具有更快的處理速度，具有更低的功耗，可以使蓄電池工作時間更長。該單片機具有獨立的PWM輸出口，可以更靈活地控制PWM的占空比的輸出，內(nèi)置10位的A/D轉換器，8位 PWM發(fā)生器，具有很高的分辨率，使編程更為簡單，采用FQFP64腳的封裝，占用更小的電路板空間，可以利用JTAG進行在線調(diào)試，還可以利用ISP進行程序的下載，多個中斷向量使程序控制更為及時、有效，具有穩(wěn)定性好、抗干擾性及靈活性完善的特點。

2.2.3 系統(tǒng)硬件設計

整個系統(tǒng)主要包括轉子位置檢測電路、測速電路、調(diào)速電路、全橋電路、限流電路等。其中，無刷直流電機由電動機本體、轉子位置檢測器和電子開關電路三部分組成［4］。直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，位置檢測器可隨時檢測轉子的位置，并根據(jù)轉子的位置信號來控制開關管的導通和截止，從而實現(xiàn)電子換向。

單片機控制系統(tǒng)硬件連接如圖4所示，AT-mega103單片機接收ADC0809轉換后的數(shù)字信號以及剎車、加速、減速按鈕的信號，以此決定PB口的輸出、控制PWM的占空比的輸出，進而來進行速度控制、速度顯示燈發(fā)光的個數(shù)控制等。

2.2.4 系統(tǒng)軟件設計

ATmega103在軟件上能有效地支持C語言及匯編語言。目前，匯編語言是嵌入式系統(tǒng)設計的通用語言，它既有模塊化編程、可讀性好、維護方便的特點，又具有對硬件訪問方便、代碼效率高的特點［5］。本設計采用匯編語言編程實現(xiàn)，具有很好的通用性，其程序流程圖如圖5所示。

設置ADC0809的端口地址為0FH，IN0號模擬輸入通道接電池電壓信號，IN1號模擬輸入通道接電機電樞電流信號，IN2號模擬輸入通道接電機轉速信號。設置PWM的端口地址為0EH。

Atmega103的PB口輸出PWM控制信號，由PF口輸入ADC0809轉換后的數(shù)字信號。PC.0口接剎車按鈕，PC.1口接加速按鈕，PC.2口接減速按鈕，PC.3口接啟動按鈕。

2.3 轉向機構的設計

轉向機構主要采用機械傳動，如圖6所示。當乘坐者轉動操控手柄1時，傳動桿2受扭矩發(fā)生轉動，通過滑塊4將力和運動傳動給連桿5，使桿5產(chǎn)生左右運動，從而帶動前輪6左右轉動。這樣，方向控制功能就實現(xiàn)了。其中，支架3起定位作用，以防止傳動桿2在傳遞扭矩的過程中產(chǎn)生彎曲變形。

圖6 轉向機構圖

3 附加裝置設計

3.1 防后翻倒裝置

為防止輪椅因坡度過大，途遇障礙物或使用者坐姿錯誤等原因造成的輪椅突然向后傾倒現(xiàn)象的發(fā)生，本輪椅加設了防后翻倒裝置。具體結構如圖7所示。

圖7 座椅防后翻裝置

3.2 背椅角度調(diào)節(jié)裝置

為了滿足不同使用者的身體狀況需求，提高使用者乘坐時的舒適性，加設了此裝置。為實現(xiàn)此功能，該輪椅采用了當前被廣泛使用的調(diào)角器。調(diào)角器中具有能實現(xiàn)鎖止和解鎖功能并調(diào)節(jié)角度的部件。該部件可與不同的連接板連接而組成不同的調(diào)角器，以適用于不同結構的座椅。

4 結論

該輪椅結構緊湊，裝配簡單，能夠實現(xiàn)批量生產(chǎn)，與同類產(chǎn)品相比，具有較高的性價比且操作便捷，適合老年人和殘疾人使用;結合使用電機驅動系統(tǒng)、液壓調(diào)整系統(tǒng)和相關機械零件可以實現(xiàn)自動行駛;手動轉向、制動及輪椅靠背傾斜角度的調(diào)整，其獨特之處在于能在一定高度范圍內(nèi)自由調(diào)整輪椅高度并自鎖，保證安全，另外實現(xiàn)了手動自由變速且操作簡單;該輪椅的最高時速有待試驗確定，座椅的升降高度需要進一步進行市場調(diào)查研究。

［1］齊曉杰.汽車液壓與氣壓傳動［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［2］吳振順.液壓控制系統(tǒng)［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［3］劉延俊，關浩，周德繁.液壓與氣壓傳動［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［4］于軍琪，陳登峰，何波.單片機原理及應用［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［5］周堅.單片機項目教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.