全向移動可調節式輪椅設計

陳寶林，張公永

（1.濱州學院 機電工程系，山東 濱州 256600；2.濱州學院 電氣工程系，山東 濱州 256600）

如何設計和制造功能更加完善、人性化的輪椅是殘疾人士最為關心的問題，而現在市場上的輪椅大都需要人力推動，在狹小空間移動不靈活，使用不方便，并且大多輪椅存在價格昂貴，功能單一的弊端。因此設計一款輕便小巧、結構緊湊、簡單易用、價格低廉、功能強大的輪椅是刻不容緩的。全向移動可調節式輪椅擁有以上特點，可使殘疾人士更好的生活與工作，同時可節省家庭護理費用[1]。

1 總體設計方案

全向移動可調節式輪椅主要由框架、動力系統、控制系統、升降系統四部分構成。框架各數據根據人體工程學原理設計；動力系統包括電機、傳動裝置、麥克納姆輪；控制系統包括單片機、穩壓模塊、電機驅動、按鈕、操控桿等；升降系統包括液壓電動千斤頂、滑道、固態繼電器。總體設計方案框圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 主要硬件設計選擇

圖1 總體設計方案框圖Fig.1 Block diagram of the overall design

1）框架設計：扶手支架呈三角形，節省材料的同時增加了支架穩固性；座椅據人體工程學原理設計座深800 mm，寬600 mm，距地面的高度為530 mm。

2）電機的選用：采用額定電壓 24 V、功率 250 W、轉速300 r/min的電機，內置10：1減速箱，降低轉速，增大轉矩，同時斷電狀態作為駐車裝置[2]。

3）傳動裝置：采用鏈傳動，鏈傳動無彈性滑動和打滑，能保持準確的平均傳動比，傳動效率高，可在惡劣環境條件下正常工作。本輪椅共有4套相同型號的鏈條與鏈輪相互配合，并使它們安裝在底盤上的位置相互關聯，成中心對稱分布，目的使每個輪子能夠獨立的進行控制，這樣設計也便輪椅在運動過程中有良好的穩定性；

4）選用麥克納姆輪：麥克納姆輪是一種全向輪，其輪緣上斜45度分布12個滾子，可把一部分的車輪轉向力轉換到法向面上，依靠各自機輪的方向和速度不同產生合力矢量實現全向移動。

2.2 關鍵結構材料選擇

1）全向移動可調節式輪椅可容納一人，底盤采用焊接式連接，整體尺寸為650 mm*530 mm*370 mm，上部采用20 mm*20 mm方管搭建外殼支架，外殼材料選用0.3 mm厚的有機板，通過鉚釘使有機板材料固定在外殼支架上，減輕重量的同時，極大的減小了行進產生的噪音。

2）根據實際需要，電機下部焊接4 mm鋼板，電機底座與鋼板用螺栓連接，以保證電機牢固及底盤結構的穩固。

3）麥克納姆輪連接軸采用直徑為20 mm光軸，光軸進行機加工其上形成鍵槽，光軸與麥克納姆輪通過鍵連接位置相對固定，光軸上安裝軸承，利用軸承座固定在底盤上。這樣主要受力軸與輪子的連接已經基本完成。

4）為了保證座椅上升或下降的平穩，在底盤上豎直焊接有4個立柱，每個立柱內側固定有鋼珠式滑軌，滑軌一端與座椅下方連接，當電動液壓千斤頂運動時會帶動滑軌的同步運動。依靠滑軌的同步移動即可使座椅的上升、下降保持平穩。

5）麥克納姆輪邊緣分布諸多滾子，滾子的軸線與其輪子的回轉軸線成斜45度，而且諸多滾子的包絡面形成一個圓柱，這保證了輪椅移動與地面的良好接觸。每個輪子有3個自由度，分別是：繞滾子軸線轉動、繞輪子轉動和繞地面的接觸點轉動[3]。

2.3 主要部件受力校核

麥克納姆輪與電機連接軸的校核[4]：

假設性分析：成年人的體重80 kg，整車重40 kg，連接軸直徑20 mm，長度70 mm，支點處于軸的兩端，通過鏈條連接。

由橫向彎曲最大正應力公式：

橫截面為圓的抗彎界面系數的計算公式為：

人重與車重之和為120 kg，F=ma=300 N，由于軸的兩端受力，所以最大危險截面在中間位置，連接軸使用材料10NiCr5-4的許用應力為150 Mp。可得：

經計算，其實際切應力小于許用切應力，因此連接軸不會被損壞。

2.4 輔助部件的設計

輔助部件包括：控制箱、腳踏板及座椅后方的儲物筐等。為了方便安裝與檢修控制箱設計為翻蓋式，最大翻轉角120度；腳踏板的中心位置用銷穿過，使腳踏板在35度范圍內任意轉動，每個使用者可自行調節；針對殘疾人士的需要在座椅后方設計儲物筐。

2.5 行駛速度計算

每臺電機在額定功率下的空轉速度為3 000 r/min，通過減速比為10:1的減速箱，計算得輸出轉速300 r/min。車輪直徑203.5 mm，周長為1 319.43 mm。由于車輪與電機通過鏈傳動連接，則該輪椅能在無負載全速行駛的情況下時速為24 km/h。由于采用四輪獨立驅動，這樣4臺電機提供的扭矩總和遠大于每臺電機的扭矩，所以即使在負載的情況下該輪椅的時速也不會小于15 km/h，據以上數據可知該車完全能滿足行駛速度的需要。

3 控制系統設計

全向移動可調節式輪椅的電氣系統由ATmega16單片機模塊、電源模塊、電機驅動模塊、直流電機。它的控制系統框圖如圖2所示。操作者通過對按鍵和對八方位搖桿的動作使得單片機接收信號，電機的驅動模塊接收到單片機的命令后對電機進行驅動，進而帶動麥克納姆輪旋轉實現全方位移動或者千斤頂開始帶動座椅的上升下降。

圖2 控制系統框圖Fig.2 Control system block diagram

3.1 運動控制過程

利用穩壓模塊為AVR單片機提供穩定電能，操控信號經單片機和電機驅動模塊后，利用PWM控制4個電機單獨運轉，從而帶動4個輪子有不同的轉速和轉向，4個輪子相互配合運動實現全方位移動[5]。

3.2 升降功能控制

當輪椅移動到合適位置，可根據拿取物品的高度按動左扶手前端的升降按鈕，此時AVR單片機接收信號控制固態繼電器的通斷，可使電動液壓千斤頂得電，千斤頂帶動座椅進而完成升降。千斤頂選用藍貝爾NE-345、12 V液壓電動千斤頂，最大伸縮范圍0～200 mm并且可在此范圍內任意停留[6]。座椅下方的4個立柱內側安裝有滑道，在豎直伸縮時保證座椅升降的平穩性。

3.3 控制流程圖

控制系統的流程如圖3所示，控制系統利用軟件實現多個行為模塊的控制，行為模塊包括：座椅的上升、下降模塊；輪椅的直線運動模塊；斜向運動模塊以及原地旋轉模塊。可以按照要求選擇不同的模塊從而進行不同的控制。

圖3 控制流程圖Fig.3 Control flow graph

4 性能測試

通過上述分析計算已經對輪椅的硬件結構、控制系統等有了全面認知，最終進行加工制作得到了全向移動可調式輪椅，它的整體外觀如圖4所示。

圖4 整體外觀圖Fig.4 Overall Appearance

全方位移動通過4個大功率直流減速電機和一套麥克納姆輪的獨立運轉實現。使用者操控方向控制搖桿發出移動命令，MCU立即響應中斷，開始處理所發出的指令，隨后退出中斷服務程序，通過利用定時器對PWM信號進行模擬，使MCU輸出相應的信號控制電機驅動器的使能端，進而控制電機轉動。由于麥克納姆輪的特殊結構，輪子對地的作用力并不垂直于支撐面，這時加上獨立電機的協調配合便可使行進方向與水平合力方向一致，實現全方位移動[7]。

升降功能通過電動液壓千斤頂來提供上升動力，使用者按動升降按鈕，單片機接收信號，然后發出命令控制固態繼電器的通斷。當正向導通時電動液壓千斤頂開始帶動座椅平穩的上升，最終到達所需高度。當突然斷電時，由于千斤頂的自鎖功能從而會保持座椅目前的高度[8]，而不會導致意外的發生。具體性能指標如表1所示。

表1 全向移動可調節式輪椅性能指標Tab.1 Omnidirectional mobile adjustable wheelchair performance

5 結 論

全向移動可調節式輪椅是針對殘障人士及體弱老人而設計，立足于安全、經濟、實用與智能的基本理念。利用麥克納姆輪實現全向移動，提高運動的靈活性；輪椅可以平穩升降，高度可調，易于使用者取放高處物品；搖桿式電動控制，使用更輕松、控制更方便。結構設計合理，外形美觀，能夠迎合市場的需求，市場上暫無同類產品，有較好的市場前景。

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