三角輪和履帶復合式觸摸屏智能輪椅的設計

基于我國大多數地區低于7層以下的樓房沒有安裝電梯的現狀，為了解決下肢傷殘者和年老體弱者上下樓不方便的窘狀，本系統設計了基于ARM11系統與C52單片機配合控制、采用三角輪系式機構與履帶式移動機構結合的智能輪椅。著重解決爬坡及上樓梯的平衡、攀登等問題，使用戶可以依靠智能輪椅登上樓梯。經測試，系統運行良好，具有良好的交互界面和修改設置等功能界面，平衡性較好，能夠較好的實現智能爬樓梯的目的。

輪椅是下肢傷殘者和年老體弱者出門必不可少的代步工具，傳統輪椅不具備爬樓和越障功能，故而上下樓很不方便。隨著機器人技術的發展，各種新型移動式機器人輪椅不斷涌現。對于新型輪椅來說，爬樓和越障能力是衡量其性能的重要指標。在各類研究中，吳曉龍，覃忠等人研究的新型可爬梯式智能輪椅，解決的是醫院孕婦、母嬰人群身旁無護理人員時不能自我處理的難題，其設計采用Y型行星輪作為爬梯輪椅行走部件及驅動系統構建型輪椅結構，其最大爬坡角度為15°左右。本文采用三腳輪和履帶復合式結構，智能控制中采用ARM11和89C52單片機以及觸摸屏來實現。

一、系統結構設計

本文旨在設計一款能夠正面上樓梯的輪椅，其設計思路歸結為硬件和軟件兩個分類，硬件設計主要考慮攀爬和安全問題。在攀爬方面，輪椅前輪采用三角輪，當輪椅遇到樓梯或障礙物時，可以為輪椅提供上揚角度，再寄由后輪履帶輪的推力使得輪椅有足夠的力氣爬梯和越障；在安全方面，輪椅采用水平測量模塊及平衡撐桿來為用戶提供平衡保障，水平測量模塊安裝于座椅下，當用戶的座椅與水平面傾角超出設定范圍時，C52芯片通過LMD18200 驅動芯片驅動平衡撐桿，使得座椅與水平面傾角回歸安全范圍。

二、硬件和軟件設計

本系統主要由硬件和軟件構成，其中硬件主要包含輪椅前輪，輪椅后輪，輪椅履帶，及輪椅的骨架等。輪椅的骨架設計主要通過使用美國CNC Software Inc.公司的Mastercam X6軟件進行設計的。輪椅前輪采用三角式移動機構，可使輪椅遇到樓梯或障礙物時達到攀爬樓梯，為輪椅車頭提供上揚角度的目的。輪椅后輪采用履帶式移動機構，該結構抓地力強，具有穩定的提供攀爬力的功能，能夠為輪椅在攀爬樓梯時提供安全穩定的攀爬力。輪椅的履帶輪采用同步帶，為了使同步帶在使用中保持穩定的傳動，必須讓同步帶維持在正確的工作位置以及保障同步輪對應齒的咬合。

硬件的動力設計采用伺服電機加減速機的模式。通過計算，推動輪椅前進的選擇為功率2600W的交流伺服電機。履帶輪的主傳動輪半徑為5cm，采用1/12的行星減速機，可將轉矩提升至2400N，保障電機能推動240kg以下的物體。

軟件設計，主要采用ARM11系列中的Tiny6410作為主控版，通過對STC89C52從控制和SCA100T雙傾角傳感器來控制輪椅的平衡。用戶通過觸摸屏操作，控制ARM11芯片，ARM11芯片將指令傳給對于C52芯片，并完成相應的電機控制、監控控制、平衡控制等工作。用戶通過觸摸屏控制輪椅及對ARM11下達操作命令，ARM11根據用戶的指令，進一步向對應的STC89C52發送指令，ARM11獲取QT操作界面的信息后，向對應的C52傳達平衡、電機控制、剎車等操作命令。ARM11根據C52的反饋信息不斷對C52的指令進行更新，以進一步達到用戶所下達的操作命令的要求。

三、系統實現與測試

本系統是基于ARM11與C52單片機配合進行控制，c52單片機控制輪椅的驅動電機，通信協議采用工業通用的modbus協議，輪椅的平衡通過水平測量模塊SCA100T來獲取水平數值，同時系統具有良好的人機界面，具有控制和修改的功能。用戶通過LCD觸摸屏控制，操作界面如圖3.1所示，用戶通過選擇加速，減速，剎車，調整輪椅行駛，界面中右上角的四個警示標志即四個感嘆號分別代表不同的危機情況：黑色圓圈感嘆號代表輪椅驅動出現異常；紅色圓圈感嘆號代表電機溫度過高；黃色三角感嘆號代表電機電量不足；黑色三角感嘆號代表輪椅平衡異常，提醒用戶恢復自動平衡。

四、結語

本系統旨在創造出一輛能夠正面上樓梯的輪椅，并著重解決了：從推力需求出發進行了電機選型、ARM11芯片指揮C52芯片控制電機驅動、前輪三角輪式移動機構調整車頭仰角、復合式移動機構移動機構推力的實現；C52獲取水平測量模塊數據以及驅動電動推桿的方式等問題。系統運行良好，實現了實際初衷。（作者單位為廣東科技學院）