基于輔助康復平衡式輪椅的研究

王磊　唐仁貴　管佳鋒

【摘 要】本設計為一個平衡輪椅，能在不同路況行駛過程中自動保持座椅水平，并且能實現幫助乘坐者自助站立活動，可以廣泛的作為腿腳行走不便利的殘障人士或老年人輔助交通工具。作品主要由平衡升降機構部分、扶手升降部分與輪椅行進部分組成。 輪椅下方安裝傳感器，能夠使輪椅在上下斜坡時座椅保持水平，行駛于不同路面，使乘坐者更舒適。輪椅操作靈活，功能豐富。

【關鍵詞】醫療；設備；康復；制造

中圖分類號： R473.74 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）31-0132-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.064

【Abstract】This design is a balanced wheelchair ， can automatically maintain the seat level in different road conditions， and can help passengers to stand on their own. It can be widely used as an auxiliary vehicle for people with disabilities or the elderly who are not convenient for walking on legs and feet. The works are mainly composed of the balance lifting mechanism， the armrest lifting and the wheelchair moving. Sensors are installed below the wheelchair to keep the chair level on the upper and lower slopes and drive on different roads to make the occupants more comfortable. Wheelchair flexible operation， rich functions.

【Key words】Medical； Equipment； Rehabilitation； Manufacturing

1 研制背景及意義

老年人和下肢殘障人士在生活中行動不便，因此智能輪椅是一種很好的代步工具。但是現在市面上的智能輪椅或者功能單一或者價格昂貴。

所以設計一款價格便宜且功能豐富操作方便，能有效幫助使用者的智能輪椅是符合市場需求的，且發展前景廣闊。

2 主要功能和性能指標

本作品主要是用于輔助對象直立行走鍛煉，遇不同路面保持座位水平的平衡輪椅

3 設計方案

3.1 總體方案設計

本次設計的作品為平衡輪椅，使用對象為腿腳行走不便利的殘障人士或老年人。平衡輪椅主要由平衡升降機構部分、扶手升降部分與輪椅行進部分組成。

3.2 平衡升降部分

平衡升降部分主要由兩大機構組成：（1）絲桿鉸鏈升降機構；（2）座椅轉動機構。能實現座椅在不同路況保持水平位置。

3.2.1 絲桿鉸鏈升降機構

絲桿鉸鏈升降機構由電機絲桿、鉸鏈升降機構和滑軌滑槽來進行升降。如圖3-3所示，電動絲桿正反轉，使滑塊沿水平方向左右滑動，從而使鉸鏈升降機構上下移動。

3.2.2 座椅轉動機構

座椅轉動機構主要由支撐軸和轉動軸組成。鉸鏈升降桿上下升降使靠背沿兩側滑軌移動，帶動座椅板繞支撐軸轉動，同時支撐軸沿滑槽前后平動。

例如行進至上坡或下坡路面，傳感器檢測出座椅傾角角度變化，電機做相應的順時針或逆時針轉動，使座椅向相反的方向調整，從而保持水平。

3.3 扶手抬升部分

扶手抬升主要由絲桿電機和滑軌組成，電機帶動絲桿旋轉推動與絲桿螺母連接的扶手沿垂直滑軌上下移動。

工作過程：在輔助直立行走鍛煉時，按下開關，電機絲杠帶動扶手滑軌上下升降，輔助乘坐者由平坐姿勢轉變為站立。

3.4 輪椅行進部分

輪椅行進主要由手動式大型后輪與小型萬向輪（前輪）組成，通過手轉動大型后輪邊上的圓形轉動扶手，在兩邊加不同的力可以實現輪椅的前進與轉向。

3.5 控制電路部分

控制電路部分主要由水平傳感器與控制處理器組成，水平傳感器主要檢測座位的水平偏移角度，使用型號為SCA60C傾斜檢測傳感器模塊，電機采用12伏電源供電。

SCA60C角度傳感器模塊描述，主要芯片有LM393 、傾斜感應探頭，其工作電壓為DC 5V。傾角信號模擬電壓輸出范圍在0-180°對應的輸出電壓為0.5-4.5V。具有雙向傾斜信號報警輸出功能，輸出有效信號低電平指示燈亮。電路板傾斜信號為TTL 高低電平，接單片機IO口。

控制器采用arduino控制，使用電機帶動升降機構控制座位的平衡。傳感器SCA60C處于水平位置時，Vo端輸出+0.5V的模擬電壓。當平衡板轉到使傳感器與水平面成90度的角度時，此時Vo端輸出+5V的模擬電壓。在0～90度的傾角范圍內，Vo端輸出的是正比于傾角大小的+0.5～+5V的模擬電壓信號，輸出端Vo輸出的是從+5V依次變化到+0.5V的模擬電壓信號，經過arduino對信號的處理實現對當前座位狀態的判斷并控制電動機的正反轉以調節角度。

實現控制功能：角度傳感器檢測角度當小于-5°時電動機順時針轉動抬升機構上升，水平后停止。大于5°時電動機逆時針轉動抬升機構下降，使座位始終保持水平。

輪椅行進時遇上坡路面，角度傳感器給出信號，電動機順時針轉動電路開通；反之，下坡時電動機逆時針轉動電路開通。

3.6 坐墊與靠背連接方式

坐墊與靠背使用軸鏈接，并由鏈接件固定靠背和坐墊。靠背和坐墊可以沿軸相對轉動靠背鏈接的滑軌與主體機架相連，座位底部的軸承與固定在主體機架上的滑槽鏈接。

3.7 轉向系統部分

輪椅前部安裝兩個萬向輪用于轉向，每個萬向輪都可以360°旋轉。通過轉動安裝在后面大輪上的圓環形扶手可實現轉向。

轉向方式：右輪順時針轉，左輪順時針轉為左轉；右輪逆時針轉，左輪逆時針為右轉。

4 理論設計計算

電動機和傳動機構

選取額定轉速為50rad/s，額定電壓12v，最大轉矩25kg/cm的直流渦輪電機。

絲桿電動機設計

螺桿的螺距p=1.5mm，中經d2=8mm，承受外力FQ=1000N

得 螺紋升角 Φ=arctan（p/πd2）=3.902°

摩擦角 p=arctanf=arctan0.15=8.53°（1）

擰緊力矩 T=d2/2FQtan（Φ+p）=4×1000tan（3.902°+8.53°）N.mm=892.18 N.mm

擰緊力Ft=FQ（Φ+p）=1000tan（3.902°+8.53°）=209N

齒輪分度圓處力矩T1=T（d2/d）=892.18×（8/27）=264.35N/mm

電動機所需功率P=T1n/（9.55×106）=264.35×50/（9.55×106）=1.384w

總效率：η=η齒輪×η螺旋=0.97×0.6=0.582（2）

電動機所需實際功率Ps：Ps=P/0.582=2.378w

根據廠家提供的電動機型號，選取電動機型號為JGY370-100-30-12V，其功率100w，轉速30rad/min，減速比200。

鉸鏈傳動設計

鉸鏈桿長d鉸鏈=450mm，絲桿長d絲桿=300mm，載重100kg，電機型號JGY370

H總抬升高度=2×h單個抬升高度=2×[√（d鉸鏈2-d絲桿12）-√（d鉸鏈2-d絲桿22）]=2×[√（4502-3002）-√（4502-2002）]=2×（403-335）=136mm

絲桿滑塊移動距離d= d絲桿2- d絲桿1=100mm，抬升高度H總抬升高度=136mm

軸向負載Fa

Fa=F+μmg=0+0.01*100000*9.8=9800N

驅動扭矩Ta

Ta=（Fa*I）/（2*3.14*n1）= 980*5/5.9032≈8300kgf.mm=83N.M

鉸鏈夾角為α

絲桿橫向最大承重能力Fmax

Fmax=2×Fa×tan（αmin/2）=2×9800×0.268=5251N（3）

鉸鏈承受的拉力F鉸鏈

F鉸鏈=F載重/（2·sinα/2）

鉸鏈承受的最大拉力

F鉸鏈=F載重/（2·sinαmin/2）=1000N/（2×0.2588）=1932N

5 創新點及應用

本組作品實際考慮到生活中各種問題，將多種功能集于一體

輪椅的功能豐富，主要有：（1）支撐輔助起立功能：使用者只需按下站立開關，絲桿升降機構幫助乘坐者輔助站立，（2）座椅自動水平：輪椅下方安裝傳感器，能夠使輪椅在上下斜坡時座椅保持水平，行駛于不同路面，使乘坐者更舒適。輪椅操作靈活，功能豐富。

并且本組輪椅可以滿足使用者的多種需求，同時可以為使用者帶來更加舒適的體驗。相較于市面上功能單一且價格昂貴的輪椅，更能滿足市場需求。本組作品無需復雜的機構，價格便宜且功能豐富操作方便，能有效幫助使用者的智能輪椅是符合市場需求的，且發展前景廣闊。

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