一種電動爬樓輪椅的改進設計與研究

馬瑞東，嚴海領

（中國礦業大學銀川學院，寧夏 銀川 753000）

輪椅是特殊群體在日常生活和工作中頻繁要使用到的必需品，更是他們參加社會活動和鍛煉的重要工具，隨著社會的發展，老齡化的增長，他們在日常生活中，總是會與正常人的生活方式有些許的不同，比如，上下樓梯的活動。據調查，目前，仍然有一大部分老年人住在老舊小區房屋，然而，這些樓體內并沒有設計殘障通道，電梯等一些輔助老年人和特殊人群的設施，因此，本設想是在現有的輪椅基礎上進行改進、創新，設計出一款新型的多功能輪椅。

普通輪椅主要有以下幾種行進的方式，來進行日?；顒樱海?）通過手輪圈或者搖桿和按鈕來進行行進的功能。（2）通過輪椅的把手進行推進的運動。（3）有些爬樓的輪椅的爬升是運用履帶的行進方式。

這些方式的缺點就是：（1）運用手輪圈的輪椅的行進方式，如果路面有積水，或者路面不干凈，往往會使得使用者的手上，衣服上面被弄臟。（2）如果路遇坑洼、泥沙，或者積水的路面時，會使得輪椅陷入無法走動，這樣還會影響電動輪椅的電路性能。（3）在上下樓的時候，履帶和樓梯的接觸面，實際可以看作一條線，摩擦力會很小，實際操作會很危險。

1 改進輪椅結構及原理

圖1 后輪圈結構圖

通過以上的綜述，可以看出，輪椅的輪子對于日常生活影響還是比較大的，所以我們實現對輪椅的輪子的改進，進而使它在行進中擁有很好的通過性，首先，我們對輪椅的車輪進行了拆解，可以看出，普通的電動輪椅的輪子是由后輪、馬達、以及前輪組成的一套驅動系統，這樣的輪子并不具備爬樓，以及越過一些障礙的能力。所以，我們進行輪椅車輪結構的改進，通過圖1可以看出，后輪部分由外部輪圈、中間支撐件、內外輪圈支撐柱、內部輪圈、外部伸縮件、轉子、彈簧這些部件組成的，在需要的時候通過外部輪圈部位進行電生磁，以達到使外部輪圈帶磁的目的，從而使其與外部伸縮件內部安裝的磁鐵進行排斥，從而可以將外部伸縮件伸出，以達到輔助特殊人群正常進行日常生活的目的。普通輪椅如圖2。

2 控制系統

2.1 控制件的選擇

圖2 普通輪椅

本設計所采用的控制核心為單片機控制，STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能的八位CMOS微控制器，具有8k在系統可編程Flash存儲器，STC89C52使用的是經典的MCS-51內核，但做了許多改進，使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。STC89C52單片機使用串口編程。

2.2 傳感器的選擇

輪椅后輪的高度調節是通過傳感器接收到的信號，傳輸到單片機中，之后再通過算法進行計算，傳輸出相應的數據，使得后輪面臨各種地形時，進行變化，從而可以應對相應的地形，所以，本次選用的傳感器是傾角傳感器、位置傳感器。

2.3 傾角傳感器的選擇

傾角傳感器對輪椅的實時傾角進行捕捉，捕捉后的數據通過單片機的處理，控制后輪部分的運動狀態。經過選擇，傾角傳感器采用的是MST810動態傾角傳感器，由于MST810采用更先進的慣導技術，在不借助GPS等的輔助下，精確測量載體的滾動角，該指標控制不受時間限制。所以，本次設計采用MST810動態傾角傳感器，進而能夠隨時監控到使用者的坐姿，通過監控系統調整輪椅的姿態。

2.4 位置傳感器的選擇

位置傳感器是安裝在后輪部分的伸出件上的，當后輪的運動狀態變化時，位置傳感器通過實時的傳回各個伸縮件的位置數據，從而可以通過數據的匯總，算出車輪應該達到的最佳狀態，這樣才能做到讓使用者可以更加舒服。采用距離傳感器GP2Y0A21YKOF。它由PSD(positionsensitive detector)和IRED (infrared emitting diode)以及信號處理電路三部分組成。由于采用了三角測量方式，被測物體的材質、環境溫度以及測量時間都不會影響傳感器的測量精度。傳感器輸出電壓值對應探測的距離。通過測量電壓值就可以得出所探測物體的距離，所以這款傳感器可以用于距離測量、避障等場合。將這樣的傳感器加在外部伸縮件與外部輪圈之間，這樣就可以實時地檢測到各個伸縮件與外部輪圈的位置，通過算法的計算，就可以得到一個合適伸出位置。如上所述，將選擇的單片機STC89C52、傾角傳感器、位置傳感器、方向控制、后輪伸出件等綜合，構成后輪控制系統，如圖3所示。

圖3 系統方案

3 算法的處理

這套輪椅的程序的算法，程序所用到的算法是通過C語言寫出的，通過在單片機中寫入程序，然后，再通過傳感器的數據傳回，從而可以控制輪椅的運動狀態。算法流程圖如圖4。

圖4 算法流程圖

4 輪椅模型建立

我們在普通輪椅的基礎上進行改造后，經過模型的建立，就得到了圖5，這樣的三維模型，主要是通過后輪部位的伸縮件的伸出和收回，來達到減震、爬樓、越過障礙的動作的，相對于普通的輪椅，已有大的方面的改進，能夠幫助到需求的特殊人群。

圖5 輪椅三維模型

5 結語

本文通過對現在社會的輪椅中存在的問題進行論述，通過硬件和軟件的設計，把輪椅的后輪作為進行改進的主要點，以及通過各種傳感器的配合使用，在設計的過程中，通過硬件的模塊化的設計，所以可以使得各個模塊得到相對獨立的控制作用，便于調節，也為當今社會的輪椅的設計提供了一個可參考的技術方案。