一種智能限速助起輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

武新濤 ， 廖生溫 ， 劉 暢 ， 尹力涵 ， 李 科 ， 李方強(qiáng)

（巢湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 238024）

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的快速發(fā)展，人們的物質(zhì)文化生活越來越豐富，但是隨著我國(guó)老齡化程度的不斷加深，亟需一種方便老年人生活的輪椅[1]。輪椅是人們?cè)谏钪谐Ｒ姷囊环N醫(yī)護(hù)設(shè)備，適用于行動(dòng)不便的老人和殘疾人士，既能幫助他們方便出行，起到代步的作用，又能提供一定的安全保護(hù)。但是實(shí)際生活中的輪椅大都不太便利，或不太安全，沒有充分考慮防跌倒問題。當(dāng)老人意外跌倒時(shí)也無法及時(shí)報(bào)警，且對(duì)使用者缺乏柔性化，使得老人輪椅在舒適度上有一定缺陷[2]。同時(shí)，我國(guó)現(xiàn)有智能輪椅在助起方面也有空白需要填補(bǔ)，故而需要一種智能限速助起輪椅，防止老人跌倒還能夠提高輪椅的舒適度，并且為老人適當(dāng)鍛煉身體、適當(dāng)步行提供技術(shù)保證。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種智能限速助起輪椅。

1 智能限速助起輪椅的整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的智能限速助起輪椅主要由輪椅基體、智能限速裝置、助起裝置、跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)四個(gè)部分組成。輪椅基體具有一般輪椅的結(jié)構(gòu)，其上裝有智能限速裝置、助起裝置、跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)[3]。助起裝置在輪椅座的下方，使輪椅座旋轉(zhuǎn)一定角度，幫助老人起來。智能限速裝置安裝在輪椅基體上，能夠在輪椅行駛速度過大時(shí)限制輪椅速度，使得輪椅能夠以較為安全的速度行駛。跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)也安裝在輪椅基體上，能夠在老人意外跌倒時(shí)及時(shí)檢測(cè)并把信息傳導(dǎo)到輪椅上的檢測(cè)裝置，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒周圍的人救助老人，并把定位發(fā)送到子女的手機(jī)上。智能限速助起輪椅的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，基體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 智能限速助起輪椅整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 智能限速助起輪椅基體結(jié)構(gòu)示意圖

2 智能限速助起輪椅的工作原理

智能限速助起輪椅的設(shè)計(jì)目的是為老年人生活提供便利，使老年人生活便利化[4]。其工作原理主要包含三大部分：第一部分為智能限速裝置，速度傳感器和加速度傳感器通過導(dǎo)線與控制系統(tǒng)連接，再通過導(dǎo)線控制舵機(jī)內(nèi)部小型電機(jī)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到剎車和限速的目的。第二部分為助起裝置，通過電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)桿件向下運(yùn)動(dòng)和沿軸向運(yùn)動(dòng)，桿件的上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)滑塊的上下運(yùn)動(dòng)來控制輪椅座的翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)助起功能。第三部分為跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，三軸加速度傳感器通過導(dǎo)線與控制系統(tǒng)連接，把信號(hào)通過導(dǎo)線傳導(dǎo)到控制系統(tǒng)上，觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)和自動(dòng)定位系統(tǒng)，輪椅警示燈亮和報(bào)警器響且自動(dòng)定位系統(tǒng)對(duì)輪椅進(jìn)行定位[5]。

3 智能限速助起輪椅的裝置介紹

3.1 智能限速裝置

智能限速裝置安裝于基體上，由剎車裝置、小型舵機(jī)、控制系統(tǒng)及速度傳感器組成[6]。當(dāng)輪椅行駛速度高于設(shè)定的安全速度時(shí)，即每小時(shí)6千米，速度傳感器感應(yīng)到輪椅速度過大，會(huì)發(fā)出信號(hào)給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過分析信號(hào)，再通過編程控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度，舵機(jī)中小型電機(jī)軸與剎車裝置的剎車線相連，通過控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)中的小型電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，利用小型電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度來控制剎車線的拉伸長(zhǎng)度繼而控制兩剎車片與輪胎的間距[7]。當(dāng)輪椅行駛速度過大時(shí)，小型電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度使得兩剎車片與輪胎接觸并產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，使得輪胎速度減小，當(dāng)速度減小到小于規(guī)定的安全速度時(shí)，速度傳感器感應(yīng)到速度低于安全速度，會(huì)發(fā)送信號(hào)給控制電路，控制系統(tǒng)再控制舵機(jī)中小型電機(jī)旋轉(zhuǎn)復(fù)位，通過驅(qū)動(dòng)舵機(jī)中的小型電機(jī)來控制剎車線回到原來長(zhǎng)度，剎車片的回復(fù)有彈簧作用，讓剎車片更好復(fù)位，繼而控制兩剎車片回到原來間距實(shí)現(xiàn)停止減速，智能限速裝置如圖3所示。

圖3 智能限速裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 助起裝置

助起裝置主要原理是通過按壓輪椅扶手上的控制按鈕，接通電路，傳遞信號(hào)，再把信號(hào)通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，從而實(shí)現(xiàn)助起裝置的上下翻轉(zhuǎn)。當(dāng)老人想要從輪椅上起來時(shí)，可以按上升按鈕，此時(shí)電信號(hào)傳導(dǎo)到控制系統(tǒng)內(nèi)部的電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路上，從而控制電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)帶動(dòng)電機(jī)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)軸通過聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸上通過鍵連接有螺旋式凸輪，螺旋式凸輪外部輪廓直徑從右到左逐漸增大，如圖4所示，外部輪廓具有一定厚度。螺旋式凸輪與另一根桿件的末端上圓柱凹槽契合，凹槽的內(nèi)側(cè)寬度比螺旋式凸輪外部輪廓略寬，保證二者之間很好配合，且桿件垂直于電機(jī)軸，桿件外部有套桿，套桿主要功能是當(dāng)桿件向上運(yùn)動(dòng)時(shí)其上通過鉸鏈連接的滑塊也會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，使得對(duì)導(dǎo)軌的摩擦力增加，由于套桿與往復(fù)桿相連接，往復(fù)桿水平直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡與往復(fù)桿套配合。當(dāng)螺旋式凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與螺旋式凸輪外部輪廓接觸的圓柱凹槽配合，進(jìn)而帶動(dòng)與圓柱凹槽相固定桿件[8]。當(dāng)沿著螺旋式凸輪外部輪廓運(yùn)動(dòng)，由于其外部輪廓從右到左逐漸增大，所以使得套桿和往復(fù)桿向左沿軸運(yùn)動(dòng)，同時(shí)桿件向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)桿件向上沿套桿內(nèi)部軌跡運(yùn)動(dòng)，套桿既沿著往復(fù)桿套水平運(yùn)動(dòng)，也帶動(dòng)桿件運(yùn)動(dòng)。桿件帶動(dòng)通過鉸鏈連接的滑塊沿導(dǎo)軌向左運(yùn)動(dòng)。進(jìn)而帶動(dòng)輪椅椅背向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)助起功能。當(dāng)電機(jī)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)螺旋式凸輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而使得桿件能夠向上運(yùn)動(dòng)和沿軸運(yùn)動(dòng)。同理，按下降按鈕，可以控制電機(jī)軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電機(jī)軸以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，桿件向下運(yùn)動(dòng)和沿軸運(yùn)動(dòng)[9]。桿件上方通過鉸鏈連接有滑塊，滑塊與附在輪椅座底部的導(dǎo)軌配合，可實(shí)現(xiàn)通過桿件的上下運(yùn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)來控制輪椅座的翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)助起功能。

圖4 助起裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)包括紅外傳感器、三軸加速度傳感器、報(bào)警系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、自動(dòng)定位系統(tǒng)[10]，如圖5所示。紅外傳感器位于輪椅支架上，通過導(dǎo)線與控制系統(tǒng)連接。三軸加速度傳感器接收端部分位于輪椅固定板上，信號(hào)源位于老人身上，控制系統(tǒng)位于輪椅座下方。報(bào)警系統(tǒng)包括警示燈和報(bào)警器，警示燈、報(bào)警器位于輪椅支架上，報(bào)警器上附著有自動(dòng)定位系統(tǒng)。當(dāng)老人推車跌倒時(shí)，此時(shí)安裝于輪椅支架上的紅外傳感器感應(yīng)到老人高度低于一定值，且與紅外傳感器串聯(lián)的三軸加速度傳感器檢測(cè)到老人身上加速度的變化并發(fā)出信號(hào)，信號(hào)傳導(dǎo)到控制系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)接收信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行綜合分析，而后觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)和自動(dòng)定位系統(tǒng)，此時(shí)輪椅報(bào)警系統(tǒng)上的警示燈亮且報(bào)警器響，報(bào)警系統(tǒng)附著的自動(dòng)定位系統(tǒng)再利用GPS定位技術(shù)，對(duì)輪椅進(jìn)行定位，并把老人位置信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到老人子女手機(jī)上。

圖5 跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的智能限速助起輪椅主要包括輪椅基體、智能限速裝置、助起裝置、跌倒自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。該輪椅利用編程控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，控制輪椅上下翻轉(zhuǎn)和限速。它能解決老年人起立不便及老人跌倒檢測(cè)等一系列問題，為未來智能輪椅領(lǐng)域的發(fā)展提供技術(shù)參考。