三星輪多功能輪椅設計*

劉 鑫 宮逸文 賴文博 陶 程 高 義

1武漢科技大學機械自動化學院 武漢 430081 2武漢科技大學材料與冶金學院 武漢 430081

0 引言

隨著社會老齡化日益加重，我國老年人所占人口比例越來越高，其人數居世界之最。與此同時，目前我國殘疾人群體已經達到8 500余萬人，這一數據仍在不斷上升[1]。行動不便是這兩大群體需要面對的主要問題之一。由于行動不便導致外出機會減少，相比健全的中青年人更加渴望方便出行的生活，故各類輪椅市場需求加大。傳統老式輪椅功能單一，且不便于自己操作，往往還會因地形問題導致種種不便，故各類能克服不良地形的特殊輪胎以及減少人為操作難度的自動化技術開始運用于輪椅。

針對目前國內已有的各式輪椅，項目組對現有輪椅市場開展調研，深入了解目前國內已有輪椅技術的隱患與缺陷，存在不能自如的上下樓梯、自動化程度低、使用者起身困難等問題。基于此，本文經過改善優化后設計出能更好地適應殘疾人與老年人的三星輪多功能輪椅。

如圖1所示，三星輪多功能輪椅通過結合機械結構與機械傳動的方式，針對座椅與扶手架改善了使用者坐上輪椅以及從輪椅上站起時的體驗感。針對久坐導致的不適感，通過電動機運轉帶動椅背實現椅背按摩技術，極大程度改善了使用感受。

圖1 三星輪多功能輪椅全景圖

1 三星輪多功能輪椅方案設計

1.1 機械方案設計

座椅部分主要由伺服電動機和傳動齒輪與絲桿機構相互配合組成[2]。在坐墊下方兩側安裝2套相同的絲桿機構，兩側的絲桿在伺服電動機的帶動下沿相同方向旋轉，從而改變支撐桿角度，以此實現坐墊的翻轉，為使用者在落座和起身時提供支持力；在椅背部分采用曲柄搖桿機構原理，利用絲桿轉動的方式帶動滑塊移動，從而使得下方導桿可以帶動椅背旋轉。椅背按摩部分，利用伺服電動機帶動錐齒輪旋轉從而帶動與之嚙合的直齒輪轉動，使曲柄滑塊的周期性運動而達到按摩的功能。

輪胎部分為三星輪機構，伺服電動機通過帶動連接兩側三星輪的輪軸旋轉，帶動三星輪中的中心齒輪旋轉，通過中間將中心齒輪與星輪連接的小齒輪傳動從而帶動3個星輪旋轉。平地行駛時，只需將中間小齒輪放松，由中心齒輪帶動與地面接觸的兩個星輪運動，三星輪整體向前平動；爬樓行駛時，則將中間連接的小齒輪鎖死，由中心齒輪旋轉帶動整個三星輪系共同向前翻轉運動。

1.2 系統組成設計

三星輪多功能輪椅改善了輪椅的輪胎與座椅2個部分。產品的2個核心部分為傳動系統和控制系統。

1）傳動系統 2部分均由伺服電動機和傳動齒輪以及絲桿機構組成[3]。通過伺服電動機實現無級調速平緩調整坐墊與扶手架，可為使用者提供動力幫助；實現根據使用者需要調整背部按摩節奏；實現根據不同情況有效控制三星輪旋轉方式。

2）控制系統 主要為離線控制系統，采用單片機作為主控芯片，可由使用者根據自身需求調整輪椅內各部分，同時實現各部件配合銜接穩定，盡可能減少在調整過程中可能存在的滯澀情況。

2 機械結構設計

2.1 坐墊輔助裝置設計

如圖2所示，坐墊輔助裝置由2根絲桿搭配導桿鏈接組成，導桿一端通過鉸鏈鏈接在滾珠絲桿的螺母上，另一端則通過鉸鏈鏈接坐墊尾部，伺服電動機帶動絲桿轉動，使得螺母在絲桿上的位置改變。導桿支撐點的改變，使得導桿將坐墊尾端支撐起來，從而為使用者從輪椅上起身時提供支持力，便于更好地離開輪椅。

圖2 坐墊輔助裝置

2.2 椅背調節及按摩裝置設計

如圖3所示，椅背調節裝置利用曲柄搖桿機構的原理，通過伺服電動機控制帶動絲桿旋轉，控制滑塊上下運動，從而使得導桿隨之運動，進而改變椅背的傾斜角度。椅背按摩裝置由一個伺服電動機錐齒輪旋轉從而帶動與之嚙合的直齒輪轉動，再帶動一端的齒輪轉動，進而帶動上下2個傳動齒輪旋轉，再由傳動齒輪帶動上下2根齒輪軸旋轉，利用曲柄滑塊的周期性運動實現按摩的功能[4]。

圖3 椅背調節及按摩裝置

2.3 三星輪傳動裝置設計

如圖4所示，其工作時由伺服電動機帶動中間的大齒輪同軸轉動，再通過大齒輪帶動與之嚙合的3個小齒輪轉動，3個小齒輪利用齒輪軸傳動帶動兩側三星輪旋轉實現平地行駛時三星輪向前平動[5]；在面對爬坡過程中，鎖死三星輪中的小齒輪，伺服電動機仍能給大齒輪提供更大的扭矩，從而使得三星輪系翻轉。在前后輪傳動中，采用連桿將輪椅的驅動方式變為全輪驅動，實現在運動過程中面對各種地形動力充沛[6]。

圖4 三星輪傳動裝置

3 控制系統設計

3.1 控制系統流程圖

控制系統主要采用4個STC15F2K60S2型集成CPU作為主控芯片[7]，實現坐墊輔助裝置、椅背調節裝置、按摩裝置和三星輪傳動裝置獨立工作，各機構運行過程互不沖突，能實現功能多線程運行和實時精確控制，其控制流程如圖5所示[8]。

圖5 輪椅控制系統流程圖

3.2 電路原理圖

輪椅的電路主要由集成主板部分、多線程運行部分、動力傳輸部分、輔助支撐部分組成，由CPU主板對4個54ZYT-14205伺服電動機進行控制，繼而實現對輪椅各功能的調節與控制，其原理圖如圖6所示。

圖6 輪椅各部分控制電路原理圖

3.3 電動機選型

輪胎材質為橡膠，輪胎半徑r為0.15 m，傳動比u為40，滾動摩阻系數f為0.005 m，額定最高速度v1為15 km/h，額定載重G為1 000 N，機械傳動效率n為0.76。

1）理論平地行駛分析

2）理論爬梯分析

本輪椅爬梯時額定時速v2為1.2 km/h，三星輪等效半徑R為0.3 m，設計最大爬梯角為30°，由此得出爬梯時電動機所需提供的v2扭矩為

由式（1）、式（2）可得電動機既能提供較大扭矩輸出，又滿足轉速調節范圍（40～1 200 r/min）的要求。因此，本輪椅的電動機選用低速直流勵磁電動機，此類電動機的轉速可通過加在電動機上的電壓進行調節，并且擁有各類電動機中最廣的轉速調節范圍，同時具備較強的扭矩輸出能力。此外，選用直流電動機還具備無級變速和自適應扭矩輸出兩大優點。

4 材料選取

機構主體采用2種不同的鋁合金材料，分別為6061系和7005系鋁材；機構零件部分則采用45號結構鋼。

1）6061系鋁材 運用于整體機架。該鋁材密度小，具有一定強度，且有可焊性與抗蝕性高的工業結構性，采用該鋁材同時可以有效地降低機架的質量；

2）7005系鋁材 運用于絲桿，輪軸等傳動部件，采用該鋁材，可滿足本產品對于絲桿等傳動部分的高強度與高斷裂韌性的焊接結構需求，確保傳動裝置的正常運行。

3）45號結構鋼 運用于齒輪等諸多的零部件，采用該優質碳素鋼，可實現產品零部件對于較高強度的耐磨性和韌性需求，確保機構運行的穩定性。

5 應用效果

使用前給實驗的仿真人偶放置于輪椅上，并由操作人員通過兩邊扶手上的操作盤進行操作，通過傳感器實時反映人偶在輪椅上時，坐墊調節、椅背調節、椅背按摩以及三星輪爬樓過程中人偶背部以及臀部的受力情況。開始實驗后，操作人員旋動椅背調節按鈕，隨后并依次調試椅背按摩、輪胎運動狀態反復變化，最后人偶離開座椅時坐墊支撐輔助起身裝置。

6 結論

三星輪多功能輪椅將多種技術相結合，旨在為傷殘人士以及行動不便的老年人群體設計一款使用體驗更佳的輪椅。不同于市面上的各類輪椅，三星輪多功能輪椅通過伺服電動機控制滾珠絲桿傳動以及曲柄搖桿裝置運轉實現輪椅上的坐墊、椅背、按摩裝置等功能的調節；在三星輪傳動設計中，通過連桿將前后輪轉換為全輪驅動，為爬樓過程提供充沛動力。通過將各類新型技術混合運用于三星輪多功能輪椅設計，使其更加適合傷殘人士以及行動不便的老年人使用，為其提供更好的使用體驗和舒適感。