引言

近些年來,由于我國人口老齡化的加劇,老年人群所占比例增大,對于輪椅的需求量也急劇增加,但是我國的輪椅行業(yè)產品結構不夠多元化,普通輪椅的性能較差,適用路況較為單一,而高端一點的電動輪椅和調平輪椅則因為經費以及技術水平的不足一直處于停滯不前的狀態(tài),且輪椅缺乏自主避障、自動控制、導航功能。目前,普通輪椅主要適合在平坦地面上使用,越野性能差,無法在草地、河邊、崎嶇不平的道路上安全行駛,也不能攀越路牙石等障礙,制約了使用者的活動范圍。本項目結合現有的智能輪椅及機器人技術,研發(fā)了一種具有越野性能、座椅可自動調平的電動輪椅,使其具有良好的地形通過性與適應性,輪椅的座椅可以根據地形調整,保證座椅始終水平,且可以自動調整座椅的位置,保證行駛的穩(wěn)定性,從而拓寬了輪椅的可使用范圍,使輪椅具有自主性,更加人性化。

1機械結構部分分析

項目所涉及的座椅可自動調平的越野輪椅的核心在于座椅部分,座椅有上下兩塊座椅平臺,下平臺固定于輪椅上,兩個MG996舵機固定在下平臺,兩個萬向聯(lián)軸器用來連接曲柄以及保證上平臺可自由轉動,一個陀螺儀(附著于上座椅平臺)用來檢測角度,還有兩個曲柄以及一個STM32F103單片機。調平系統(tǒng)基本結構如圖1所示。整體的座椅組成較為簡單,所需元件不多,且元件的價格比較便宜,適用于大規(guī)模生產投放市場。

輪椅框架則是使用樹莓派和USB攝像頭,在Linux環(huán)境下使用openCV對攝像頭采集的數據進行處理,達到自動避障效果。

2控制系統(tǒng)部分分析

該型輪椅具有手動控制和自動控制兩種方式,在驅動系統(tǒng)發(fā)生故障或意外斷電的情況下,可以進行手動控制調平座位,在此我們主要分析其自動控制部分。其核心的座椅自動調平部分是采用MPU6050陀螺儀與STM32F103單片機、MG996舵機等元件組成,陀螺儀檢測角度信息,得出使用者坐姿的四個維度,而后將這些信息傳送給與其相連的STM32F103單片機,單片機根據所獲取的信息運行程序啟動MG996舵機,舵機控制兩個曲柄往復運動調整座椅的上平臺,使之始終與地面保持水平,從而實現座椅的自動調平,并且不影響輪椅的正常行駛。座椅的調平系統(tǒng)原理如圖2所示。

座椅可自動調平的輪椅主要功能在于適應多種復雜路況的同時可以進行座椅的實時調平,避免使用中在上下坡等情況下由于重心不穩(wěn)定而發(fā)生事故,甚至造成更大的損失,其實時調平的功能會給使用者在通過復雜地貌如上下坡或爬天橋時一種如履平地的體驗,又因為輪椅所設定路況坡度在普遍路況范圍以內(傾角5°~15°),適度的前后左右調平擺動會給使用者更舒適的使用體驗。而超出此傾角范圍的震蕩會超出人體可接受的震蕩幅度,給使用者造成人體傷害。如若碰到路況復雜程度、傾斜角度超出設定范圍,則經陀螺儀測定傳給單片機之后停止對舵機發(fā)出指令,使輪椅不再進行調平操作,直至重新進入滿足條件的路況系統(tǒng)重新運行,單片機繼續(xù)發(fā)出指令控制舵機運轉驅動曲柄進行調平操作。

座椅調平系統(tǒng)的主要元件及型號、作用如表1所示。

3同類產品對比

目前所存在的調平機構大體分為三種,我們分別與其對比,結果如下:

(1)與利用平臺自重調平機構相比,本項目機構結構更為簡單,成本更低,而且因為座椅重量更小,相比于這種機構,本項目機構不易出現震蕩,很容易實現自動控制。

(2)與利用平衡四連桿調平機構相比,平衡四連桿機構的平行四邊形機構會導致結構不緊湊穩(wěn)固,容易發(fā)生事故,且調平所需空間較大,不適用于實際使用的輪椅。

(3)與液壓調平機構相比,液壓調平機構體積過于龐大,并且液壓傳動系統(tǒng)運行過程中會使用潤滑油等能夠帶來衛(wèi)生問題的產品,不適用于輪椅這一產品。

與以上三種已存在的調平機構相比較,本項目采用的陀螺儀檢測角度,單片機分析信息,控制舵機運行帶動曲柄調平這一方案,結構更加簡單,成本低,輪椅體積小,更加清潔衛(wèi)生,且自動控制效果更好。同時,在電動控制調平部分出現故障的情況下,本機構可手動調平,讓使用者有多種調平體驗。

4結語

在當前人口老齡化的大潮下,老年人口的增多使得中青年一代生存壓力增大,作為一件有效的代步工具,輪椅在當今時代需求量巨大,也應得到重視與研發(fā),更多的高智能型、高自動化輪椅應被開發(fā)出來造福行動不便的老年群體。本項目所研發(fā)的利用陀螺儀檢測方向,單片機輸送指令運轉舵機控制曲柄調平的新型座椅可自動調平的越野輪椅具有成本低,安全穩(wěn)定性能高,智能自動化程度高的優(yōu)勢條件,在后續(xù)的生產實踐中肯定會有廣闊的發(fā)展前景,其存在的問題也有待我們進一步探索解決,從而推動輪椅的高度自動化、智能化,解決當前社會普遍存在的老人自理能力差的問題,有利于社會和諧。