基于辅助康复平衡式轮椅的研究

2018-03-30王磊唐仁贵管佳锋

科技视界 2018年31期

王磊　唐仁贵　管佳锋

【摘要】本设计为一个平衡轮椅，能在不同路况行驶过程中自动保持座椅水平，并且能实现帮助乘坐者自助站立活动，可以广泛的作为腿脚行走不便利的残障人士或老年人辅助交通工具。作品主要由平衡升降机构部分、扶手升降部分与轮椅行进部分组成。轮椅下方安装传感器，能够使轮椅在上下斜坡时座椅保持水平，行驶于不同路面，使乘坐者更舒适。轮椅操作灵活，功能丰富。

【关键词】医疗；设备；康复；制造

中图分类号： R473.74 文献标识码： A 文章编号： 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

老年人和下肢残障人士在生活中行动不便，因此智能轮椅是一种很好的代步工具。但是现在市面上的智能轮椅或者功能单一或者价格昂贵。

所以设计一款价格便宜且功能丰富操作方便，能有效帮助使用者的智能轮椅是符合市场需求的，且发展前景广阔。

2 主要功能和性能指标

本作品主要是用于辅助对象直立行走锻炼，遇不同路面保持座位水平的平衡轮椅

3 设计方案

3.1 总体方案设计

本次设计的作品为平衡轮椅，使用对象为腿脚行走不便利的残障人士或老年人。平衡轮椅主要由平衡升降机构部分、扶手升降部分与轮椅行进部分组成。

3.2 平衡升降部分

平衡升降部分主要由两大机构组成：（1）丝杆铰链升降机构；（2）座椅转动机构。能实现座椅在不同路况保持水平位置。

3.2.1 丝杆铰链升降机构

丝杆铰链升降机构由电机丝杆、铰链升降机构和滑轨滑槽来进行升降。如图3-3所示，电动丝杆正反转，使滑块沿水平方向左右滑动，从而使铰链升降机构上下移动。

3.2.2 座椅转动机构

座椅转动机构主要由支撑轴和转动轴组成。铰链升降杆上下升降使靠背沿两侧滑轨移动，带动座椅板绕支撑轴转动，同时支撑轴沿滑槽前后平动。

例如行进至上坡或下坡路面，传感器检测出座椅倾角角度变化，电机做相应的顺时针或逆时针转动，使座椅向相反的方向调整，从而保持水平。

3.3 扶手抬升部分

扶手抬升主要由丝杆电机和滑轨组成，电机带动丝杆旋转推动与丝杆螺母连接的扶手沿垂直滑轨上下移动。

工作过程：在辅助直立行走锻炼时，按下开关，电机丝杠带动扶手滑轨上下升降，辅助乘坐者由平坐姿势转变为站立。

3.4 轮椅行进部分

轮椅行进主要由手动式大型后轮与小型万向轮（前轮）组成，通过手转动大型后轮边上的圆形转动扶手，在两边加不同的力可以实现轮椅的前进与转向。

3.5 控制电路部分

控制电路部分主要由水平传感器与控制处理器组成，水平传感器主要检测座位的水平偏移角度，使用型号为SCA60C倾斜检测传感器模块，电机采用12伏电源供电。

SCA60C角度传感器模块描述，主要芯片有LM393 、倾斜感应探头，其工作电压为DC 5V。倾角信号模拟电压输出范围在0-180°对应的输出电压为0.5-4.5V。具有双向倾斜信号报警输出功能，输出有效信号低电平指示灯亮。电路板倾斜信号为TTL 高低电平，接单片机IO口。

控制器采用arduino控制，使用电机带动升降机构控制座位的平衡。传感器SCA60C处于水平位置时，Vo端输出+0.5V的模拟电压。当平衡板转到使传感器与水平面成90度的角度时，此时Vo端输出+5V的模拟电压。在0～90度的倾角范围内，Vo端输出的是正比于倾角大小的+0.5～+5V的模拟电压信号，输出端Vo输出的是从+5V依次变化到+0.5V的模拟电压信号，经过arduino对信号的处理实现对当前座位状态的判断并控制电动机的正反转以调节角度。

实现控制功能：角度传感器检测角度当小于-5°时电动机顺时针转动抬升机构上升，水平后停止。大于5°时电动机逆时针转动抬升机构下降，使座位始终保持水平。

轮椅行进时遇上坡路面，角度传感器给出信号，电动机顺时针转动电路开通；反之，下坡时电动机逆时针转动电路开通。

3.6 坐垫与靠背连接方式

坐垫与靠背使用轴链接，并由链接件固定靠背和坐垫。靠背和坐垫可以沿轴相对转动靠背链接的滑轨与主体机架相连，座位底部的轴承与固定在主体机架上的滑槽链接。

3.7 转向系统部分

轮椅前部安装两个万向轮用于转向，每个万向轮都可以360°旋转。通过转动安装在后面大轮上的圆环形扶手可实现转向。

转向方式：右轮顺时针转，左轮顺时针转为左转；右轮逆时针转，左轮逆时针为右转。

4 理论设计计算

电动机和传动机构

选取额定转速为50rad/s，额定电压12v，最大转矩25kg/cm的直流涡轮电机。

丝杆电动机设计

螺杆的螺距p=1.5mm，中经d2=8mm，承受外力FQ=1000N