基于麦克纳姆轮的半自主辅助如厕轮椅设计

2019-11-10李雨潭马博杨瑞洋王鹏程宋晓斌徐泽成袁博

科技创新与应用 2019年30期

李雨潭马博杨瑞洋王鹏程宋晓斌徐泽成袁博

摘要：我国人口老龄化的日趋严重，轮椅作为老年人的代步工具得到了广泛的应用，但当前绝大多数轮椅也仅仅起到了代步作用。针对老人或下肢不方便者如厕困难问题，文章设计了一种基于麦克纳姆轮的半自主辅助如厕轮椅。该轮椅采用麦克纳姆轮进行全向移动，通过电动推杆实现坐卧两种状态变换，安装有半自动升降扶手。轮椅实用性较强，能够较好的解决老年人和下肢不便者自行如厕问题。

关键词：轮椅;麦克纳姆轮;老年人;辅助如厕

中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）30-0032-02

Abstract： The aging population in China is becoming more and more serious， wheelchair as a walking tool for the elderly has been widely used， but at present， the vast majority of wheelchairs have only played the role of walking. In order to solve the problem that it is difficult for the elderly or those with inconvenient lower limbs to go to the toilet， a semi-autonomous auxiliary toilet wheelchair based on McNham wheel is designed in this paper. The wheelchair uses McNham wheel for omni-directional movement， and the electric push rod is used to realize the change of sitting and lying state， and the semi-automatic lifting handrail is installed. Wheelchair practical， can better solve the elderly and lower limb inconvenience to go to the toilet on their own.

Keywords： wheelchair; McNham wheel; elderly; auxiliary toilet

1 概述

隨着年龄的增长，人体下肢力量会减弱，引起起身行走困难，这会导致老年人生活不能自理，生活需要有人照顾，给老人以及其家庭上带来一定的困扰。轮椅是解决老年人自主行走的重要工具，但当前轮椅结构还比较单一，仅具有辅助行走功能，部分高档轮椅可以与床衔接，实现坐卧变换，但这些功能还远远不够。老年人如厕次数多，对于下肢不便者，上厕所成为影响其生活的头等大事，因此本文将设计一款可以辅助老年人如厕的轮椅。

2 轮椅的结构设计

2.1 轮椅的整体性能要求

对于下肢不便者，由于其无法自行站立行走，因此轮椅必须具有坐卧两种状态，以便能够与床衔接;轮椅必须具有全向行走能力和灵活的转向能力;具有升降扶手辅助老年人站立，并支撑老年人身体[1-4]。因此，基于上述功能要求，本文将采用麦克纳姆轮作为轮椅的主要行走部件，其能够在任意方向上实现平移和原地旋转;采用三段式支撑结构，两两通过销轴连接，能够灵活转动，并使用电动推杆实现坐卧两种姿态的变换;采用剪式升降机构作为扶手，实现扶手的上下升降。同时，采用Arduino单片机作为轮椅的核心控制单元，实现轮椅的各种运动[5]。

2.2 行走系统设计

全向移动可自动调节轮椅的底盘使用四个麦克纳姆轮，分别为两个左旋轮和两个右旋轮，如图1所示。4个麦克纳姆轮由4个电机通过减速器实现驱动，以保证每个麦克纳姆轮在轮椅的运行过程中都可以输出动力。

麦克纳姆轮的重点在于如何控制其正常行走。当左右两个轮子的转向相反时，轮椅车前进或后退;当左右两边轮子的转向转速相同时，轮椅车向左移动或向右移动;当左右两边轮子的转向相同，转速不同，可实现轮椅车向任意方向运动[6]。其运动示意图以及右前轮轴心速度分析如图2所示。

图2（a）中，以小车的底盘几何中心O点为原点建立XOY坐标系。底盘的运动可以分解为3个分量[Vx、ω、Vy]，其中，为Z轴ω的角速度;辊子的速度为υ;为底Vx盘沿轴方X向的速度;Vy为底盘沿Y轴方向的速度;i=1、2、3、4为右前轮、左前轮、右后轮、左后轮;α为麦克纳姆轮的轮毂轴与辊子转轴的夹角，在此α=45°。图2（b）为右前轮轴心速度分析，其中， ω为原点O点的速度; r为O点到右前轮中心点O1点的距离;V为轮子的轴心处O1速度，Vr为轮子轴心速度沿垂直于方r向（即切线方向）的速度分量;Vt为原点O点的速度。

根据受力和运动分析，可计算出椅车底盘的逆运动学关系式如式（1）所示：

根据公式（1），若实现轮椅车的不同运动状态，只需要调节各麦克纳姆轮的转速即可实现。

2.3 坐卧姿态转换与升降扶手设计

坐卧姿态转换与升降扶手均是通过电动推杆实现。结构如图3所示。这两种结构的设计的重点均是电动推杆参数的计算。

如图3（a）所示，以轮椅靠背的升降为例进行计算说明。夹角？琢的变化范围是90°到180°，这也是电动推广的两个极限状态。因此，根据几何知识，可以得到

（c-b）2=a2+（105+l）2-2·a·d·cos？琢

式中：d为推杆的伸缩量，105为电动推杆的固有参数。

根据公式（2）即可正确选择电动推杆。

3 结论

为了帮助行动不便老年人顺利如厕，本文设计了一种基于麦克纳姆轮的半自主辅助如厕轮椅。该轮椅可以实现全向移动，实现坐卧姿态转换，能够辅助并支撑老年人站立，对改善老年人生活质量有着极大的意义。

参考文献：

[1]周雪.基于舒适度的轮椅设计研究[J].工业设计，2017（2）：63-64.