一种电动爬楼轮椅的改进设计与研究

2020-11-09马瑞东严海领

中国设备工程 2020年20期

马瑞东，严海领

（中国矿业大学银川学院，宁夏银川 753000）

轮椅是特殊群体在日常生活和工作中频繁要使用到的必需品，更是他们参加社会活动和锻炼的重要工具，随着社会的发展，老龄化的增长，他们在日常生活中，总是会与正常人的生活方式有些许的不同，比如，上下楼梯的活动。据调查，目前，仍然有一大部分老年人住在老旧小区房屋，然而，这些楼体内并没有设计残障通道，电梯等一些辅助老年人和特殊人群的设施，因此，本设想是在现有的轮椅基础上进行改进、创新，设计出一款新型的多功能轮椅。

普通轮椅主要有以下几种行进的方式，来进行日常活动：（1）通过手轮圈或者摇杆和按钮来进行行进的功能。（2）通过轮椅的把手进行推进的运动。（3）有些爬楼的轮椅的爬升是运用履带的行进方式。

这些方式的缺点就是：（1）运用手轮圈的轮椅的行进方式，如果路面有积水，或者路面不干净，往往会使得使用者的手上，衣服上面被弄脏。（2）如果路遇坑洼、泥沙，或者积水的路面时，会使得轮椅陷入无法走动，这样还会影响电动轮椅的电路性能。（3）在上下楼的时候，履带和楼梯的接触面，实际可以看作一条线，摩擦力会很小，实际操作会很危险。

1 改进轮椅结构及原理

图1 后轮圈结构图

通过以上的综述，可以看出，轮椅的轮子对于日常生活影响还是比较大的，所以我们实现对轮椅的轮子的改进，进而使它在行进中拥有很好的通过性，首先，我们对轮椅的车轮进行了拆解，可以看出，普通的电动轮椅的轮子是由后轮、马达、以及前轮组成的一套驱动系统，这样的轮子并不具备爬楼，以及越过一些障碍的能力。所以，我们进行轮椅车轮结构的改进，通过图1可以看出，后轮部分由外部轮圈、中间支撑件、内外轮圈支撑柱、内部轮圈、外部伸缩件、转子、弹簧这些部件组成的，在需要的时候通过外部轮圈部位进行电生磁，以达到使外部轮圈带磁的目的，从而使其与外部伸缩件内部安装的磁铁进行排斥，从而可以将外部伸缩件伸出，以达到辅助特殊人群正常进行日常生活的目的。普通轮椅如图2。

2 控制系统

2.1 控制件的选择

图2 普通轮椅

本设计所采用的控制核心为单片机控制，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能的八位CMOS微控制器，具有8k在系统可编程Flash存储器，STC89C52使用的是经典的MCS-51内核，但做了许多改进，使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。STC89C52单片机使用串口编程。

2.2 传感器的选择

轮椅后轮的高度调节是通过传感器接收到的信号，传输到单片机中，之后再通过算法进行计算，传输出相应的数据，使得后轮面临各种地形时，进行变化，从而可以应对相应的地形，所以，本次选用的传感器是倾角传感器、位置传感器。

2.3 倾角传感器的选择

倾角传感器对轮椅的实时倾角进行捕捉，捕捉后的数据通过单片机的处理，控制后轮部分的运动状态。经过选择，倾角传感器采用的是MST810动态倾角传感器，由于MST810采用更先进的惯导技术，在不借助GPS等的辅助下，精确测量载体的滚动角，该指标控制不受时间限制。所以，本次设计采用MST810动态倾角传感器，进而能够随时监控到使用者的坐姿，通过监控系统调整轮椅的姿态。

2.4 位置传感器的选择

位置传感器是安装在后轮部分的伸出件上的，当后轮的运动状态变化时，位置传感器通过实时的传回各个伸缩件的位置数据，从而可以通过数据的汇总，算出车轮应该达到的最佳状态，这样才能做到让使用者可以更加舒服。采用距离传感器GP2Y0A21YKOF。它由PSD(positionsensitive detector)和IRED (infrared emitting diode)以及信号处理电路三部分组成。由于采用了三角测量方式，被测物体的材质、环境温度以及测量时间都不会影响传感器的测量精度。传感器输出电压值对应探测的距离。通过测量电压值就可以得出所探测物体的距离，所以这款传感器可以用于距离测量、避障等场合。将这样的传感器加在外部伸缩件与外部轮圈之间，这样就可以实时地检测到各个伸缩件与外部轮圈的位置，通过算法的计算，就可以得到一个合适伸出位置。如上所述，将选择的单片机STC89C52、倾角传感器、位置传感器、方向控制、后轮伸出件等综合，构成后轮控制系统，如图3所示。