一种智能化多路况护理装置的创新设计

何 庆，杨 俊，于庆龙

(江苏理工学院 机械工程学院，江苏 常州 213001)

1 研究现状

护理装置(尤其是轮椅类)已成为行动不便的高龄群体、残障人士等不可缺少的代步工具之一，但传统轮椅不能解决复杂地形顺畅通过等难题，尤其是崎岖道路或阶梯段则需要在他人的帮助下才能顺利通过，并且传统的机型及人机互动模式等方面也不够理想。

目前市面上已有的自动可攀爬轮椅一般有两种类型：一是后置折叠履带式电动轮椅,实现了上楼梯的攀爬,平地行驶时将履带向靠背折叠，依靠滚轮行走，灵活小巧。但是,此类装置在攀爬时使用者背靠楼梯，需有人从旁辅助牵引。二是下置伸缩顶杆式电动轮椅，滚轮下方顶杆通过前后摆动和上下伸缩的配合实现阶梯攀爬，可单人操控，但运行缓慢，可适用楼梯类型较少。

目前德国乌尔姆大学在专用于商业轮椅设备的基础上，又研发了轮椅式的机器人[1],此类型的机器人可以在大批客流的公共场合中,能够通过自动识别和分析检测出前、后方是否存在被路人拦截，还能够及时地警醒被阻挡的车辆和行人。对于智能轮椅方面的研究我国虽然起步较晚，且在其机构设计的优良性方面与国外产品相比仍然存在着一定的差距,但也有依靠自身技术特点而研发试制出新产品的优势，如中国科学院自动化研究所自主设计研发的一种多模态、智能型护理轮椅,它既具有视觉和语音导航两大优势,也可以进行人机交互[2]；上海交通大学成功地为患有全身瘫痪的残疾病人设计了具有声呐系统、红外线感应、摄像头等多种传感器、不同运转工作模式的智能轮椅。但目前国内多数的智能护理装置仍然处于试制阶段,并没有真正实现规模产业化，所以仍有大量的研究工作需要去做。

2 结构创新设计

在以上分析的基础上，我们创新设计了智能化多路况护理装置外形图，如图1所示。

图1 智能化多路况护理装置外形图

2.1 行走机构设计

本智能化多路况护理装置的行走机构如图2所示。采用三角形的履带型机构，是用1个驱动轮与2个从动轮所构造的轮系机构固定到支撑架上,驱动车轮带动装置的整体运动。针对前置从动轮及后置从动轮轮径进行优化设计,提高了接触角，实现对大倾斜角地况的适用性。三角形的履带型机构在设计上结合了传统的轮式和履带型的特征，运动较为灵活，同时履带相对于轮式的吸附、履带之间的接触范围更大，吸附力也更大，负载能力强，且三角形结构更加稳定坚固。在进行越障情况下,普通轮式的牵引力并没有完全克服土壤的阻力来带动该装置向前行驶，在相同的条件下，三角形履带型相比于轮式具有较大的牵引传动系数及较高的牵引效率，所以经过改进的新型装置在特定区域(如积雪、泥泞、崎岖等路段)具备较好的越障优势。

1.前置从动轮；2.连接支架；3.驱动轮；4.后置从动轮；5.三角履带 图2 三角履带的结构设计

主动轮与前置从动轮进行交错设计,同时保留一定的缓震行程，减少履带轮高度从而降低轮椅重心，提高其稳定性。普通轮椅与地面之间为一定线性的纵向接触,有的甚至还要同时做到非定点性的横向接触,而三角形的履带轮由于两个履带将完全接触并碰到一个湿滑缓冲，在履带引导轮再次穿越湿滑路障时,履带完全紧紧地附着于湿滑路障上,使得这个湿滑路障就可以转化而成为原先正常行驶和湿滑路面的组成部分，再一次有效地减小了对道路冲击的抑制效果，达到较好的减速和消除减震阻力的目的；同时这在该装置中即使遇到交通路障等也未必会使其产生较大的颠簸，使乘坐人获得良好的舒适感。

2.1.1 驱动轮设计

驱动轮主要用于承受利用重力等支撑驱动轮架在轴和前轴之间运动形成的纵向三角形结构时的支撑力，同时还要承受支撑履带的纵向阻力和支撑后轴轮架对整个驱动轮的横向推进力，如图3所示。主动轮和承载履带与在每个主动轮上的各个承载物以及履带一起需要受到承载物的力和履带张力，进行水平分解,将每个承载物的履带受力按照履带水平转动方向和履带横向或竖直的转动方向分别进行分解计算，根据牛顿-欧拉公式[3]，可以计算得到对主动轮的力和承载物履带受力求解分析的力学关系式：

式中：Fa1、Fa2为撑轮架产生的支持力；αa1、αa2为撑轮架作用力与中心线的夹角；Tf、Tb为前进方向和后面履带产生的张紧力；αf、αb为张紧力与中心线的夹角；m1为主动轮和其上履带的质量；B为履带的厚度；r1为主动轮的半径；M为驱动力矩；J1为主动轮及轮上履带的转动惯量。

图3 驱动轮受力分析

2.1.2 电机功率确定

在进行护理装置轮椅的功能设计时，考虑到崎岖路面不平整和复杂的特殊陡坡地形,将电动轮椅功率折算为一种具有快速爬坡的运动能力模式来用于计算车轮动力机构的最大功率。在正常情况下，轮椅按照额定车轮转速10km/h时来进行功率计算：

Ft=Gsinα+μmFn=mg(sinα+cosα)

(2)

(3)

式中：P为轮椅的最大行驶功率；G为设备传动装置和额定承载装置重量的一个总体承载重力；m为设备传动装置和额定传动负荷承载重量的总承载质量,可取150kg；g为一个总体重力的额定加速度；V为装置行驶的速度；μm为其在运行时的传动阻力系数,一般取0.18；η为；传动效率,一般取0.9；α为其在斜面上的倾角,可取10°。

由公式(2)、(3)，可以计算出驱动功率参数为：2.88kW,在考虑其他因素后确定驱动电机的额定功率为：3kW。

2.2 主控系统的设计

主控制器采用的是单片机，ARM内核拥有高速的运算能力及丰富的串口及控制功能,方便外接各类模块,还可存储系统的一些参数,包括GPS定位经纬度、心率数据、云端下发命令数据等。其主控系统框图如图4所示。

图4 主控系统框图

2.2.1 GPS模块

GPS模块是一个带有高性能和高精度的定位功能模块，其体积小，便于安装,同时具有极好的性能，定位精度能够达到8m。该模块能够通过串口通讯对其进行设置，包括数据刷新间隔、获取的数据种类、获取的数据来源等。在获取数据后,该模块能够将信息保存在内部的FLASH中,可以做到随时取用。该模块带IPX口,能够方便地进行通讯，工作电压为3.3V/5V，能够方便地连接单片机进行供电。

2.2.2 避障设计

可以进行测距的传感器有多种，例如红外传感器,超声波传感器等。红外传感器主要目的就是通过利用光线进行反射的原理，对于透明的障碍物就可能有一定的影响。红外传感器,因其价格和成本都比较低，抵抗干扰性和防御能力方面却不如超声波的好。超声波测距的工作原理是：当超声波模块中产生超声波后,单片机的计时器就已经开始进行计时[4]。超声波在遇到障碍物时就会被反射,超声波模块在单片机中接收到一个反射波之后,就会自动停止计时。根据收发超声波所造成的时间误差,便可以准确地计算得出超声波模块和障碍物之间的距离。因此，超声波测距受环境影响较小，使用场所也较广泛，价格合理，故在本装置中选择使用超声波进行避障。

2.3 液压抬升机构设计

液压抬升机构的工作原理，如图5所示。伸缩式套筒油缸3与底架1采用销轴2联接，套筒油缸3从油箱5中吸取液压油至无杆腔，伸缩式套筒油缸3的活塞右端与护理装置底座的铰支座相连接,当无杆腔开始进油时，套筒油缸3的活塞开始对护理装置底座施加推力，使护理装置底座4向前倾斜，使其在爬楼、上坡时始终保持座椅位置水平；当爬楼、上坡结束时，套筒油缸3无杆腔的液压油缓慢回到油箱，活塞对护理装置4的底座推力逐渐减少直至底座回到与底架1的同一水平面。由于套筒油缸3右侧无支撑架，当没有液压油进入无杆腔，无推力时，其也将因为重力因素回到底架1的同一水平面上。

1.底架；2.销轴；3.套筒油缸；4.护理装置底座；5.油箱图5 液压抬升机构工作原理图

液压抬升机构后置于轮椅底座下部，在上、下坡及阶梯环境时，起到将座椅角度稳定至水平的作用，使用者以一种舒适安全的姿态进行爬坡行驶。结合翻转气缸，上下阶梯时座椅始终保持水平，提高了本护理装置的安全性和舒适性。避免使用者因全身重力集中而造成安全事故，保持轮椅装置的重心稳定，减少使用者的不适感，同时也提高了装置的可靠性。

2.4 性能特点

本智能化多路况护理装置的创新点可归纳为：

(1)越障能力强。采用履带进行越障式行走，越障式履带的各个结构组件采用了不锈橡胶材质履带，与普通不锈钢式橡胶履带行走相比，其履带承载力强[5]，操作舒适性高，噪声低，缓冲性好。

(2)行走平顺性好。主动轮支架与从动轮轴之间分别设置了减震器，爬行阶梯时对于履带产生阻力，这使得减震器承受压应力[6]，提高了本装置在行走时的安全感。

(3)人机交互性好。设置触摸屏辅助操控，简化人机交互难度，实现语音触摸操控和夜间自动照明，多传感器信息融合，大大提高了该装置的安全系数。

(4)智能化护理。结合护理设备的语音识别、动态避障、多种传感器的信息交换与融合、实时装置自适应引擎导航监测和控制；轮椅的扶手上设置了触摸屏，以便可支持5G、蓝牙等通讯，进而可实现一键报警等新功能，同时也能辅助进行车载人员的心率检测、体温检测等功能的集成，做到智能化护理。

3 结语

随着我国人口步入老龄化阶段的加快，智能化的轮椅类设备已成为行动不便的群体等不可缺少的代步工具，如智能化多路况护理装置作为此类人群的人机交互的护理装置之一，可帮助解决该类人群不便出门活动的窘境，让行动不便的老人们真正实现想到哪，就能利用本装置“走”到哪的愿望，实现多路况的平稳运行。采用电池提供动力，既节能又环保，因此，智能化多路况护理装置将有广阔的发展前景。