多路况下防摔倒智能轮椅的研究与设计
2023-01-07华北理工大学河北唐山市063210杜璟慧边俊霞姜娜王明华董琬琦杨曼
（华北理工大学，河北唐山市，063210）杜璟慧 边俊霞 姜娜 王明华 董琬琦 杨曼
随着中国逐渐进入老龄化社会，最新人口普查结果显示中国60岁以上的人口已经达到2.64亿且中国肢体残疾人口达到了8 500万。设计一款针对多路况的智能化防摔倒轮椅，包括面对崎岖道路与潮湿道路的安全防护响应以及高速运行的安全保障已经成为当前的主要任务之一。该轮椅的设计能够有效保障老年人、残疾患者等弱势群体在复杂路况下的行驶安全，对促进市场发展以及医疗辅助具有及其重要的现实意义[3]。
1 轮椅设计
1.1 轮椅的结构设计
运用Pro.E三维建模软件所设计的防摔倒型智能轮椅示意图如图1所示。该轮椅包含以下组成部分：（1）整体式加强车架；（2）左右分体式电池；（3）后轮双电机驱动；(4)脚踏；(5)超声波测距传感器；(6)湿度传感器；(7)速度传感器；(8)制动装置；(9)自动升降式履带；(10)安全气囊；(11)显示屏；(12)状态监测与传输集成盒（condition monitoring and transmission，CMT）。
图1 整体示意图
由于需要根据轮椅座椅前后与地面距离的差值来判断轮椅是否有摔倒风险，此处采用两个超声波测距传感器，分别安装于座椅下方的前后。为了可以更好地监测轮椅的行驶速度和地面的湿度，速度传感器与湿度传感器均安装于轮毂上，制动装置安装与后轮轮毂处。考虑到摔倒时为了更好地保护使用者，在轮椅的两侧均安装了安全气囊。
以上零部件以及传感器的设置为后续实现路况识别以及安全保障做铺垫，具体实现方式参考第三部分。
1.2 轮椅的功能模块设计
针对行动不便的老年人、残疾患者等弱势群体，为保证此类群体的安全出行设计的轮椅。该轮椅具有针对不同路况下的摔倒状态识别与传输、摔倒预警和校正，以及摔倒保护功能。为了让使用者在生活上获得幸福感和满足感。根据以上需求初步确定了多功能轮椅的总体设计方案，主要分为制动装置，自动升降式履带，安全气囊3个部分，以下将针对各部分进行详细描述。
1.2.1 制动装置
制动装置由刹车碟片和刹车器组成如图2，用于及时制动。制动装置主要是为了使轮椅在行驶过程中减速或在最短的距离内停止[4]。
图2 制动装置
以下是本轮椅制动装置的启动原理：在高速行驶时，将轮椅的转速信号转换成脉冲信号，经放大整形之后送入单片机[5]，CMT会依据速度传感器传输的速度数据进行判定，当速度超出第一阈值时，会发出警报并提示乘坐者降低速度，当速度超过第二阈值时，加速电机停止工作，安装于轮毂的缓慢制动装置开始工作，直到速度为0停止工作。
在路面上行驶时，当路面湿度和崎岖程度超过阈值时，安装在横梁上的履带轮会自行下降，增大轮椅于地面的接触面积与摩擦力，从而防止轮椅打滑和颠簸，降低轮椅侧翻的可能性。
1.2.2 安全气囊
安装于轮椅前方挡板与靠背处，用于保护轮椅摔倒状态下的乘坐人。
在使用者摔倒时，安全气囊在乘员的周围形成弹性气垫，及时吸收冲击能量，从而有效地保护使用者的安全，使之免于伤害或减轻伤害程度。
2 案例说明
2.1 崎岖道路
座椅前后的超声波测距传感器会测量出座椅前后离地面的距离（Distance between wheelchair and ground，DWG）前端DWG减去后端DWG的值为DWGS。当在崎岖道路上行驶时，超声波测距传感器测出数据后，会将这些数据传输到CMT。CMT会根据前后两个DWG的值来判定道路的崎岖程度，并做出相应的响应:
当DWGS为正，且只有一个DWG值超出第一阈值时，CMT通过分析判断轮椅进入向后准摔倒状态，此时，CMT发出指令，单片机输出的为低电平，蜂鸣器开始工作发出持续警报声，提醒使用者及路人轮椅有摔倒的危险；同时安装于座椅后方自动弹出装置开始工作，电磁阀上的弹簧带动电磁阀向下转动推出，推杆的另一端塞到卡扣的下侧，向上带动卡扣旋转打开，支架迅速弹出，使轮椅与地面形成支撑，从而防止摔倒。此状态下防摔倒流程如图3所示。
图3 向后准摔倒状态下防摔倒流程图
当DWGS为负，且只有一个DWG值超出第一阈值时，CMT通过分析判断轮椅进入向前准摔倒状态，此时，CMT发出指令，轮胎制动装置开始工作，与车身相连的非旋转元件与车轮相连的旋转元件相互摩擦来阻止车轮的转动；同时将传感器信号转换成脉冲信号，控制电机的运转，通过齿轮来带动升降轴工作，使位于座椅下方的履带轮慢慢下降，使轮椅整体的重心下降，避免摔倒。此状态下防摔倒流程如图4所示。
图4 向前准摔倒状态下防摔倒流程图
当两个DWG均超出第一阈值时，CMT通过分析判断轮椅进入侧翻准摔倒状态，此时，CMT根据分析结果得到座椅的倾斜方向，并向对侧的履带传动装置发出脉冲信号，使对侧履带慢慢下降，对重心进行调整，使轮椅恢复平衡状态。此状态下防摔倒流程如图5所示。
图5 侧翻准摔倒状态下防摔倒流程图
CMT根据传感器输入的数据判断摔倒风险解除后，再次发出指令，蜂鸣器停止工作，警报声消失；卡扣回落，弹出装置自动收回；与车轮相连的旋转元件回到原始位置，制动解除；发出脉冲信号，齿轮反向运转，使升降轴上升，履带向上收回，轮椅继续正常行驶。
2.2 湿滑道路
安装于轮毂上的湿度传感器会监测行驶路面的湿度值，轮椅在路面湿滑的道路上行驶时，CMT会依据湿度传感器传输的湿度值进行路况判定，当路面湿度超过阈值时，CMT发出指令，将信号传输到履带的升降系统，使齿轮开始转动，安装在座椅下的履带轮会自行下降，增大轮椅与地面的接触面积，同时增大与地面的摩擦力，从而减小轮椅对打滑的敏感性，降低摔倒的可能性。此状态下工作流程如图6所示。
图6 湿滑路面时防摔倒流程图
2.3 摔倒保护
当轮椅在行驶过程中，CMT对数据进行分析，DWG与DWGS只要有一个超出第二阈值时，CMT判断轮椅将发生摔倒，向电子控制系统发出指令，执行机构刺破气瓶，使靠垫后方和挡板处的安全气囊迅速充满气体并弹出，在摔倒瞬间打开安全气囊，保护使用者的安全。
3 结论
随着中国的老龄化程度不断加深，老龄化人群和残疾人群等弱势群体数量上升，对轮椅的智能化需求不断上涨，加之在如今这个医护人员紧张、智能生活迅速发展的大环境下，独立使用轮椅生活已成为不可避免的趋势。未来的工作将致力于低成本的多路况防摔倒智能轮椅的设计，让所有老年人可以更加幸福生活。
