杜妍辰，管振興

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和物質(zhì)生活水平的不斷提高，殘疾人士對(duì)智能輪椅的渴望越來越高，輪椅不僅是他們的代步工具，而且它的智能性、安全性、舒適性也是非常必要的。在大多情況下，地面的路況往往是復(fù)雜的，非常平坦無顛簸的路面相對(duì)較少，因此，對(duì)輪椅的減震性能和安全性能要求較高。目前，針對(duì)智能座椅功能的設(shè)計(jì)，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究。李雪蓮[1]提出了輪椅的自主避障導(dǎo)航、安全性等； 夏進(jìn)軍、吳志遠(yuǎn)等[2-3]從殘疾人的心理出發(fā)，設(shè)計(jì)了用戶體驗(yàn)高的智能輪椅； 王麗軍、王景川等[4]研究了輪椅的最優(yōu)路徑規(guī)劃。但是，他們都是強(qiáng)調(diào)輪椅的智能性與安全性，沒有考慮輪椅在不平坦道路行走時(shí)的減震性、安全性和舒適性。傳統(tǒng)的彈簧減震裝置存在壽命短、剛度不可調(diào)、靈活度差的缺點(diǎn)，使用時(shí)間越長，輪椅的減震效果越差，且對(duì)殘疾人的脊椎部位有一定的傷害，容易給殘障人士的身體和心理造成二次創(chuàng)傷。本文在傳統(tǒng)智能輪椅的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，提出電磁減震技術(shù)，設(shè)計(jì)電磁減震柱應(yīng)用于輪椅減震，增加輪椅在行駛過程中的平穩(wěn)性與舒適性。

1 設(shè)計(jì)原則與需求

(1)殘疾人心理需求分析

輪椅的設(shè)計(jì)主要是為腿腳不便的殘障人士和老年人，起初的目的主要是給予他們行動(dòng)上的方便[5-6]，但是在科技迅速發(fā)展的今天，身體需要僅僅是一方面，更重要的是殘障人士的心理需求。殘障人士更渴望像正常人那樣行動(dòng)和生活，周圍的人像普通人那樣看待他們，輪椅就是替代他們行走的工具，智能性和舒適性是一直以來輪椅設(shè)計(jì)的初衷。但是輪椅良好的減震性能往往容易被人忽視，殘疾人本身已經(jīng)在身體上受到了傷害，減震效果差的輪椅在長期使用后容易給他們帶來頸椎等疾病，會(huì)給殘障人士造成二次傷害，也更容易造成他們的心理創(chuàng)傷。

(2)輪椅使用時(shí)效性

現(xiàn)在智能輪椅的功能包含自動(dòng)識(shí)別導(dǎo)航、語音識(shí)別控制、防碰撞等眾多功能[7-8]，所以它的價(jià)格相較而言還是比較昂貴的，因此對(duì)輪椅的使用年限和時(shí)效性也相對(duì)要求較高。在輪椅的實(shí)際使用過程中，地面往往大都不是光滑平整的，輪椅在行駛過程中的減震性能也是尤為重要的。但是，傳統(tǒng)的智能輪椅在設(shè)計(jì)的過程中，往往采用的是彈簧減震等減震裝置，但是彈簧減震存在壽命短、剛度不可調(diào)、靈活度差等缺點(diǎn)，長時(shí)間使用后，輪椅的減震性能大大下降，縮短了輪椅的使用壽命，也對(duì)殘疾人的頸椎造成巨大的傷害。所以，本文設(shè)計(jì)的電磁減震裝置是通過線圈纏繞電磁控制，利用同性相斥的原理減震，不但增加了輪椅的使用年限，而且保證了每次使用時(shí)的減震效果，解決了彈簧在長時(shí)間使用后減震效果下降的弊端。

(3)自適應(yīng)調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)的智能輪椅在出廠后，它的減震裝置都是固定不能調(diào)節(jié)的，輪椅的高度也是通過手動(dòng)自行調(diào)節(jié)。但是不同類型的人有高矮胖瘦之分，普適的減震裝置在設(shè)計(jì)上是有欠缺的，在實(shí)際過程中往往不能夠帶給殘疾人最佳舒適感的體驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)的電磁減震裝置是通過傳感器檢測(cè)人的身高和體重以及路面的實(shí)際路況，自適應(yīng)調(diào)節(jié)電磁強(qiáng)弱從而控制輪椅的平穩(wěn)行駛，進(jìn)而達(dá)到最佳的減震效果。

(4)安全性

智能輪椅在行駛的過程中，是具有一定的速度的，使用輪椅的一般都是腿腳不便的人，速度過快時(shí)若地面突然出現(xiàn)人眼未發(fā)現(xiàn)的顛簸等狀況，人在輪椅上由于慣性作用有前傾跌倒的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這種情況，在電磁減震裝置的基礎(chǔ)上，輪椅的椅背處輔以設(shè)計(jì)環(huán)抱減震帶，可以根據(jù)人的胖瘦自行調(diào)節(jié)松緊舒適度，既能與電磁減震裝置配合減震，又能保證輪椅的安全性。不用的時(shí)候環(huán)抱帶可以自動(dòng)收縮到椅背后，不占用任何空間，便捷性強(qiáng)。

2 設(shè)計(jì)方案

(1)設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)代智能輪椅在設(shè)計(jì)的時(shí)候往往大多采用彈簧的減震形式，而彈簧在長久使用后減震效果將會(huì)大大下降，而且彈簧剛度不可調(diào)適應(yīng)性差。本文在設(shè)計(jì)的時(shí)候參考了磁懸浮列車的一些原理設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)想若是人能夠懸浮在半空中前進(jìn)，那么不管地面是平坦還是顛簸，對(duì)人都是沒有影響的。所以由此采用了電磁技術(shù)來減震，根據(jù)同性相斥的原理，利用傳感器，根據(jù)人的身高和體重以及地面的實(shí)際狀況，自適應(yīng)調(diào)節(jié)電磁強(qiáng)弱來控制減震，達(dá)到最佳的減震目的。

(2)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

輪椅的電磁減震裝置主要包括電磁減震柱、椅座、環(huán)抱減震裝置和控制單元。如圖1為智能輪椅主結(jié)構(gòu)圖，圖2、圖3為電磁減震裝置的實(shí)心柱和空心柱，其中，1為實(shí)心柱，2為線圈，3為孔，4為線圈保護(hù)套，5為空心柱，6為長軸。電磁減震柱包括上下兩部分，上部為實(shí)心柱，下部為空心柱，表面分別纏繞線圈，利用同性相斥原理，通電后實(shí)心柱可以懸浮在空心柱中央，實(shí)心柱中心設(shè)置有孔，空心柱內(nèi)部固定有長軸，孔和長軸契合，便于垂直上下運(yùn)動(dòng)。其中，空心柱內(nèi)直徑大于實(shí)心柱外直徑，實(shí)心柱和空心柱的線圈外部設(shè)有保護(hù)套。當(dāng)路面不平坦振動(dòng)時(shí)，根據(jù)壓力傳感器傳出的信號(hào)，通過控制單元自動(dòng)調(diào)節(jié)電磁強(qiáng)弱，增大或減小空心柱對(duì)實(shí)心柱的排斥力度，能夠有效地減少因振動(dòng)對(duì)殘障人士脊椎的傷害，進(jìn)而達(dá)到最佳的減震效果和舒適度。椅座固定在電磁減震柱的實(shí)心柱的上部，其中椅座的椅面中部和椅面的前部設(shè)置有壓力傳感器，監(jiān)測(cè)人的體重和地面顛簸狀況。環(huán)抱減震裝置是設(shè)置在椅座的椅背上，能夠?qū)⑷谁h(huán)抱鎖住，增加輪椅在行駛過程中的安全性，不用的時(shí)候自動(dòng)收縮到椅背后，便捷美觀。

控制單元包括數(shù)據(jù)處理機(jī)，其中數(shù)據(jù)處理機(jī)分別與壓力傳感器、環(huán)抱減震裝置以及電磁減震柱相連接。壓力傳感器檢測(cè)到地面的顛簸狀況，然后將信號(hào)傳輸?shù)娇刂贫嗽?，?jīng)控制單元轉(zhuǎn)換后控制電磁減震柱的電磁強(qiáng)弱自動(dòng)升降達(dá)到減震的目的?？刂屏鞒虉D如圖4所示。

圖1 智能輪椅結(jié)構(gòu)圖

圖2 電磁減震裝置實(shí)心柱局部放大圖

圖3 電磁減震裝置空心柱局部放大圖Fig.3 Partial enlarged view of hollow column of electromagnetic damping device

圖4控制流程圖

Fig.4Controlflowchart

(3)工作方式

在地面顛簸時(shí)，傳統(tǒng)智能輪椅的彈簧減震裝置是通過彈簧的收縮來減震，但是彈簧隨著時(shí)間的推移減震效果是不斷減弱的，而且剛度不可調(diào)、靈活性差，不能適應(yīng)不同類型的人和實(shí)際路況。本文設(shè)計(jì)的電磁減震輪椅，當(dāng)人坐在輪椅上，椅面上的壓力傳感器可以根據(jù)檢測(cè)到的體重，將信號(hào)傳輸給控制單元處理，然后控制單元發(fā)出信號(hào)調(diào)節(jié)電磁強(qiáng)弱控制椅面升降將人調(diào)整到一個(gè)最舒適的角度，適應(yīng)不同類型腿腳不便的殘障人士和老年人。輪椅在地面行駛的過程中，由傳感器檢測(cè)地面的顛簸程度從而帶來的壓力變化，控制單元控制電磁強(qiáng)弱調(diào)整座椅隨人的位置變化而自適應(yīng)升降，因此減震效果最佳人也最舒適。輪椅在行駛中，環(huán)抱裝置緊扣人的腰部，第一，使人與輪椅達(dá)到最佳契合度增強(qiáng)減震的效果； 第二，輪椅具有一定的速度，遇到復(fù)雜路況時(shí)的突發(fā)狀況可以提高輪椅的安全性。

3 結(jié)論

現(xiàn)代輪椅的發(fā)展向著更加智能與舒適的方向不斷前進(jìn)，但是它的價(jià)格也是不菲，所以輪椅的使用壽命和是否會(huì)對(duì)殘障人士造成二次傷害是近年來國內(nèi)外學(xué)者一直關(guān)心的問題。通過設(shè)計(jì)電磁式減震輪椅，首先, 符合現(xiàn)代化智能發(fā)展的要求，其次, 根據(jù)不同類型的人和路況自適應(yīng)調(diào)節(jié)電磁強(qiáng)弱控制輪椅達(dá)到最佳減震效果，增加了減震系統(tǒng)的靈活性； 再次，通過環(huán)抱裝置將人緊緊抱住，與電磁減震柱互相輔助提高減震性能，也增加了輪椅整體使用過程中的安全性； 最后，輪椅優(yōu)秀的減震效果可以減小對(duì)殘障人士頸椎的危害，從而避免了對(duì)他們身體和心理的二次傷害。所以，輪椅的電磁減震裝置既符合了智能輪椅發(fā)展的模塊化需求，也加速了它整體的不斷向前發(fā)展。