張夢涵 王 偉 程煥然 楊 宇 王春鵬 賈秉霖

（東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱150000）

1 概述

目前我國已經(jīng)進入人口老齡化社會, 我國不僅是人口最多的國家,也是老年人最多的國家。由于社會競爭加大,很多年輕人外出打工使得空巢老人的數(shù)量增加。這其中有很多老年人生活不能自理。家具的使用功能指的是臥具在使用者的生活與工作方面發(fā)揮的效能即指其具體的使用目的和使用要求。[1]多功能臥具的設計已經(jīng)不僅停留在實用性的角度上很多產(chǎn)品是以“視覺超現(xiàn)代”和“功能超舒適”的形式出現(xiàn)也吸引了更多的目光。[2]現(xiàn)在的輪椅的種類有很多種類型(如:手推型輪椅、電動輪椅、運動型輪椅、躺式輪椅和折疊式輪椅),但是據(jù)小組調(diào)查,上述種類的輪椅,存在著不能自動、不能適應環(huán)境、局限性高、功能少等缺點劣勢, 且將床和輪椅進行結合的形式出現(xiàn)能夠充分地利用好空間價值和提高家具的使用價值[3]。據(jù)此,本設計將輪椅和床身進行結合,引入傳感器等的系統(tǒng)控制,去除手動的復雜成分,不僅能實現(xiàn)比其他類型輪椅還多的功能, 而且還可以簡單地通過有線或無線的遙控設備, 對功能進行轉換的自動化輔助智能輪椅,更適合老人及康復人員等人群。

2 可分離多功能輪椅設計

2.1 總體設計。床的尺寸是1.2 米X2 米的單人床,床的框架采用45 號鋼制成,床析采用木材制成。輪椅高1 米,長50 厘米,寬40 厘米。輪椅的支撐部分用不銹鋼管焊接而成,輪椅上的析材采用復合材料,輪椅的前輪采用實心的輪輻外加一圈橡膠皮,后輪采用輻條連接車轂和輪圈。用電動機帶動后輪,使輪椅能夠完成前進后退的功能。輪椅的折疊部分。設計出滿足功能及實際問題的模型尺寸,輪椅高15 厘米,長12 厘米,寬14.4 厘米,下面將對各部分進行詳細地介紹。2.2 整體結構。輪椅由椅座、椅腿靠、椅背通過螺栓柱鏈接;椅背上側身翻析通過椅背栓和椅背鏈接能夠實現(xiàn)一定角度的翻轉;扶手通過椅背兩側的凹槽卡住,能夠在豎直方向上移動;底座用于連接椅座和傳動舵機,實現(xiàn)自由行走。椅腿靠和椅背通過和傳動齒輪進行焊接,通過齒輪嚙合來實現(xiàn)轉動。2.3 輪椅與床之間轉換設計。為實現(xiàn)輪椅與床析之間的轉換這一功能, 本設計初期選用連桿機構同時實現(xiàn)椅背和椅腿靠的轉動,但實踐后發(fā)現(xiàn),根據(jù)所學的知識現(xiàn)狀,連桿的長度和強度難以實現(xiàn)定位、定形、定尺寸。經(jīng)過長時間反復思考,最后確定了運用齒輪外嚙合的傳動方式,這樣不僅能夠容易調(diào)試轉角,而且不用考慮連桿問題。齒輪外嚙合可以實現(xiàn)反方向的運動傳遞,當與舵機相連的齒輪與椅背、椅腿靠上的齒輪形成外嚙合傳動,并滿足傳動條件時,帶動椅背、椅腿靠按照預定的轉角方向轉動,以此實現(xiàn)輪椅與床析之間的轉換功能。2.4扶手的升降設計。扶手的升降功能是通過凸輪機構來實現(xiàn)的。凸輪機構按照從動件的不同分為尖頂從動件、滾子推桿從動件、平底推桿從動件。本設計采用平底推桿從動件凸輪機構,在兩個扶手的下方通過等寬的窄薄析鏈接, 用扶手結構替代平底結構。凸輪機構升起一定角度時拖動底部薄析平臺,將扶手抬升并支撐起來為乘坐者提供護欄。2.5 坐躺動作設計。坐躺動作是一種輪椅與床析轉換的一種形式,在輪椅和床結合的適合,通過某按鍵可以實現(xiàn),僅椅背的轉動,使乘坐者實現(xiàn)坐在床上和躺在床上的兩種形態(tài)的轉變,使使用者更能適應不同的狀況,依據(jù)使用者的意愿進行改變形態(tài)。2.6 側身翻轉設計。側身翻轉功能也是通過凸輪機構帶動側翻析轉動來實現(xiàn)的。標準舵機帶動凸輪轉動,最高處轉到角度rr'時,實現(xiàn)左右側翻。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 硬件設計。3.1.1 控制系統(tǒng)工作原理。用觸碰傳感器設置按鍵提供輸入,當按鍵指示執(zhí)行時,圓周舵機帶動后輪轉動,帶動輪椅前進;當按鍵指示輪椅轉動時,舵機轉速V左＞V右時輪椅右轉,V左＜V右時輪椅左轉;當按鍵指示輪椅轉換時,標準舵機帶動椅背、椅腿靠齒輪分別外嚙合到角度α、β,舵機帶動扶手抬升進行保護,再次按下按鍵時恢復初始狀態(tài);當按鍵指示在床上坐起時,舵機帶動椅背轉動角度β',再次按鍵恢復初始位置;當按鍵指示翻身時, 舵機左轉角度γ 時左側身, 右轉角度γ'時有側身。3.1.2 單片機選擇。本設計單片機采用學校教學探索者教育機器人配套設備。其中包含的ARM主控析,可供傳感器輸入和舵機輸出, 可接受遙控信號實現(xiàn)舵機的變速調(diào)節(jié), 滿足項目要求。3.1.3 傳感器選擇。設備中的TTL 信號傳感器分為中斷型和非中斷型。采用中斷型觸碰傳感器來編輯指令傳遞信息,使主控析控制舵機完成各部分動作。3.1.4 電動機選擇。圓周舵機可以連續(xù)轉動,可正反轉且可調(diào)速;標準舵機不可連續(xù)轉動,只能在180 度之間正反轉動。本設計采用兩種舵機,標準舵機帶動齒輪嚙合,完成椅背和椅腿靠轉動特定角度,實現(xiàn)輪椅和床架之間的轉換功能,帶動凸輪機構,抬升扶手提供保護功能;圓周舵機作為行進車輪驅動。3.2軟件設計流程如圖1。

4 實驗測試

4.1 輪椅行進速度測試及調(diào)試（表1）。根據(jù)上述的測量性質,綜合考慮六個速度,在0.4 和0.6 之間存在緩和點,再考慮到乘坐者的舒適性和安全性,本設計選擇0.5m/s。4.2 椅背椅腿靠轉角測試及調(diào)試（表2）。由表中的數(shù)據(jù)可以看出,在椅背的翻轉過程中, 轉角的適合范圍在75°到90°之間, 椅腿靠的轉角范圍在45°到75°之間。轉角范圍應該較可行轉角大些, 故據(jù)此本設計將椅背的轉角設計成90°,將椅腿靠的轉角設計成75°。4.3側身析轉交測試及調(diào)試。在根據(jù)椅背的轉角數(shù)據(jù)下,加上側身翻析的轉角不能超過90°, 為了達到側身翻轉的功能不能對乘坐者產(chǎn)生恐懼害怕心理,選擇75°作為轉動角度。

圖1

表1

5 結論

時代正向著高科技、高智能的多項聯(lián)動的方向發(fā)展,家庭家具等都能夠實現(xiàn)智能化,相信可分離多功能輪椅床能夠在家庭、醫(yī)療等方面能夠有著不一樣的價值, 為老人的獨立起居提供方便,為病患恢復自理減輕護士壓力提供基礎。本設計沒能解決上下樓梯的難題,希望隨著科技的進一步發(fā)展,在不久的將來能夠實現(xiàn)這一難題,使其功能更強大,更具人性化。