田 英, 佘 陽，黎鑄新，唐國源

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東佛山 528000;2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510640）

0 引言

隨著全球老齡化加劇、卒中發(fā)病率居高不下、交通事故不斷增多等原因，現(xiàn)今社會對輪椅需求量不斷增大。據(jù)中國殘疾人聯(lián)合會公布的調(diào)查顯示，2010 年末我國肢體傷殘2 472 萬人，約占總?cè)丝诘?.8%，其中需要使用輪椅的人數(shù)很多。然而除了醫(yī)院之外的公共場合很少看到有人使用輪椅，主要是受目前的輪椅功能的限制，普通輪椅遇到臺階等障礙物無法跨越，很大程度限制了使用者的活動空間。

目前，國內(nèi)外已有的越障礙輪椅有輪組式、步行式和履帶式3種基本類型［1］。輪組式電動輪椅具有由1對或2對輪組構(gòu)成的星形輪系，輪系上的小輪既可以繞各自的軸線自轉(zhuǎn)，也可以隨桿一起繞中心軸公轉(zhuǎn)［2］，具有運(yùn)動速度快和能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，但在上下樓梯過程中重心起伏較大，使乘坐者感到不適；步行式電動輪椅對不同尺寸的樓梯有較好的適應(yīng)性，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，運(yùn)動速度緩慢、對控制的要求較高［3］；履帶式電動輪椅在上下臺階過程中重心始終沿著與臺階沿連線平行的直線運(yùn)動，所以運(yùn)動平穩(wěn)、波動小，對不同尺寸的樓梯也有一定的適應(yīng)性［4］，但在平地運(yùn)動時(shí)由于阻力較大，能量消耗高，也沒有在日常生活中得到廣泛運(yùn)用。近幾年，基于上述3種基本形式的復(fù)合電動輪椅也涌現(xiàn)，主要有輪-腿復(fù)合電動輪椅［5］和輪-履復(fù)合電動輪椅［6-8］，其中，輪子用于平地高效移動，機(jī)械腿和履帶用于越障和上下樓梯。然而，輪-腿復(fù)合電動輪椅存在驅(qū)動系統(tǒng)比較復(fù)雜和上下樓梯過程中乘坐者的重心太高的問題，輪-履復(fù)合電動輪椅雖結(jié)構(gòu)緊湊且重心比較低，但存在體型過大、重，機(jī)構(gòu)復(fù)雜或者價(jià)格昂貴等問題，在市面的使用率很低，而且這些高性能的智能輪椅供應(yīng)商大多集中于歐美發(fā)達(dá)國家，價(jià)格昂貴，國內(nèi)大多數(shù)殘疾人難以支付［9］。因此本文研制一款結(jié)構(gòu)可靠、輕便又價(jià)格相對適中的越障礙輪椅，不僅為下肢有殘疾的人或者老年人提供優(yōu)良和安全的代步工具，拓寬活動空間，也可以提高他們的生活質(zhì)量。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本輪椅主要由4 組電動推桿和3 組車輪組成，2 個前輪為萬向輪，2個后輪為驅(qū)動輪，由2個電機(jī)驅(qū)動，正常行走時(shí)前輪和后輪著地，中輪收起，只有在座椅升高和越障時(shí)中輪才著地，根據(jù)此設(shè)計(jì)，基于FUSION 軟件建立了輪椅的三維模型，如圖1所示。輪椅正常行駛時(shí)，主要依靠前輪和后輪承受重力，液壓推桿組2伸長、推桿組4縮短，以達(dá)到后輪后移的目的，使重心后移，確保了行駛時(shí)的穩(wěn)定性。當(dāng)輪椅要實(shí)現(xiàn)越障或升高功能時(shí)，控制系統(tǒng)通過控制推桿組1、2、3、4的伸長量，以調(diào)節(jié)輪子的角度和高度，使輪椅達(dá)到所需的高度并處于穩(wěn)定的狀態(tài)。此外，中輪和后輪采用無刷電機(jī)作為動力驅(qū)動，能有效地提高輪椅使用壽命和減少行駛時(shí)產(chǎn)生的噪聲。

圖1 輪椅的三維模型

輪椅的關(guān)鍵參數(shù)如下：

（1）驅(qū)動電機(jī)（輪轂電機(jī)）功率，單側(cè)300 W 共600 W，電機(jī)額定電壓為24 V；

（2）電池總?cè)萘? 480 W·h，估計(jì)續(xù)航20 km；

（3）4組推桿功率共30 W×8；

（4）控制系統(tǒng)為單片機(jī)，遙桿控制；

（5）座椅高度520 mm，座板寬540 mm，深度500 mm，靠背高度700 mm，可調(diào)靠背角度；

（6）主體材質(zhì)為25號鋼。

2 輪椅越障功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 輪椅越障工作原理

輪椅通過紅外線測距傳感器測量障礙物的高度，控制系統(tǒng)再對推桿的長度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以改變中、后輪的位置，以此方式實(shí)現(xiàn)越障功能，在FUSION軟件中，根據(jù)三維模型建立了輪椅的越障過程的運(yùn)動模型，如圖2 所示。其中圖2（a）所示為當(dāng)輪椅將要靠近障礙物時(shí)，中輪推桿組1、3伸長至中輪觸碰地面后，中輪和后輪的相對應(yīng)的4組推桿同時(shí)伸長，前輪離地，輪椅整體升高，如圖2（b）所示，與此同時(shí)，輪椅繼續(xù)向前行駛至前輪置于障礙物上后，通過控制中輪推桿組1、3的收縮，使中輪與前輪位于同一水平面，當(dāng)輪椅前進(jìn)至圖2（c）所示位置時(shí)，后輪推桿收縮，并收縮至和前輪在同一水平面，如圖2（d）所示。如此循環(huán)工作，最終實(shí)現(xiàn)輪椅越障。

圖2 輪椅越障過程模型

2.2 控制系統(tǒng)

根據(jù)其功能主要分成信息收集、信息轉(zhuǎn)換、信息輸出3個模塊。

（1）信息收集：信息來源由紅外線傳感和控制手柄兩部分構(gòu)成。輪椅進(jìn)行智能越障時(shí)由紅外線測距傳感器把收集到的信號傳遞至主控系統(tǒng)；輪椅需要實(shí)現(xiàn)升高等特殊指令時(shí)由控制手柄傳輸相應(yīng)信號。

（2）信息轉(zhuǎn)換：主控系統(tǒng)把收集到的信號進(jìn)行翻譯，計(jì)算推桿的伸長量，轉(zhuǎn)化為輸出信號。

（3）信號輸出：控制系統(tǒng)把信號輸出至推桿，實(shí)現(xiàn)推桿長度的調(diào)控。

3 輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

3.1 輪椅整體受力分析

輪椅在水平地面行駛時(shí)，輪椅自身重量以及人的體重均由前后4個輪承擔(dān)，現(xiàn)對其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。假設(shè)人的體重為120 kg，載荷平均分布在座椅上，主體材質(zhì)選擇25 號鋼，基于ANSYS分析其產(chǎn)生的應(yīng)力大小及形變量，來校核輪椅的強(qiáng)度和剛度，保證輪椅能夠正常工作[10]。其應(yīng)力分布和形變由圖3所示，輪椅整車應(yīng)力最大的地方為推桿跟底部連接桿的位置，最大應(yīng)力為78.2 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力450 MPa，則該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足其條件。在外部載荷作用下，形變最大的為座椅扶手，最大形變量為0.022 mm，對該結(jié)構(gòu)影響不大，滿足剛度條件。

圖3 輪椅的整體受力分析

3.2 推桿受力分析

由輪椅的整體受力分析可知輪椅在升高情況下推桿4的受力情況最嚴(yán)重，因此對推桿4單獨(dú)進(jìn)行受力分析，推桿4的行程為300 mm，材料為25號鋼，此時(shí)推桿的伸長量為200 mm，推桿4的受力分析圖如圖4所示，由圖4（a）可知，推桿所受最大應(yīng)力值為87.42 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力450 MPa；由圖4（b）可知，推桿的最大形變量為0.000 5 mm，變形非常微小，不影響正常工作。因此推桿設(shè)計(jì)滿足要求。

圖4 推桿4的受力分析

3.3 輪椅轉(zhuǎn)向性能分析

本設(shè)計(jì)采用差速轉(zhuǎn)向的方式實(shí)現(xiàn)輪椅的轉(zhuǎn)向控制。其前后輪軸距較長并帶有機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于軸距較長，在上下坡、制動或加速時(shí)，不容易前后傾翻，比較適合戶外的復(fù)雜環(huán)境。輪椅的后輪為驅(qū)動輪，驅(qū)動輪由直流電機(jī)通過減速器驅(qū)動，驅(qū)動電機(jī)既是動力源又可通過左右輪差速的方式實(shí)現(xiàn)輪椅轉(zhuǎn)向，電機(jī)額定功率為300 W，額定電壓為24 V，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，減速比為9.78。

圖5 所示為輪椅的簡化轉(zhuǎn)向模型。假定驅(qū)動車輪相對于地面只做純滾動。令v 為電動輪椅車質(zhì)心的瞬時(shí)線速度， Ω為橫擺角速度，vr、vl分別為左、右輪線速度，D為驅(qū)動輪的輪距，由輪椅的運(yùn)動分析可知：

令智能輪椅的轉(zhuǎn)彎半徑為R，則有：

綜上可知，輪椅可通過控制手柄搖擺角度來控制智能輪椅左右兩個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)輪椅的轉(zhuǎn)向運(yùn)動。

圖5 轉(zhuǎn)向運(yùn)動模型

3.4 輪椅升高性能分析

智能輪椅的升降是通過4 組推桿的配合伸縮實(shí)現(xiàn)的。推桿組1與推桿組4隨著其余兩桿運(yùn)動而運(yùn)動，主要起加大支撐力的作用。就運(yùn)動而言，通過推桿組2與推桿組3的配合即可實(shí)現(xiàn)輪椅的升降，所以只需對推桿組2與推桿組3進(jìn)行分析即可。當(dāng)輪椅進(jìn)行最基本的升降運(yùn)動時(shí)，使用者無需自行調(diào)節(jié)速度，推桿將會按照系統(tǒng)設(shè)定好的速度進(jìn)行伸縮。

將輪椅上升的速度設(shè)置為勻速45 mm/s，此速度既不會太慢，也不會因?yàn)檫^快而導(dǎo)致使用者感到不適。根據(jù)此速度3.5 s即可將輪椅上升至越障狀態(tài)，此時(shí)前輪距離地面157.5 mm，根據(jù)推桿其空間結(jié)構(gòu)分布情況，推桿組3 的推出速度應(yīng)為50.33 mm/s，推桿組2 的推出速度為105.7 mm/s。推出速度均為勻速運(yùn)動，啟動與停止時(shí)會產(chǎn)生一定的剛性沖擊，但對推桿的使用壽命與使用者乘坐舒適性的影響很小，可以忽略不計(jì)。

為了更好地表達(dá)出推桿與輪椅座椅的運(yùn)動關(guān)系，令z為輪椅上升高度，x為推桿2 推出位移，y為推桿3 推出位移，t為推桿運(yùn)動時(shí)間，通過Matlab 對數(shù)據(jù)擬合后，得出關(guān)系式：

最后在Adams 中進(jìn)行運(yùn)動仿真，發(fā)現(xiàn)輪椅在升降過程中未發(fā)生干涉問題，驗(yàn)證了該輪椅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性與運(yùn)動安全性。

3.5 座椅角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

研究表明，具備座椅和靠背傾斜功能的輪椅通過調(diào)整角度可以緩解使用者的疲勞，置于特定角度有助于減小接觸壓力，從而避免皮膚潰爛[11]。除了滿足壓力緩解外，角度可調(diào)的輪椅車可以提升使用舒適度[12]。因此，本輪椅還設(shè)置了座椅角度調(diào)節(jié)裝置，如圖6所示，其主要由一個扇形齒板、一個棘輪鎖緊機(jī)構(gòu)和定位凸輪、手柄及扇形齒輪聯(lián)接的椅背安裝板組成。該機(jī)構(gòu)工作時(shí)靠手柄聯(lián)動凸輪打開棘輪鎖緊使扇形齒板能自由運(yùn)動，合上手柄和凸輪就卡死了扇形齒板鎖定角度。使座椅角度可自由、快速調(diào)整。

圖6 座椅角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

3.6 輪椅的爬坡與側(cè)傾能力的分析

3.6.1 爬坡度計(jì)算

當(dāng)輪椅上坡行駛時(shí)，設(shè)輪椅和人的總質(zhì)量G＝150 kg，F(xiàn)s為驅(qū)動力，f為滾動摩擦力，F(xiàn)n為支撐力，α 為爬坡角度。輪椅上坡時(shí)所受的阻力為坡道阻力（Gsin α）與滾動摩擦力之和，表示為：

式中：μ為滾動阻力，一般取0.02。

電機(jī)的功率P＝300 W，機(jī)械傳動效率η＝0.8，輪椅的平均速度1.8 m/s，后輪半徑R＝0.18 m，根據(jù)公式：

可得出當(dāng)輪椅勻速上坡時(shí)，其牽引力為Fs＝740 N ，根據(jù)牛頓第三定律，將驅(qū)動力和道路阻力平衡，即：

利用Matlab 里的fsolve 函數(shù)計(jì)算得出α＝29.07°，即輪椅理想爬坡極限為29.07°

3.6.2 最大側(cè)傾角的計(jì)算

本智能輪椅的紅外測距系統(tǒng)除了可以測定前方障礙物的距離外，也可以測定輪椅的側(cè)傾角度。紅外線傳感器安裝在座位下方的位置，通過對傳感器的信息采集實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測輪椅的側(cè)傾情況。當(dāng)側(cè)傾角即將超過極限角度時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出警示信息提醒使用者。當(dāng)輪椅超出極限側(cè)傾角，即輪椅傾倒時(shí)，其他人也可以通過終端顯示器觀察到其情況，可以及時(shí)地幫助傾倒的乘坐者。

側(cè)傾極限角可通過力學(xué)原理，在簡化的模型上計(jì)算出其理論值，輪椅的側(cè)翻簡化示意圖如圖7所示。

圖7 輪椅側(cè)翻示意圖

設(shè)人與輪椅的重量之和為120 kg，在忽略人體重心偏移的情況下，經(jīng)Adams 模擬測出輪椅水平時(shí)，人和輪椅總體的重心高度a＝526 mm，位于輪椅對稱的中間位置。經(jīng)實(shí)際測量，本輪椅兩個后輪之間的距離的一半b＝268 mm。

假設(shè)輪椅的側(cè)傾角為α，輪椅處于傾翻的臨界狀態(tài)，根據(jù)簡化圖與力學(xué)原理可知：

利用Matlab 里的fsolve 函數(shù)計(jì)算得到α＝27°，即輪椅發(fā)生側(cè)翻的極限角度為27°。

4 實(shí)物樣機(jī)試制與測試

為了檢驗(yàn)該輪椅的功能和性能，試制了實(shí)物樣機(jī)，設(shè)計(jì)了智能輪椅的電控系統(tǒng)和相關(guān)的電子器件，通過焊接組裝后的輪椅實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 越障輪椅實(shí)物樣機(jī)

智能輪椅的最大行駛速度采用速度計(jì)測量為5.45 km/h，小于6 km/h，滿足GB/T 12996-1991［13］要求。利用砝碼模擬人的質(zhì)量檢測承載能力，利用斜度可調(diào)的鐵板檢測爬坡和側(cè)傾，但是為了使輪椅不致呈現(xiàn)破壞性試驗(yàn)，輪椅的承載能力、爬坡和側(cè)傾試驗(yàn)分別做到100 kg、18°（國標(biāo)爬坡角度大于或等于9°）、18°，測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的實(shí)物樣機(jī)完全滿足功能和性能要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語

（1）設(shè)計(jì)了具有一款具有移動功能、越障功能、升降功能、靠背角度可調(diào)節(jié)、爬坡的多功能電動輪椅，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和滿足人機(jī)工程學(xué)的輪椅尺寸。

（2）利用ANSYS對推桿結(jié)構(gòu)的原理及約束條件分析，結(jié)合人體重量，材料種類及性能等實(shí)際設(shè)計(jì)要求，做出了輪椅整車的受力分析，保證了輪椅在各種功能下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求。

（3）利用ADAMS對推桿的伸縮情況進(jìn)行分析，結(jié)合推桿的運(yùn)行速度，得出推桿的運(yùn)動關(guān)系式，驗(yàn)證了輪椅結(jié)構(gòu)的合理性與運(yùn)動安全性。