劉潤(rùn)湘 張瀚文 嚴(yán)棋耀 譚皓文 劉慧江 孫洋 曾武 陶藝心 田佳欣 鄒永久

摘? 要：輪椅不僅是行動(dòng)不便人士的代步工具，也是他們進(jìn)行身體鍛煉和參與社會(huì)活動(dòng)的重要工具。但靠人力驅(qū)動(dòng)的輪椅與普通電動(dòng)輪椅在生活中仍有較多的局限，且操作不便，極易發(fā)生意外。因此，本次研究一種新型的輪椅，旨在保障使用者的出行安全，并在其基礎(chǔ)上運(yùn)用新型設(shè)計(jì)保證其功能運(yùn)行的穩(wěn)定性，滿足使用者的出行需求。本研究設(shè)計(jì)的適用人群是年老、身殘人群，意在幫助他們重新享受大自然的魅力，讓本項(xiàng)目也為助老助殘做出一份貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：自主檢測(cè)? 自主控制? 新型輪椅設(shè)計(jì)? 助老助殘科技

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）01（a）-0068-04

Abstract： Wheelchairs are not only a means of transportation for people with limited mobility， but also an important tool for them to do physical exercise and participate in social activities. However， there are still many limitations in the life of human-powered wheelchairs and ordinary electric wheelchairs， and the operation is inconvenient， and accidents are easy to happen. Therefore， a new type of wheelchair is studied in this paper， aiming at ensuring the safety of users' travel， and on the basis of this， the new design is used to ensure the stability of its function operation and meet the travel needs of users. This study is designed for the elderly and disabled people， aiming to help them regain the charm of nature， so that this project can also make a contribution to helping the elderly and disabled.

Key Words： The independent testing; Autonomous control; New wheelchair design; Technology to help the elderly and the diesabled

腿腳不便人群是中國(guó)的一大邊緣人群，它主要分為兩類，一種是老年人，一種是殘疾人群。據(jù)調(diào)查，中國(guó)60歲以上老年人人口數(shù)量已經(jīng)達(dá)到2.49億，老齡化形勢(shì)嚴(yán)峻，這其中有相當(dāng)多的老年人腿腳不便;此外，中國(guó)殘疾總?cè)藬?shù)達(dá)到8500萬，大多需要輔助出行工具，其中尤以輪椅為最。

但縱觀世界老年殘疾產(chǎn)品市場(chǎng)，我們可以發(fā)現(xiàn)國(guó)外市場(chǎng)比國(guó)內(nèi)市場(chǎng)成熟許多：美國(guó)在新興養(yǎng)老科技領(lǐng)域的核心專利占比為36.39%，英國(guó)4.41%第二，日本以4.03%位居第三，而世界上擁有老人最多的中國(guó)在老年人服務(wù)領(lǐng)域卻與這些國(guó)家相距甚遠(yuǎn)。

基于此，為打開國(guó)內(nèi)相關(guān)人群的消費(fèi)市場(chǎng)，本次設(shè)計(jì)欲打造出一款“新型輪椅”，旨在既能滿足行動(dòng)不便的老人的出行需求，又能隨時(shí)報(bào)告使用者的出行健康狀態(tài)。

1? 理論基礎(chǔ)

人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[1]，我國(guó)從1999年進(jìn)入人口老齡化社會(huì)到2017年的18年間，老年人口凈增1.1億。預(yù)計(jì)到2050年前后，我國(guó)老年人口數(shù)將達(dá)到峰值4.87億，占總?cè)丝诘?4.9%?！般y發(fā)經(jīng)濟(jì)”已然到來。

對(duì)于殘疾人的扶持政策在陸續(xù)推出;工信部也制定了相關(guān)文件[2]鼓勵(lì)民間資本進(jìn)入養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)?；诖?，本項(xiàng)目組著手研究兼有智能避障越障、一鍵呼救和按摩等功能的一款新型輪椅。

目前國(guó)內(nèi)外爬梯輪椅（普通輪式）的設(shè)計(jì)多采用三輪式設(shè)計(jì)。然而爬梯穩(wěn)定性和安全性難以提高。本項(xiàng)目提出帶有履帶組合式輪胎的輪椅，利用紅外線識(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別障礙物并予以避讓，能夠輕易跨越常規(guī)輪胎不能跨越的障礙;進(jìn)行有效的分析建模和適用性分析后，不斷形成良性反饋并及時(shí)修改調(diào)整實(shí)體模型，根據(jù)特定人群的需求，定制出以最優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)避障越障的輪椅。

2? 預(yù)實(shí)現(xiàn)功能

設(shè)計(jì)新型輪椅的初衷是為助老助殘做貢獻(xiàn)，故產(chǎn)品被期待完成下述功能。

（1）一鍵呼救功能：在使用者有危險(xiǎn)時(shí)可以自動(dòng)通知家人或醫(yī)院，以得到救助。

（2）避障越障功能：通過紅外線感應(yīng)與單片機(jī)程序、APP語音模塊控制機(jī)體。

3? 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的新型輪椅設(shè)計(jì)旨在機(jī)體通過新型輪系設(shè)計(jì)達(dá)到避障越障功能。該設(shè)計(jì)主要由自主設(shè)計(jì)的三輪履帶輪系與平衡感應(yīng)伸縮桿組成，圖1～3是該設(shè)計(jì)的機(jī)架三視圖，具體動(dòng)力裝置已經(jīng)隱藏。履帶輪系主要是保證越障時(shí)抓地的力量與穩(wěn)定性，并且配合平衡感應(yīng)桿完成旋轉(zhuǎn)越障;平衡感應(yīng)伸縮桿通過可控轉(zhuǎn)動(dòng)鏈接與輪系形成一個(gè)整體，它需要在后輪伸縮擺動(dòng)至前輪這過程中隨時(shí)感應(yīng)整體輪椅的平衡，并且通過桿的伸縮和鏈接的轉(zhuǎn)動(dòng)以保證整體輪椅的平衡，

4? 產(chǎn)品原理

4.1 一鍵呼救功能原理

一鍵呼救功能的主體為可視為呼叫裝置，在每一張輪椅上，將可視呼叫裝置通過網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)器連接，同時(shí)將個(gè)人信息進(jìn)行綁定，可視呼叫裝置和服務(wù)器通過無線傳輸?shù)姆绞竭B接急救中心。當(dāng)用戶輪椅發(fā)生強(qiáng)烈沖擊或翻轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)會(huì)同時(shí)發(fā)送到服務(wù)器和急救中心。

可視呼叫裝置內(nèi)設(shè)置有一鍵呼叫模塊，所述一鍵呼叫模塊連接攝像頭，按下設(shè)置好的一鍵呼叫按鈕即可進(jìn)行撥號(hào)，接通的同時(shí)開啟視頻功能;同時(shí)，綁定相應(yīng)編號(hào)的APP會(huì)通知手機(jī)持有者，讓親屬得知使用者的情況。

裝置設(shè)有無線通信（WiFi）模塊，APP通過此模塊與裝置實(shí)現(xiàn)綁定?？梢暫艚醒b置連接設(shè)有GPS模塊。當(dāng)急救中心同時(shí)接到可視呼叫裝置和服務(wù)器傳輸過來的位置信息時(shí)，以可視呼叫裝置傳輸來的位置信息為準(zhǔn)。

4.2 避障越障功能

輪椅碰到障礙物時(shí)（此處障礙物指不可正常通過障礙物），紅外線感應(yīng)裝置將障礙物形狀大小傳遞至中央處理器，CPU判斷是否可越過障礙物。如不可越過，則控制輪系偏轉(zhuǎn)前進(jìn)方向避過障礙物;如可越過，則輪系旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)啟動(dòng)，履帶輪系與伸縮臂相協(xié)調(diào)，控制所述履帶輪系依次旋轉(zhuǎn)越過障礙物。

越障可行性分析：利用壓力傳感器測(cè)試及壓力分析模型計(jì)算的方法，比較研究了相近載質(zhì)量的輪胎和履帶式車輛垂直及水平應(yīng)力的大小，比較了輪胎和履帶輪系]對(duì)地面壓力的作用及穩(wěn)定性，

分析方法：把接觸面A分成i個(gè)單元，每個(gè)單元Ai上作用垂直載荷Pi和切向載荷Hi，則履帶下方土壤內(nèi)任意點(diǎn)S沿AiS方向的法向應(yīng)力σr，i為

式子中ξ為集中系數(shù)，不同的地面條件ξ取值不同。計(jì)算輪胎作用下的應(yīng)力時(shí)取ξ=7，計(jì)算履帶作用下的應(yīng)力時(shí)取ξ=6。

土壤內(nèi)任意點(diǎn) S 的垂直應(yīng)力σz及水平應(yīng)力σx，σy分別為

5? 項(xiàng)目前景

輪椅將助行、按摩、爬梯和越野等功能集于一身，配備的的履帶式構(gòu)造在爬梯、越野時(shí)穩(wěn)定性更出色，可以適應(yīng)復(fù)雜多變的的出行環(huán)境。

目前研發(fā)的輪椅原型只是小規(guī)模的理論研究和小型實(shí)物組建，主要針對(duì)避障越障、按摩、越野的可行性和控制策略的有效性進(jìn)行研究。隨著履帶式爬梯越野輪椅課題的進(jìn)一步開展，可通過工業(yè)計(jì)算機(jī)來控制大量的出行動(dòng)作、處理大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合這些數(shù)據(jù)對(duì)性能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

再者目前國(guó)內(nèi)外智能輪椅的相關(guān)研究中沒有采用履帶式組合式輪胎，也就是說這是一個(gè)新的領(lǐng)域，意味著一切都是空白，同時(shí)也意味著廣闊的前景以及無限的可能。由于本產(chǎn)品有明確的受益人群并且符合國(guó)家倡導(dǎo)的政策，未來勢(shì)必將在一定時(shí)間段內(nèi)占據(jù)輪椅市場(chǎng)一定的市場(chǎng)份額。

6? 結(jié)語

本產(chǎn)品以安全為設(shè)計(jì)的第一要素，即在保證使用人群的安全的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的一款集助老、助殘、助行和新穎于一體的新型多功能輪椅。旨在幫助解決老年人和殘疾人出行不便的問題，并且在保證安全的前提下讓他們能夠徜徉在山野間，享受大自然的美好風(fēng)光。

“銀發(fā)經(jīng)濟(jì)”已然降臨，那么如何在困難中尋找機(jī)遇，是我們科技創(chuàng)新需要考慮的重要因素了。希望本項(xiàng)目的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能為助老助殘愛心活動(dòng)做出一份貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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