尹杰，朱雪明，嚴(yán)正陽(yáng)，李志明，畢清，林輝

（1.江漢大學(xué)智能制造學(xué)院；2.江漢大學(xué)工程訓(xùn)練中心；3.江漢大學(xué)人工智能學(xué)院，湖北 武漢 430000）

20世紀(jì)90年代以來(lái)，中國(guó)的老齡化進(jìn)程加快。隨著年齡的增加，老年人整體健康水平下降，健康問(wèn)題逐漸突出。由于年齡的原因，老人的體溫代謝以及體溫中樞都已經(jīng)衰老，代謝緩慢，出現(xiàn)身體抵抗力降低等情況，所以導(dǎo)致老年人很容易腿腳不便，需要經(jīng)常坐在輪椅上。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一款新型輪椅，該輪椅摒棄了普通輪椅輪子，采用麥克納姆輪可以實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)，即使在狹小的房間內(nèi)，使用者也可以很好地移動(dòng)位置；輪椅升降可以控制，可以調(diào)整到合適高度方便使用者從輪椅上下來(lái)，還能升高輪椅方便老人拿夠不著的物品；輪椅的背板轉(zhuǎn)動(dòng)和腳托可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，控制背板轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)能夠向外推進(jìn)腳托，使用者可以躺在輪椅上休息。這款產(chǎn)品具有市面上產(chǎn)品所不具備的功能，更有利于解決老年人在坐輪椅時(shí)的種種不便利，相信會(huì)比市場(chǎng)上同等產(chǎn)品更有優(yōu)勢(shì)。

1 輪椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 輪椅的整體性要求

為了方便老年人隨時(shí)隨地可以躺下來(lái)休息，因此輪椅需要有坐臥兩種狀態(tài)，考慮到老年人行動(dòng)不太方便，因此需要在坐臥轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)上加上電驅(qū)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)一鍵坐臥轉(zhuǎn)換；家里活動(dòng)空間相對(duì)于輪椅較為狹小，因此輪椅需靈活自如，方便使用；為使老年人能夠不用起身就可以拿到一定高度的東西，輪椅必須具有升降功能?；谏鲜龉δ苄枨螅疚膶⒉捎名溈思{姆輪與輪椅結(jié)合，作為該輪椅的主要行走機(jī)構(gòu)，其能夠在任意的水平方向上實(shí)現(xiàn)平移和旋轉(zhuǎn)；采用絲杠螺母副和六連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輪椅的坐臥兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在90～180°任意角度的轉(zhuǎn)換，并且有良好的自鎖性；采用絲杠螺母副和剪差式機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輪椅的升降功能。同時(shí)使用基于STC89C52單片機(jī)作為輪椅的控制系統(tǒng)的核心，再搭配點(diǎn)動(dòng)式按鍵開(kāi)關(guān)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和微型直流減速電機(jī)共同構(gòu)成一個(gè)完整的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輪椅的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。

總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輪椅結(jié)構(gòu)總圖

1.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)輪椅能靈活自由地移動(dòng)，現(xiàn)有兩種方案：方案一：使用萬(wàn)向輪；方案二：使用麥克納姆輪（全向輪）。

兩種方案進(jìn)行對(duì)比：（1）萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，具有省時(shí)省力、耐磨耐劃、耐水蒸氣、耐沖擊、耐老化、抗腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，安裝在助老輪椅上能使輪椅在房間里360°自由旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，但是，萬(wàn)向輪承載能力一般，適用于平坦光滑的路面，廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、電子設(shè)備、大型超市、醫(yī)療設(shè)備等。而且萬(wàn)向輪不能與電機(jī)驅(qū)動(dòng)配合。（2）麥克納姆輪（全向輪）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所有的轉(zhuǎn)動(dòng)部位都使用軸承，所以制作成本較大。行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用麥克納姆輪與輪椅結(jié)合，該輪可采用全向驅(qū)動(dòng)技術(shù)，加之麥克納姆輪的獨(dú)特運(yùn)行方式，能使輪椅在任意方向上實(shí)現(xiàn)平移和原地旋轉(zhuǎn)?？梢詫?shí)現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)方式。借助這一強(qiáng)大的機(jī)動(dòng)性，輪椅可以在狹小的空間內(nèi)自由任意地移動(dòng)。而且麥克納姆輪承載能力較好。

對(duì)比兩種方案，因?yàn)楦枰氖亲詣?dòng)可控制機(jī)構(gòu)，所以選擇麥克納姆輪作為輪椅的行走機(jī)構(gòu)。

移動(dòng)原理分析：麥克納姆輪由一般輪子在外圓的輪廓上，按45°角斜放著許多可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓形輥?zhàn)?，?dāng)輥?zhàn)优c地面接觸的時(shí)候，地面會(huì)給車(chē)輪45°夾角的摩擦力，也就是沿輥?zhàn)虞S線方向的摩擦力。左前方和右后方的輪子為左旋輪，左后方和右前方的輪子為右旋輪。四個(gè)輪子有四個(gè)電機(jī)單獨(dú)控制，控制四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速即可控制輪椅的平動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)四個(gè)輪子均向前或者向后轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其左右分力會(huì)相互抵消，輪椅就會(huì)向前移動(dòng)；同理斜對(duì)角兩輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)，另外，兩輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，前后分力會(huì)抵消，輪椅就會(huì)向前運(yùn)動(dòng)。原地旋轉(zhuǎn)時(shí)四輪形成兩對(duì)同向力矩時(shí)，輪椅零半徑原地旋轉(zhuǎn)。合理調(diào)整各輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，即可實(shí)現(xiàn)任意方向上的移動(dòng)。

1.3 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降姿態(tài)轉(zhuǎn)換通過(guò)絲杠螺母副和剪差式機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器和絲杠連接在一起，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶著絲杠一起轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿法蘭、剪叉式支架和滑塊一起鏈接在同一根桿上，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿法蘭通過(guò)連桿帶動(dòng)束型導(dǎo)軌上的滑塊運(yùn)動(dòng)，同時(shí)連桿也推動(dòng)剪叉式支架運(yùn)動(dòng)，坐板與剪叉式支架同樣用直線導(dǎo)軌鏈接，以此實(shí)現(xiàn)輪椅的升降功能。

剪叉式機(jī)構(gòu)在座板上升過(guò)程中，上平面始終和下平面保持平行，而且高度穩(wěn)定，能夠緩慢平穩(wěn)地上升、下降，并且承載一定的重量，老年人可以用手扶住扶手，更加安全。該機(jī)構(gòu)有良好的自鎖性，可以在任意高度固定。

絲杠傳動(dòng)精度比較高，從而可以保持上升或下降時(shí)的平穩(wěn)。絲桿傳動(dòng)還有很強(qiáng)的停留功能，只要信號(hào)一停止，絲桿可以很穩(wěn)定地停留在某一位置。直線導(dǎo)軌采用束型導(dǎo)軌，束型導(dǎo)軌每個(gè)面都可以承受側(cè)向力，可以承受比較復(fù)雜的力，從而可以保證老人在輪椅上面的穩(wěn)定。直線導(dǎo)軌和滑塊之間帶有滾珠，可以很大程度上減少摩擦。

1.4 坐臥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪椅坐臥機(jī)構(gòu)采用連桿機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為絲桿螺母副和直線導(dǎo)軌。通過(guò)減速電機(jī)帶動(dòng)絲桿螺母副運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與絲桿螺母副鏈接的底桿做直線運(yùn)動(dòng)。底桿的另一端使用直線導(dǎo)軌約束，保證底桿在水平方向平動(dòng)。

此時(shí)，底桿充當(dāng)多連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力桿，帶動(dòng)多連桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)背板和腳板的聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。坐臥機(jī)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 坐臥機(jī)構(gòu)圖

使用多連桿機(jī)構(gòu)，保證背板和腳板能同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，使躺下時(shí)既平穩(wěn)又安全。

動(dòng)力裝置采用絲杠螺母副結(jié)構(gòu)傳動(dòng)，既能保證較大的傳動(dòng)力矩，又能保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性。

坐臥機(jī)構(gòu)同時(shí)與扶手聯(lián)動(dòng)，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在社會(huì)對(duì)老年人的生活質(zhì)量越來(lái)越關(guān)注，隨著科技水平的不斷提高，針對(duì)老年人生活起居的產(chǎn)品設(shè)計(jì)將不斷推動(dòng)我國(guó)助老產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文設(shè)計(jì)的一種基于麥克納姆輪的萬(wàn)向式可臥升降輪椅，極大地方便了老年人的日常生活。該輪椅可以實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)坐臥姿態(tài)轉(zhuǎn)換，能夠升降，對(duì)改善老年人生活質(zhì)量有極大的意義。