基于偏心距可調(diào)偏心輪的智能輪椅

作品背景

輪椅是康復(fù)的重要工具，它們不僅是老人和肢 體傷殘者的代步工具，更重要的是可以為老人和傷殘 者進(jìn)行身體鍛煉和參與社會(huì)活動(dòng)提供可能。

基于偏心距可調(diào)的偏心輪易上臺(tái)階的智能輪椅 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且自動(dòng)化程度較高，操作方便，并可 在越過臺(tái)階或障礙的時(shí)候及時(shí)地調(diào)整使用者的座靠 椅傾角，保持平穩(wěn)，提高使用者的安全性，且成本 低廉。

基于偏心距可調(diào)的偏心輪易上臺(tái)階的智能輪椅 系統(tǒng)，有多個(gè)專利項(xiàng)目。它的特點(diǎn)有：

主輪采用內(nèi)外輪結(jié)構(gòu)；

采用偏心距可調(diào)的偏心輪機(jī)構(gòu)；

將行星輪、棘輪、萬向輪等特點(diǎn)進(jìn)行整合運(yùn)用， 使輪椅能夠連續(xù)上臺(tái)階，增強(qiáng)其實(shí)用性；

安裝在輪椅座靠椅下的升降裝置，可以自動(dòng)檢 測(cè)路況信息并調(diào)節(jié)輪椅座靠椅，以保證輪椅系統(tǒng)重心 的穩(wěn)定；

綜合運(yùn)用超聲波傳感器和加速度傳感器，對(duì)路 況信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，使整個(gè)輪椅系統(tǒng)更加自動(dòng)化、 智能化，也使使用環(huán)境更加安全、舒適。

整個(gè)輪椅系統(tǒng)作為一個(gè)家庭物聯(lián)網(wǎng)接入終端, 可以智能控制家用電器的啟動(dòng)和停止，幫助使用者控 制那些不便觸及到的電器，并能夠完成視頻、語音通 話等功能。圖1所示為實(shí)物原理圖。

圖1實(shí)物原理圖

作品介紹

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，以及社會(huì)的不斷 進(jìn)步，對(duì)于行走不便的人群來說，生活也有了很大的 改觀，行走時(shí)可以用輪椅來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的拐杖，這樣就更加方便。輪椅也從傳統(tǒng)的只能固定著坐一直改進(jìn) 到了現(xiàn)在的能夠手動(dòng)機(jī)械行走、自動(dòng)控制或行走甚至 會(huì)爬臺(tái)階的輪椅。

基于偏心距可調(diào)的偏心輪易上臺(tái)階 智能輪椅

該輪椅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，自動(dòng)化程度較高，操作 方便，并且在越過臺(tái)階或障礙時(shí)能夠及時(shí)調(diào)整使用 者的座靠椅傾角，保持平穩(wěn)，提高使用者的安全性, 且成本低廉。

3.1研究過程

首先是對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的臺(tái)階類型以及臺(tái)階各個(gè) 參數(shù)進(jìn)行收集；

其次是對(duì)所收集數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，并研究 其與所設(shè)計(jì)輪椅輪徑的關(guān)系；

第三是確定設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行各個(gè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)； 四是選擇材料，根據(jù)已定方案進(jìn)行設(shè)計(jì)制造； 五是完善各部分功能，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試； 第六撰寫使用說明，整理文字資料。

3.2結(jié)構(gòu)特征

主輪采用內(nèi)外輪結(jié)構(gòu)；

采用偏心距可調(diào)的偏心輪機(jī)構(gòu)；

將行星輪、棘輪、萬向輪等特點(diǎn)進(jìn)行整合運(yùn)用；

在輪椅座靠椅下安裝可自動(dòng)檢測(cè)路況信息并 調(diào)節(jié)輪椅座靠椅的升降裝置；

綜合運(yùn)用超聲波傳感器和加速度傳感器。

3.3工作原理設(shè)計(jì)

該輪椅主輪設(shè)計(jì)采用具有內(nèi)外輪的結(jié)構(gòu)，使得 該電動(dòng)輪椅的最小轉(zhuǎn)彎半徑縮減為零，以克服電動(dòng)輪 椅不能原地轉(zhuǎn)彎的難題。

采用主軸與輪心距離可調(diào)的偏心輪結(jié)構(gòu)，可根 據(jù)臺(tái)階高度調(diào)節(jié)偏心距離，將輪椅上臺(tái)階過程中所需 做的功分成兩部分完成，以有效降低此過程中電動(dòng) 機(jī)所需的最大功率；

將輪椅的座靠椅設(shè)計(jì)成單側(cè)可繞軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu), 以使輪椅在上、下坡過程中，座靠椅能夠始終保持水 平，從而起到調(diào)節(jié)輪椅系統(tǒng)重心的作用，擴(kuò)大輪椅的 應(yīng)用范圍；

將行星輪與棘輪的特點(diǎn)進(jìn)行整合運(yùn)用，不僅能 使輪椅輕松越障礙、上臺(tái)階，還可使輪椅上樓梯；

運(yùn)用傳感器檢測(cè)路況信息，可使得整個(gè)輪椅系 統(tǒng)更加自動(dòng)化、智能化；

軟件部分可實(shí)現(xiàn)全手動(dòng)、半自動(dòng)或全自動(dòng)控制, 可適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

3.4突出創(chuàng)新點(diǎn)

(1)主輪采用內(nèi)外輪結(jié)構(gòu)。解決了兩輪同軸，并 且需要自由轉(zhuǎn)動(dòng)的問題，使輪椅能夠零半徑轉(zhuǎn)向，保 證輪椅基本功能的實(shí)現(xiàn)；

( 2)采用偏心距可調(diào)的偏心輪機(jī)構(gòu)降低了輪椅 在上臺(tái)階過程中重心上升的高度，將輪椅上臺(tái)階所需 要做的功分開來做，從而減小電動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率；

( 3)將行星輪、棘輪、萬向輪等的特點(diǎn)進(jìn)行整 合運(yùn)用，使輪椅能夠連續(xù)上臺(tái)階，增強(qiáng)其實(shí)用性；

安裝在輪椅座靠椅下的升降裝置，可以自 動(dòng)檢測(cè)路況信息并調(diào)節(jié)輪椅座靠椅以保證輪椅系統(tǒng)重 心的穩(wěn)定；

( 5)綜合運(yùn)用超聲波傳感器和加速度傳感器對(duì) 路況信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，使整個(gè)輪椅系統(tǒng)更加自動(dòng)化、 智能化，也使使用更加安全、舒適；

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)在輪椅上對(duì)家用電器 的智能控制。

圖2所示是該智能輪椅的機(jī)械技術(shù)原理圖。

圖2技術(shù)原理圖

該輪椅機(jī)械部分包含:座靠椅1、支撐架2、連接桿3、腳托板4、主軸5、從動(dòng)輪6、車輪7、液壓 升降裝置8、支撐面板9、連接軸10、滾輪組11、第 二電機(jī)12、絲桿螺母13、輔助導(dǎo)軌14、絲桿軸15、 第一電機(jī)16、主動(dòng)輪17、鏈條18、第三電機(jī)19。

4使用原理

4.1靜止?fàn)顟B(tài)

圖3(a)為普通輪椅靜止?fàn)顟B(tài)示意圖，圖3(b) 為本小組設(shè)計(jì)的輪椅靜止?fàn)顟B(tài)示意圖。

在使用者坐上輪椅之前或使用者休息時(shí)，輪椅 狀態(tài)如圖3(b)所示。此時(shí)，輪椅主軸5隨同絲桿螺 母13沿輔助導(dǎo)軌14被絲桿軸15傳送到距離輪子邊 緣較近的位置，系統(tǒng)重心被降低，輪椅處于相對(duì)穩(wěn) 定的狀態(tài)，不會(huì)前后晃動(dòng)，這樣，坐在輪椅座靠椅上 的人也會(huì)感覺比較安全。

(a)普通輪椅靜止?fàn)顟B(tài)圖

(b)智能輪椅靜止?fàn)顟B(tài)圖

圖3輪椅靜止?fàn)顟B(tài)示意圖

4.2啟動(dòng)過程

當(dāng)使用者坐上輪椅之后，使用者通過按鍵控制 第二電機(jī)12轉(zhuǎn)動(dòng)，第二電機(jī)12將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給絲桿軸 15,并牽動(dòng)輪椅主軸5隨絲桿螺母13上升。此過程中, 輪椅重心也被提升，輪椅系統(tǒng)狀態(tài)由圖3(b)所示變?yōu)?圖3(a)所示。

4.3平路行進(jìn)過程

當(dāng)輪椅在平路上行進(jìn)時(shí)，第一電機(jī)16和第二電 機(jī)12處于鎖定狀態(tài)，而絲桿螺母13處于車輪7的中 心位置，車輪7內(nèi)的第三電機(jī)19轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)車 輪7的外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，輪椅前進(jìn)。

4.4上臺(tái)階過程

當(dāng)輪椅需要上臺(tái)階或越過障礙物的時(shí)候，第三 電機(jī)19處于關(guān)閉狀態(tài)，和車輪7的外圈嚙合為一體, 而開啟第二電機(jī)12,通過帶動(dòng)絲桿軸15的轉(zhuǎn)動(dòng)，絲 桿螺母13在絲桿軸15的轉(zhuǎn)動(dòng)下慢慢順著絲桿軸15 和輔助導(dǎo)軌14移向車輪7的邊緣處；在絲桿螺母移 動(dòng)的同時(shí)，車輪主軸5也在向受阻的方向移動(dòng)，此時(shí) 輪椅重心前移。

開啟第一電機(jī)16，主動(dòng)輪17通過鏈條18帶動(dòng) 從動(dòng)輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)輪帶動(dòng)主軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸5通過 絲桿螺母13帶動(dòng)車輪7轉(zhuǎn)動(dòng)爬上臺(tái)階或越過障礙物。 當(dāng)輪椅爬上臺(tái)階或越過障礙物后，經(jīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)使主軸 5回到原位，輪椅轉(zhuǎn)換為平路行走。

4.5平衡過程

當(dāng)輪椅在上、下坡過程中，安裝在輪椅座靠椅 1下的液壓升降裝置8通過單片機(jī)控制伸長或縮短, 來保持座靠椅1的水平，從而保證使用者的安全平穩(wěn) 性。此時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)如圖4所示。

圖4平衡過程狀態(tài)圖

輪椅實(shí)物如圖5所示。

圖5輪椅實(shí)物圖片

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