引言

近些年來,由于我國人口老齡化的加劇,老年人群所占比例增大,對于輪椅的需求量也急劇增加,但是我國的輪椅行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不夠多元化,普通輪椅的性能較差,適用路況較為單一,而高端一點的電動輪椅和調(diào)平輪椅則因為經(jīng)費以及技術(shù)水平的不足一直處于停滯不前的狀態(tài),且輪椅缺乏自主避障、自動控制、導(dǎo)航功能。目前,普通輪椅主要適合在平坦地面上使用,越野性能差,無法在草地、河邊、崎嶇不平的道路上安全行駛,也不能攀越路牙石等障礙,制約了使用者的活動范圍。本項目結(jié)合現(xiàn)有的智能輪椅及機器人技術(shù),研發(fā)了一種具有越野性能、座椅可自動調(diào)平的電動輪椅,使其具有良好的地形通過性與適應(yīng)性,輪椅的座椅可以根據(jù)地形調(diào)整,保證座椅始終水平,且可以自動調(diào)整座椅的位置,保證行駛的穩(wěn)定性,從而拓寬了輪椅的可使用范圍,使輪椅具有自主性,更加人性化。

1機械結(jié)構(gòu)部分分析

項目所涉及的座椅可自動調(diào)平的越野輪椅的核心在于座椅部分,座椅有上下兩塊座椅平臺,下平臺固定于輪椅上,兩個MG996舵機固定在下平臺,兩個萬向聯(lián)軸器用來連接曲柄以及保證上平臺可自由轉(zhuǎn)動,一個陀螺儀(附著于上座椅平臺)用來檢測角度,還有兩個曲柄以及一個STM32F103單片機。調(diào)平系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。整體的座椅組成較為簡單,所需元件不多,且元件的價格比較便宜,適用于大規(guī)模生產(chǎn)投放市場。

輪椅框架則是使用樹莓派和USB攝像頭,在Linux環(huán)境下使用openCV對攝像頭采集的數(shù)據(jù)進行處理,達到自動避障效果。

2控制系統(tǒng)部分分析

該型輪椅具有手動控制和自動控制兩種方式,在驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障或意外斷電的情況下,可以進行手動控制調(diào)平座位,在此我們主要分析其自動控制部分。其核心的座椅自動調(diào)平部分是采用MPU6050陀螺儀與STM32F103單片機、MG996舵機等元件組成,陀螺儀檢測角度信息,得出使用者坐姿的四個維度,而后將這些信息傳送給與其相連的STM32F103單片機,單片機根據(jù)所獲取的信息運行程序啟動MG996舵機,舵機控制兩個曲柄往復(fù)運動調(diào)整座椅的上平臺,使之始終與地面保持水平,從而實現(xiàn)座椅的自動調(diào)平,并且不影響輪椅的正常行駛。座椅的調(diào)平系統(tǒng)原理如圖2所示。

座椅可自動調(diào)平的輪椅主要功能在于適應(yīng)多種復(fù)雜路況的同時可以進行座椅的實時調(diào)平,避免使用中在上下坡等情況下由于重心不穩(wěn)定而發(fā)生事故,甚至造成更大的損失,其實時調(diào)平的功能會給使用者在通過復(fù)雜地貌如上下坡或爬天橋時一種如履平地的體驗,又因為輪椅所設(shè)定路況坡度在普遍路況范圍以內(nèi)(傾角5°~15°),適度的前后左右調(diào)平擺動會給使用者更舒適的使用體驗。而超出此傾角范圍的震蕩會超出人體可接受的震蕩幅度,給使用者造成人體傷害。如若碰到路況復(fù)雜程度、傾斜角度超出設(shè)定范圍,則經(jīng)陀螺儀測定傳給單片機之后停止對舵機發(fā)出指令,使輪椅不再進行調(diào)平操作,直至重新進入滿足條件的路況系統(tǒng)重新運行,單片機繼續(xù)發(fā)出指令控制舵機運轉(zhuǎn)驅(qū)動曲柄進行調(diào)平操作。

座椅調(diào)平系統(tǒng)的主要元件及型號、作用如表1所示。

3同類產(chǎn)品對比

目前所存在的調(diào)平機構(gòu)大體分為三種,我們分別與其對比,結(jié)果如下:

(1)與利用平臺自重調(diào)平機構(gòu)相比,本項目機構(gòu)結(jié)構(gòu)更為簡單,成本更低,而且因為座椅重量更小,相比于這種機構(gòu),本項目機構(gòu)不易出現(xiàn)震蕩,很容易實現(xiàn)自動控制。

(2)與利用平衡四連桿調(diào)平機構(gòu)相比,平衡四連桿機構(gòu)的平行四邊形機構(gòu)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不緊湊穩(wěn)固,容易發(fā)生事故,且調(diào)平所需空間較大,不適用于實際使用的輪椅。

(3)與液壓調(diào)平機構(gòu)相比,液壓調(diào)平機構(gòu)體積過于龐大,并且液壓傳動系統(tǒng)運行過程中會使用潤滑油等能夠帶來衛(wèi)生問題的產(chǎn)品,不適用于輪椅這一產(chǎn)品。

與以上三種已存在的調(diào)平機構(gòu)相比較,本項目采用的陀螺儀檢測角度,單片機分析信息,控制舵機運行帶動曲柄調(diào)平這一方案,結(jié)構(gòu)更加簡單,成本低,輪椅體積小,更加清潔衛(wèi)生,且自動控制效果更好。同時,在電動控制調(diào)平部分出現(xiàn)故障的情況下,本機構(gòu)可手動調(diào)平,讓使用者有多種調(diào)平體驗。

4結(jié)語

在當前人口老齡化的大潮下,老年人口的增多使得中青年一代生存壓力增大,作為一件有效的代步工具,輪椅在當今時代需求量巨大,也應(yīng)得到重視與研發(fā),更多的高智能型、高自動化輪椅應(yīng)被開發(fā)出來造福行動不便的老年群體。本項目所研發(fā)的利用陀螺儀檢測方向,單片機輸送指令運轉(zhuǎn)舵機控制曲柄調(diào)平的新型座椅可自動調(diào)平的越野輪椅具有成本低,安全穩(wěn)定性能高,智能自動化程度高的優(yōu)勢條件,在后續(xù)的生產(chǎn)實踐中肯定會有廣闊的發(fā)展前景,其存在的問題也有待我們進一步探索解決,從而推動輪椅的高度自動化、智能化,解決當前社會普遍存在的老人自理能力差的問題,有利于社會和諧。